核動力反應爐火箭如何拉近我們與星際旅行的距離？
在香港我們想由屯門去銅鑼灣，可選擇坐港鐵、巴士或者的士！交通工具的選擇決定了旅程時間。放大到宇宙，問題一樣：如果我們想從太陽系去到最近的恆星，靠現時的化學火箭，時間長到幾乎無法想像。那麼，核動力能否成為我們的「快速通道」，縮短宇宙旅程？本文將拆解核動力推進的種類、物理基礎、技術瓶頸與現實可行性，幫你建立一個清晰、專業而不失真的圖像。
為何化學火箭不夠用？先談推進基本數
化學火箭像一部用汽油的跑車，爆發力強但「油耗」驚人。衡量火箭效率，我們常用一個指標叫比衝(Isp, specific impulse)，簡單理解為「每一份燃料能提供推力的時間長度」。典型的化學火箭(Isp 約 300–450 秒)已經很不錯，但當你要跑的是「九龍去巴黎」等級的宇宙距離——例如到半人馬座α(Alpha Centauri)約 4.37 光年——化學火箭就像開跑車去橫跨太平洋：油缸根本不夠。
火箭方程式(Tsiolkovsky rocket equation)告訴我們：要達到更高的末速(Δv)，不是要更大油箱，就是要更高的排氣速度(即更高比衝)。化學反應的能量密度受分子鍵能限制，天花板很清楚；而核反應——不論裂變(fission)或聚變(fusion)——單位質量獲得的能量高出化學數十萬至數百萬倍。這正是核動力令人期待的原因。
核動力的兩大路線：熱火箭與電推進
核能可以兩種方式推動太空船：
– 核熱火箭(NTR, Nuclear Thermal Rocket)：用核反應爐把工質(通常是氫氣)加熱，像吹風筒把空氣加熱再噴出去。排氣速度高於化學火箭，因此比衝可達 800–1000 秒，約為最佳化學火箭的 2–3 倍。
– 核電火箭(NEP, Nuclear Electric Propulsion)：反應爐先把熱能轉為電，再驅動高效率電推進器，例如離子引擎(ion thruster)或霍爾效應推進器(Hall thruster)。它們的比衝可達 2000–10000 秒甚至更高，但瞬時推力很低，屬於「慢慢推、越推越快」。
把兩者比喻：NTR像一輛高效能的混能車，起步有力，短中程很實際；NEP像電動單車，省電而長氣，適合長時間慢速加速。要去火星或外行星，兩者都有吸引力；要談星際旅行，單靠這兩者仍然遠不足以在人的壽命內到達，但它們可能是「第一段路」的關鍵。
核熱火箭：已做過的實驗，離實用只差最後幾步
美國在 1960–70 年代的 NERVA 計畫已成功測試多台核熱引擎，實測比衝約 850–900 秒，推力達數十至數百千牛等級，足以驅動載人深空任務。現代版本如 NASA/DOE 的 DRACO 構想，計畫在 2030 年代進行飛行示範。
核熱的優勢：
– 比衝約為化學的 2–3 倍，所需推進劑質量顯著降低。
– 推力足以進行快速轉移(例如更快的火星任務)。
核熱的難題：
– 反應爐必須在高功率密度下長時間穩定運作，燃料與結構材料要承受上千度高溫與強中子輻射。
– 工質多用氫，輕而易漏，儲存需極低溫，工程上麻煩。
– 各國對核安全與軌道核汙染有高度關注，上升段通常不允許啟動反應爐，設計更複雜。
雖然 NTR 仍無法把人類送到最近的恆星，但它能把太陽系內的旅行時間縮短到更可行的尺度，為星際前哨任務(例如到太陽系邊緣進行探測)建立能力與經驗。
核電推進：慢就是快，越遠越見其優勢
電推進的精髓在於高比衝。現役探測器如「黎明號(Dawn)」與「小行星探索計畫」已證明電推進的可靠性，但它們的電源多來自太陽能板。在遠離太陽的深空，太陽能變弱，核電就派上用場。
核電推進的優勢：
– 比衝可達 2000–10000 秒，燃料節省極大。
– 長時間、精準、可控的微推力，適合複雜軌道設計與深空巡航。
核電推進的瓶頸：
– 推力很低，加速需要數月或數年，難以應付快速逃逸或載人任務的時間要求。
– 反應爐轉電的效率、散熱器(把多餘熱散到太空)的面積與質量，都是工程難關。
若把前往星際視為馬拉松，NEP 是最省力的步伐，但要在人的壽命內抵達最近的恆星，單靠 NEP 仍不現實。
更激進的核概念：核脈衝、核聚變與反物質
要在幾十年內抵達鄰近恆星，我們需要遠超 NTR/NEP 的排氣速度與能量密度。以下是幾種被認為可能跨越門檻，但技術與工程挑戰極高的方案：
– 核脈衝推進(Nuclear Pulse Propulsion)：代表作是 1950–60 年代的「獵戶座計畫(Project Orion)」。概念上在飛船後方以高頻率引爆小型核彈，衝擊板(pusher plate)與緩衝系統把脈衝轉為持續推力。理論上可達到數萬秒級比衝與極高推力，讓巨大載荷在數週內離開太陽系。挑戰包括：太空核爆的國際條約限制、材料承受多次核脈衝的疲勞、放射性碎片問題與公眾接受度。
– 核聚變推進(Fusion Propulsion)：如磁慣性聚變(MIF)或托卡馬克/仿星器(stellarator)驅動的直噴推進。若能掌握聚變，單位質量能量約為裂變 3–4 倍，排氣粒子速度可達數萬公里/秒級。代表構想包括 Daedalus、Icarus、Z-pinch 推進等。現實是：地面電廠級穩定淨能輸出的聚變尚未實現，把它縮到航天器上、還要高功率密度和長壽命，難度再乘幾倍。
– 反物質推進(Antimatter Propulsion)：物質-反物質湮滅的能量密度是所有反應之冠。少量反質子就能產生巨量能量，理論上可達到接近光速的排氣粒子速度或驅動高效能熱/電混合系統。瓶頸在於：反物質的生產成本高得天文數字、儲存需要超高穩定的磁/電場陷阱，任何接觸普通物質即湮滅。短期內難以成為工程實物。
從技術成熟度(TRL)看，核熱與核電已在中高階，核脈衝有較完整理論與歷史工程研究但政治與法規障礙巨大；聚變與反物質仍多在概念與實驗室早期階段。
星際旅行到底要多快？用幾個數字說清楚
距離最近的恆星系統半人馬座α距離約 4.37 光年。若要在 50 年內抵達(不計減速)，平均速度需約 0.09c，即接近 10% 光速。把它對照不同引擎的可能速度：
– 化學推進：逃逸地球與行星轉移可行，但要達到 0.01c 也幾乎不可能。
– 核熱(NTR)：理想情況下可把深空探測器加速到幾十公里/秒級，但仍遠低於 0.001c。
– 核電(NEP)：長時間積累也許達到上百公里/秒級(取決於功率/質量比)，依然在 0.001c 以下。
– 核脈衝/聚變：理論上可達到 0.01–0.1c 的範圍，但工程與政治門檻極高。
換言之，若目標是「一生內到鄰星、並能減速停下來」，今天的核熱/核電不足以勝任，但它們能為未來更激進方案鋪路，並大幅提升太陽系內與邊界探索的能力。
核動力在太陽系內的現實價值
就像先練 10 公里才談全馬，核動力在太陽系內的應用才是當下的主戰場：
– 載人火星任務：NTR 可縮短往返時間，降低輻射暴露與心理壓力，增加任務彈性。研究顯示，相比純化學方案，行程可縮短數月至近一年。
– 外行星與矮行星探測：NEP 可提供長期推力，設計多次飛掠、捕獲與轉移，讓單一探測器完成多目標任務。例如在木星系、土星系長駐探測。
– 太陽系邊緣(如日鞘、奧爾特雲內緣)的快速任務：NTR 或高功率 NEP 有望在 10–20 年內抵達日球層邊界，對太陽風與星際介質進行精細測量。
這些任務不僅科學價值高，還能累積核反應爐在太空的運作經驗、散熱器設計、輻射屏蔽與長壽命電力管理，為更遠將來的星際工程打底。
工程現實：功率密度、散熱與質量預算
在太空中，熱只能靠輻射散出。這意味著：
– 高功率引擎需要巨大的散熱器(像「太陽傘」的反面)，而散熱器的質量會吃掉有效載荷與加速度。
– 反應爐、屏蔽、渦輪發電(若有)、功率電子與推進器之間的熱鏈設計，要在可靠與輕量之間取得最佳平衡。
– 核熱系統的噴嘴與燃料元件必須承受極高熱通量，材料科學是關鍵(如高熔點碳基/陶瓷複合材料)。
用一個香港家居比喻：你煲湯火太大，廚房抽氣不夠，蒸汽就充滿了全屋；太空船也是，功率一大，散不走的熱就會「焗壞」設備。因此「每公斤能提供多少瓦」的功率密度，常常決定方案成敗。
輻射與安全：不是避而不談，而是工程化管理
核系統帶來的輻射風險，主要在三方面：
– 中子與伽瑪輻射對電子設備、材料與生物的損傷。
– 反應爐在地球附近軌道或上升段的安全政策與公眾接受度。
– 任務終止或故障時的處置(例如離開地球引力井後才啟動、設計安全停堆與拋棄軌道)。
今天的做法包括把反應爐置於長桿後方、利用推進劑與水作屏蔽、只在高椭圓或深空啟動等。這些都屬成熟的工程風險控制，而非「科幻賭命」。
成本與政治：技術不是唯一的門檻
核動力涉及跨部門、跨國法規與社會心理。你可以把它看成在鬧市開新地鐵線：技術能做，但要環評、資金、社會協調與長期維護。太空核反應爐牽涉核燃料取得與管制、國際條約、太空碎片責任、以及地面測試設施的建置。這些都影響「何時能飛」與「能飛多大」。
和光帆、激光帆、質子束相比：核動力扮演甚麼角色？
另一些星際方案如光帆(photon sail)或激光帆(laser sail)，靠地面或軌道巨型激光陣列把帆推動到 0.1c 等級，代表如 Breakthrough Starshot。它避開了把能量帶上船的問題，但把難處轉移到「地面基礎設施超巨大」與「減速困難」。核動力則是把能量帶上船，彈性更高，能加速也能設計減速，但「船身較重」。在可見的未來，兩路線可能互補：用激光把小型探測器高速打出去，用核動力在太陽系內部署與指揮、甚至把較大型的載荷送往邊界。
可行性結論：核動力能否幫助星際旅行？
– 若「星際旅行」指的是在一個人類壽命內把大型飛船送到鄰近恆星並減速停留，以現有科技：僅靠核熱或核電，答案是否定的；需要核脈衝、聚變或其他更高能量密度方案，且仍有漫長路要走。
– 若指的是「顯著縮短通往太陽系邊界/近星際空間的時間」，核熱與核電的答案是肯定的，並且接近實用。
– 在策略上，核熱/核電是能力階梯上的必經之路：它們讓我們學會在太空安全運作反應爐、高效散熱、長期供電與推進，為更激進的星際技術打基礎。
接下來十到二十年的關鍵里程碑
– 核熱飛行示範(如 DRACO)：驗證在太空環境下的啟堆、節流、關機與熱循環。
– 高功率密度 NEP：目標是每公斤數百瓦的反應爐-電轉換與輕量散熱器，推動外行星長駐任務。
– 深空核安全框架：國際規範與任務審查流程成熟化，降低政治風險。
– 材料與耐久測試：高溫燃料元件、耐中子材料、輻射硬化電子學。
當這些拼圖逐一到位，太陽系的探索速度會明顯提升，而星際偵察(如高速飛掠鄰近恆星系的無人探測器)才有現實基礎。
結語：把遠方，拉近成為可規劃的旅程
核動力不是一把直接打開星際之門的萬能鑰匙，但它是把門前的路鋪平、拉直、加上路燈的工程隊。化學火箭把我們帶上天，核熱與核電讓我們在太陽系裡「有腳骨力」，而更激進的核脈衝或聚變，或許有一天會讓我們真正跨越星際。對我們這一代人來說，最可貴的是實事求是地把每一步走好：先用核動力縮短火星和外行星的旅程，建立深空核工程的信心與制度，再談更遠的星際雄心。
