譯 編輯室
50 年前的驚世壯舉
1969 年 7 月 21 日，美國太空人阿姆斯壯（Neil Armstrong）成功登陸月球，在短短的幾個小時內，他和另一位太空人奧爾德林（Buzz Aldrin）在月球表面進行了一系列科學實驗，其中一些實驗是運用放射性同位素加熱器來保護他們，避免受到月球入夜時的酷寒影響。世界核能協會（WNA）資深溝通經理科布（Jonathan Cobb）博士介紹了核子技術在人類重大歷史事件中的特殊貢獻。
「就是這樣；做得好；太棒了；嘿，哇；停下來，停下來！支援 ...」這些話語雖然比不上「個人的一小步，人類的一大步」那麼著名，但阿姆斯壯在 50 年前的 7 月 20日在月球表面漫步時還說過了這些話。另一位太空人奧爾德林，在月球漫步快要結束時，因時間緊迫，他們匆忙地在月球表面進行了一系列的實驗。
最初的計畫是在阿波羅（Apollo）11 號上進行一整套更複雜的實驗，稱為阿波羅月球表面實驗組合（Apollo Lunar Surface Experiments Package, ALSEP）。這些實驗將由 SNAP-27 放射性同位素熱電產生器（radioisotope thermoelectric generator, RTG）供應電力，將放射性衰變熱能轉換為電能。
原本規畫是在阿波羅 11 號執行任務期間要進行兩次月球漫步，後來修改為只有一次，預計在月球地表上花費的時間不超過3個小時，科學實驗部分只需 10分鐘即可完成。因此阿波羅月球表面實驗組合需要再簡化，以便在較短的時間內完成布置。
班迪克斯公司（Bendix Corporation）於 1966 年初獲得了開發 ALSEP 的合約，他們提出一套簡化的實驗，統稱為「初期阿波羅科學實驗組合（EASEP）。EASEP不需使用 RTG 供電，而是由兩個太陽能板供電，因此只能在月球的白天運作。實驗將包括一個被動式地震儀，用來測量月球地殼與內部的地震活動以及物理特性，還有一個用來測量灰塵累積量的月塵探測器（lunar dust detector）。
運用放射性同位素優異特性
夜幕低垂的月球，溫度會降到攝氏零下175 度，如果沒有防護措施，這組實驗將在極低溫的環境中進行。為了克服這個難題，在被動地震儀的包裝內放置了兩個同位素加熱器（現在通常稱為「放射性同位素加熱器機組」）。兩個 15 瓦加熱器連接到一塊熱板上，希望實驗組件的溫度不要低於攝氏零下 54 度，以確保其所需的可靠性。每個同位素加熱器中心放置了一顆 36 克的鈽 238，其放射性衰變會產生實驗所需的熱能。
由美國原子能委員會（Atomic Energy Commission）所開發的加熱器，是在載有太空人的飛行任務中首次使用的核子技術。每個加熱器的直徑為 7.6 公分、長為7.6 公分、重量 57 克，包括多重屏蔽和保護材料。鈽燃料被包覆在多種材料中，包括鉭鎢（tantalum-tungsten）合金、鉑銠（platinum-rhodium）合金、 鈦、 碳纖維、石墨，以及不銹鋼外層，用做輻射屏蔽、耐熱和抗衝擊。
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| ( 左 ) 太空人奧爾德林在月球表面布署了 EASEP（圖片來源：尼爾·A·阿姆斯壯 / 美國航太總署） ( 右 ) 在奧爾德林的左腳前方，有一個同位素加熱器。（圖片來源：尼爾·A·阿姆斯壯 / 美國航太總署） |
位在美國新墨西哥州的桑迪亞國家實驗室 (Sandia National Laboratories)， 進行了廣泛的安全性分析與測試，以瞭解月球飛行任務若中止，或是發生任何想像得到的事故所產生的影響為何。由航太總署(NASA)、原子能委員會和美國國防部代表所組成的安全評估小組，完成了一份安全報告，結論是在阿波羅飛行任務期間，任何可能發生的事故情況下，加熱器對一般民眾都不會造成安全方面的問題。
阿波羅 11 號於 7 月 16 日國際標準時間13:32 起飛，7 月 20 日 20:17 登陸月球， 7 月 21 日 02:56 任務指揮官阿姆斯壯登上月球表面；04:25 登月艙駕駛員奧爾德林將科學實驗組合運送到登月艙以南約17 公尺處，並安裝好設備。當太空人還停留在月球表面時，地面控制傳達命令啟動了實驗，並於 04:40 首次接收到實驗數據。
月球上漫長的一天（譯註：經過科學家計算，月球上的一天相當於地球上的一個月），表示太陽能板必須持續地提供電力，直到日落前幾個小時。8 月 3 日，在月球上的第一天，地震儀記錄了許多事件，科學家認為這些事件似乎代表著地震活動，和（或）附近火山口兩側的岩石滑落。當夜晚降臨時，同位素加熱器便開始了提供熱量以保護實驗裝置的任務。
在下一個月球日（8 月 19 日）太陽升起時，地面控制再次開啟了實驗儀器，同位素加熱器運作成功，EASEP 再次送出實驗數據。它持續運轉到 8 月 27 日，接近月球正午溫度最高的時候，EASEP 停止回應地球管制站的命令，實驗正式結束，不過後續仍收到一些數據。在第 2 個月夜之後不久，發熱板顯示的溫度為攝氏零下47 度，相較之下，放置於陰影處未受加熱器保護的太陽能板，溫度則為攝氏零下152 度。
從阿波羅 12 號任務開始則進行了更廣泛的 ALSEP 任務，他們的電力來源都升級到 SNAP-27 放射性同位素熱電產生器，可以更大規模並連續地運作，在最後一位太空人踏上月球表面多年之後，仍能持續送回實驗數據。
放射性同位素加熱器機組和放射性同位素熱電產生器，現今仍繼續為一些非常成功的太空任務提供動力與協助，包括火星登陸車和發送至木星、土星、天王星、海王星和冥王星的太空探測器，它們送回的圖像和其他數據擴大了我們的視野與理解程度，使我們對宇宙充滿了驚奇。
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| 左起：阿姆斯壯、科林斯、奧爾德林（圖片來源：維基百科） |
航向宇宙的無限可能
美國航太總署署長布里登斯廷（Jim Bridenstine）於 2019 年 8 月 20 日表示，美國將研發下一代核子熱能推進技術（nuclear thermal propulsion）， 利用核分裂反應所產生的熱能推動航空器，估計最快可以 3 至 4 個月抵達火星，比最快的傳統化學動力航空器大約快一倍。
美國曾於 20 世紀的 50 年代到 70 年代期間，研製核動力引擎，以增強火箭運載能力，為登陸火星做準備。但在美國放棄登陸火星後，此計畫也於 1972 年喊停。
2019 年 3 月底，美國副總統彭斯提出 5年內讓美國太空人重返月球，這一時間表比航太總署的原計畫提前了 4 年。布里登斯廷隨後表示，將重返月球的計畫提前到2024 年的目的，是為了在 2033 年實現登陸火星，使得核子熱能推進等新型推進技術再次受到關注。2019 年 5 月 22 日，美國國會批准了航太總署以 1.25 億美元預算用於開發核子熱能推進技術。
人類畢生都在追求極致的航程，除了外太空，對於海洋以及海平面以下的深海地區，人類也是充滿了探索的慾望，更是世界強國意欲展示霸權的領域。
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| 核子動力破冰船 Yamal（圖片來源：維基百科） |
核子動力破冰船
破冰船是一種專門用於在結冰的水面上開闢航道的特種船舶，主要特點是船體寬（縱向短，橫向寬）、船殼厚、馬力大，且船體各區域設有不同的壓水艙，動力多採用對稱的多軸、多螺旋槳配置。破冰船主要的工作方式，是透過大馬力的推進以及特殊設計的船首駛上冰層，以船首破切冰層進行破冰。
一般這種方法適用於厚度小於 0.5 公尺的冰面，冰層較厚時，將會採用重力破冰法。利用船首破切冰層，並採用船首和船尾壓水艙注水增加自重，如先把船首壓水艙排空，船尾壓水艙注滿海水，船首會翹起，再加大馬力衝上冰面，之後排空船尾壓水艙灌滿船首壓水艙，依靠自身重量壓碎冰面。若需要拓寬航道，就採用依次輪番灌排左右二側壓水艙，使船身搖晃，將冰面擠碎、碰碎。如果遇到大型冰山，以強大推力的動力輸出，推動堅固的船首產生動能撞擊來破冰。
許多高緯度國家都擁有破冰船，例如俄羅斯就擁有多艘大馬力的核子動力破冰船，用於開闢北極航道；俄羅斯也擁有專職的破冰巡邏艦，是武裝軍艦化的破冰船。
全世界第一艘核動力破冰船「列寧號」就停靠在俄羅斯北方的摩曼斯克港，主要負責的任務是在北海航線上的破冰作業、地區考察、救援行動和引導運輸船等工作。目前這艘已經退役的破冰船搖身一變成為博物館，停泊在摩曼斯克港內，是當地的熱門旅遊景點之一。
坊間還有旅行社規劃搭乘目前世界唯一開放觀光旅遊的核子動力破冰船，前進北緯 90 度的旅遊行程，滿足人們探索北極的好奇心。
核子動力潛艇
1954 年建造完成的「鸚鵡螺」號核子動力潛艇是世界上第一艘核子動力船。鸚鵡螺號曾在沒有補充燃料的情況下持續航行了超過 11 萬公里，其中大部分時間是完全在水面下高速航行。1958 年 8 月，鸚鵡螺號從冰層下穿越北冰洋冰冠，從太平洋駛進大西洋，完成了常規動力潛艇所無法想像的壯舉。此後，美國宣布不再製造常規動力潛艇。
在第二次世界大戰時期使用潛艇的經驗，曝露出傳統的柴／電混合動力潛艇的缺陷：
首先是水下續航時間過短。傳統潛艇在水面下由電動馬達驅動，潛航時間受到電池蓄電量的嚴重限制，必須在一段時間之後浮出水面充電，在充電的過程中非常容易遭到攻擊。德國在二戰末期引入了荷蘭研發的呼吸管，但也僅能解決部分需求。
其次是航速，尤其是在水面下速度過慢。傳統潛艇依靠電動馬達輸出的動力，從水面下追隨高速航行的水面船艦幾乎不可能；即使浮出水面以柴油引擎輸出動力，也只能勉強追上航速較慢的水面船艦，而且這樣一來潛艇在海水保護下潛伏作戰的優勢也不復存在。
因此，為了擴大潛艇的戰術價值，大幅提高海面下持續航行的時間，研發替代動力來源，例如核能，一直是潛艇研究的一個重要目標。
註：核子動力（nuclear power），也稱原子能或核能，是利用可控制的核子反應獲得能量，來生產動力、熱量或電能。利用核子反應來獲取能量的原理：當分裂材料（例如鈾 235）在受人為控制的條件下發生核分裂時，核能就會以熱的形式被釋放出來，利用這些熱量來產生水蒸氣，以驅動蒸汽機。蒸汽機可以直接提供動力，也可以連接發電機來產生電能。世界各國軍隊中的某些潛艇及航空母艦多以核能為動力來源。
參考資料：
1. WNN, Viewpoint: Nuclear’s small role in humanitys biggest adventure, 2019/07/18
2. 美計畫研發核動力航天器 最快 3 個月抵達火星，新浪新聞，2019/08/22
3. 破冰船，維基百科
4. [ 巨匠旅遊 ] 人生夢想正北極 90° N 核動力破冰船 7/16 圓夢出發，旅報，2018/10/22 5. 核子動力潛艇，維基百科
本文出自核能簡訊 2020.02 NO.182
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