為何到現在還未有核動力火箭？

如果把去火星比喻成由香港乘風破浪去台東，現時的化學火箭就像快艇：起步猛、油耗大、續航有限；那核動力推進則像一部小巧但續航超長的柴油引擎船，或許沒那麼爆衝，但可以更遠、更省、更穩。核能是否真能讓人類更快走出地球的鄰里？本文會帶你一步步理解核動力火箭的原理、類型、優缺點與最新發展。

為何要考慮核動力？先談「比衝」與能量密度

火箭的核心難題，是要在有限的燃料質量內，把盡量多的動能帶給飛船。衡量火箭效率的關鍵指標叫「比衝」(specific impulse, Isp)，簡單理解就是「每一斤燃料能換來的推進效率」，數值越高越省油。化學火箭（例如液氫/液氧）Isp 通常在 350–450 秒之間；而核動力方案，有潛力把 Isp 提升到 900 秒以上，甚至更高。原因在於核能的能量密度極高：單位質量釋放的能量比化學反應高上數百萬倍。

另一個概念是「推力」(thrust)。化學火箭能在短時間內提供極大推力，非常適合脫離地球重力井；但它們耗料快、續航差。核推進大多能提供較高的 Isp（更省）但推力通常較低或中等，更適合「在太空中長期加速」的任務。要去火星或更遠的地方，核動力就像長跑選手，用時間換距離。

核分裂熱火箭 NTR：像把小型原子爐搬上飛船

最成熟、最被廣泛研究的核動力火箭類型，是「核熱火箭」(Nuclear Thermal Rocket, NTR)。原理其實很直觀：把一個小型核反應爐當成超高溫熱源，將工質（多用液氫）加熱到極高溫，然後像噴泉一樣經噴嘴噴出，產生推力。你可以把它想像成「把水壺煮到超級滾，蒸氣衝出壺嘴推動壺身」，只是這裡的「水」改成氫氣，「火」改成核反應。

為什麼選氫？因為氫的分子量最小，同樣溫度下噴出的熱氫流速最高，能帶來更高的 Isp。早期美國的 NERVA 計畫（1960–70 年代）已在地面示範過可行的反應爐與熱交換器，達到約 900 秒 Isp，比傳統化學火箭高一倍。近年 NASA 與 DARPA 正在推進 DRACO 計畫，目標是在近地軌道測試 NTR 技術，以支援未來月球—火星運輸。

NTR 的關鍵技術挑戰包括：燃料材料必須在數千度高溫下保持結構穩定；如何把反應爐的熱有效傳給氫而不讓燃料顆粒或裂變產物逸散；以及反應爐的啟停與功率調控，需要極高可靠度。簡單說，就是「小而強、熱而穩」。

核電推 NEP：先發電，再用電推離子

另一大類是「核電推進」(Nuclear Electric Propulsion, NEP)。它不是直接用反應爐加熱工質，而是用反應爐發電，再驅動高效率的電推引擎，如霍爾推進器(Hall thruster)或離子引擎(ion thruster)。電推的 Isp 可以飆到 2000–5000 秒甚至更高，極為省油，但推力微弱，像是一直在「慢慢吹氣」。

你可以將 NEP 想成一台「行動電廠」加上一組「超省油馬達」。在深空任務中，NEP 能在長時間穩定加速，累積可觀的速度增量(delta-v)，非常適合貨運、外行星探測等不急於抵達、但追求高總效率的任務。不過 NEP 的短板很明顯：要把核反應爐、發電機、變壓器、電力處理與大型散熱器一併帶上天，系統複雜且重量不輕。尤其散熱器，因為太空真空中只能靠輻射散熱，散熱面積往往要做得很大。

NTP vs NEP：各擅勝場，能否合體？

核熱推進(NTP 即 NTR)的優勢是推力比 NEP 大得多，適合載人任務縮短飛行時間，例如火星轉移；NEP 則在燃料經濟性與總 delta-v 上無敵，適合貨物、探測器或長期軌道調整。那能否把兩者結合？答案是可以的，稱為「核電熱混合方案」或「雙模態」(bimodal) 概念：一個反應爐在高功率模式下當 NTR，低功率模式下改為發電，供應電推使用。這種設計在理論上能在任務不同階段切換模式，兼顧推力與效率。

雙模態系統的工程難題在於：反應爐如何兼顧高溫、高流量（NTR 模式）與長壽命、穩態輸出（發電模式）；熱管理要如何在兩種工況下保持安全與效率；整體質量與複雜度是否仍具有系統級優勢。現階段各國團隊在做設計研究與地面子系統測試，仍屬前沿。

核融合推進：未來感滿滿，但還在「實驗室等車」

提到核動力，很多人直覺會想到「核融合」(nuclear fusion)——太陽的能量來源。如果能把太陽的「反應」裝進火箭，是不是無敵？理論上，融合推進能提供極高的比衝與不錯的推力；在某些設計下，前往外行星甚至星際邊界的時間能大幅縮短。

問題在於，地面上的受控核融合裝置（如托卡馬克 tokamak 或慣性約束融合 ICF）至今仍在艱難走向淨能量增益與工程化穩定運作。把這樣的系統小型化、輕量化、可靠化到能上太空，更是難上加難。雖然有多種構想如磁化目標融合(MTF)、Z‑pinch、以及用氘氚或先進燃料（如氘氦‑3）的概念引擎，但目前都停留在理論與初步實驗階段。融合推進是遠期夢想，短中期內，分裂式的 NTR/NEP 更務實。

安全與輻射：真的會不會像電影那樣「一爆就完」？

核反應爐不是核彈。核彈需要極快、極特殊的臨界組態與壓縮條件；反應爐則是可控的裂變鏈式反應，功率受控制棒與幾何結構限制。火箭上的核反應爐在設計上會採用多重冗餘與被動安全機制，確保在故障或關機時反應自然減弱或停止。

那輻射呢？主要考慮有三：一是地面測試與發射階段的放射性風險；二是運行時對航天器及乘員的劑量暴露；三是任務結束後的處置。工程上有幾個做法：在發射時讓反應爐保持「冷、未臨界」狀態，只有進入安全軌道後才啟動；用增距支架把反應爐置於船尾遠離乘員模組，並加上定向遮蔽；採取軌道終態處置，例如送至太陽軌道或墓地軌道。歷史上，美國與前蘇聯已經把核反應爐送上過衛星（主要是核電源），相關經驗能提供安全與運行數據。

以香港人的日常比喻，這好比在廚房用高壓鍋：不是不能用，而是要有合格器材、正確流程、加上保險閥。核推進的難度與風險比高壓鍋多很多倍，但工程師的工作，就是把每一個「萬一」降到可接受的層級。

任務效益：為何載人火星特別受惠？

載人火星任務最大的敵人之一是時間。飛行時間越長，宇航員暴露於宇宙線與太陽高能粒子的時間越長，補給與生命維持的負擔越大，心理壓力也更強。NTR 能把地球到火星的轉移時間從傳統化學軌道的約 6–9 個月，壓縮到理想情況下的 3–4 個月等級（視任務設計而定），對載人安全與任務風險是實實在在的降幅。

NEP 雖然推力小，但在貨運方面很有吸引力：可以用很少的推進劑，把重型補給貨艙慢慢推到火星軌道，提前佈局。當有人類到達時，燃料、棲居模組、備件已在目的地附近等待，整體任務風險就降低了。把 NTR 用於載人轉移、NEP 用於貨運，形成一種分層物流，是不少藍圖中的組合拳。

工程現實：材料、熱管理與系統整合

核推進的「卡脖子」技術主要在三方面：

• 高溫材料：反應爐燃料與結構需在 2500–3000 K 以上長時間工作，不裂、不崩、不揮發。先進碳基複合材料、碳化鋯/碳化鈮、以及陶瓷基燃料矩陣是熱門方向。
• 熱交換與散熱：NTR 要把熱快速且均勻地傳到氫；NEP 要把發電後的廢熱用大型輻射器排掉，這決定了系統質量與可靠性。散熱器形狀（展翼、充氣、滴流式 radiators）與表面塗層都在研究中。
• 系統整合與振動：推進體系、儀電、姿態控制、遮蔽布置之间互相牽制，還有發動機啟停時的熱應力與振動管理，必須反覆在模擬與地面測試中迭代。

環境與政策：社會接受度同樣重要

就像在鬧市加裝一個微型發電機，技術可行不代表能上路。核推進需要跨部門監管：太空機構、核安單位、環保部門、國際條約協調。發射事故風險評估、落區規劃、國際通報機制都要到位。過去我們已多次成功把放射性同位素熱電機(RTG)送往外太陽系，例如旅行者號、卡西尼號、新視野號，累積了相當多的安全流程經驗。核反應爐功率更高，手續更嚴謹，但路已經部分走通。

對香港讀者而言，這有點像處理基建項目：地理、法規、民意都要評估。透明的風險溝通與逐步示範，能爭取社會信任。先從軌道示範到月球物流，再到火星任務，是較容易被接受的節奏。

與化學火箭的分工：誰負責「起飛」，誰負責「遠航」

短期內，我們不會用核火箭從地面直接起飛。地面起飛仍然由化學火箭主導，因為它們能提供龐大瞬時推力，且供應鏈成熟、成本可控。核推進更像是「上了軌道後的第二級引擎」，負責地球軌道到月球、火星的轉移與深空巡航。這種分工能把各自優勢最大化：化學火箭幫你衝出大氣、越過重力井，核推進幫你長途省油、縮短航程。

實際應用情境：三個具體畫面

• 火星快遞（載人）：在近地軌道組裝的核熱轉移載具，於窗口期啟動，3–4 個月抵達火星軌道，乘員輻射暴露與心理壓力顯著降低。
• 深空探測（貨運/無人）：核電推帶著大型天文望遠鏡或外行星探測器，長達數年的持續加速，最終速度遠超化學上限，探索海王星以外的柯伊伯帶。
• 月球經濟圈：在地月空間來回搬運燃料、金屬與設備，NEP 以小推力長期運作，形成像港口貨櫃船的班輪服務。

常見疑問速答

• 會不會一發射失敗就造成重大污染？——設計上反應爐在地面與上升段保持未啟動、低放射狀態，容器具備耐撞結構。風險不是零，但可被工程與程序大幅壓低。
• 核燃料會不會洩漏到推進劑裡？——NTR 的燃料元件採多層包覆與高溫穩定材質；系統測試會模擬熱循環與沖刷，確保裂變產物不外逸。
• 宇航員會被反應爐照射嗎？——反應爐與乘員艙之間有長桿架與遮蔽錐，並盡量把輻射「朝外」排放；加上任務規劃的角度管理，劑量在可接受範圍。

最新進展：從紙上藍圖到軌道示範

近年來，美國的 DRACO 計畫正推動 2020s 後期的核熱推進在近地軌道示範；同時，歐洲、日本亦在評估核電推的系統概念與散熱技術。商業公司也開始關注，以月球物流與深空探測為切入點。材料學的突破（例如更耐高溫的陶瓷基複合燃料）與散熱器技術（如滴流式散熱）是能否跨越臨界的關鍵。

值得留意的是，國際合作在核推進上尤其重要。標準化的安全框架、開放的測試數據、以及跨國任務分工，都能加快技術成熟，同時建立社會信任。

小結與展望：核動力不是萬能，但很可能是下一步

把核能帶上火箭，既不浪漫也不恐怖，它是一個務實的工程選擇。核熱推進可在可見的未來，幫助我們更快、更安全地把人類送往火星；核電推進則像太空貨櫃船的「柴油心臟」，長期、穩定、節省推進劑，支撐深空物流。融合推進則像更遙遠的目標，等待科學與工程的再躍升。

對香港讀者而言，想像太空交通網就像大灣區的立體交通：高鐵衝刺、貨船續航、轉運樞紐整合。化學火箭、高比衝核推進與月球—火星前哨站的組合，將會是未來十數年的現實場景。核動力不是唯一答案，但很可能是我們走向深空時的關鍵拼圖之一。

當我們問「核動力可應用在火箭推進嗎？」更完整的答案是：「可以，而且值得。」接下來的十年，將是把論文變成硬件、把地面測試變成軌道示範的關鍵窗口。