同位素核能源的空間應(yīng)用前景分析

孫佳慧

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

同位素核能源的空間應(yīng)用前景分析

孫佳慧

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

同位素熱源(radioisotope heating unit)簡稱“RHU”，是利用放射性同位素衰變過程產(chǎn)生的熱能而制成的熱源；同位素溫差發(fā)電器(radioisotope thermoelectric generator)簡稱“RTG”，是利用溫差電材料的塞貝克效應(yīng)將放射性同位素熱源的衰變熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器件。RTG和RHU統(tǒng)稱為同位素核能源。對同位素核能源的空間應(yīng)用前景進行了分析。

同位素熱源；同位素溫差發(fā)電器；應(yīng)用前景

放射性同位素衰變時發(fā)射出來的高能帶電粒子和射線通過與物質(zhì)相互作用，最終被阻止和吸收，這時射線的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽古c之發(fā)生作用的物質(zhì)溫度升高。這種利用放射性同位素衰變能制成的熱源，稱為放射性同位素熱源，簡稱RHU[1]。RHU是靜態(tài)的，產(chǎn)生的熱能自發(fā)地按指數(shù)規(guī)律衰減，不需任何控制機構(gòu)。RHU包括放射性同位素材料和多層結(jié)構(gòu)的特種包殼兩部分。

受各種條件的限制，適合做空間用RHU燃料的放射性同位素種類并不多，受防護的限制，要求放射性核素為容易防護的α源；受質(zhì)量的限制，要求放射性核素的單位質(zhì)量比功率大；受工作壽命的限制，要求放射性核素的半衰期足夠長等。根據(jù)這些要求，人們認為，同位素Pu-238是空間用同位素熱源的最理想核素。Pu-238的半衰期是87.7年，比功率為0.55 W/g，衰變種類是100%的α衰變[2]。由于Pu-238的自發(fā)裂變和雜質(zhì)的影響，熱源將輻射少量的中子和γ射線，在使用過程中需要做核防護。

利用溫差電材料的塞貝克效應(yīng)將放射性同位素的衰變熱直接轉(zhuǎn)換成電能的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器件，稱為放射性同位素溫差發(fā)電器，簡稱“RTG”，RTG能夠在極端惡劣的條件下運行。

同位素溫差發(fā)電器包含同位素熱源、溫差電器件和外殼3個基本功能單元。同位素熱源為同位素溫差發(fā)電器提供持續(xù)的熱能，溫差電器件利用溫差電材料的塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)換為電能輸出，外殼控制壁面溫度并提供機電熱接口。RTG的結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 RTG的結(jié)構(gòu)圖

1 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 美國RHU/RTG的研制與應(yīng)用

人們對同位素熱源和同位素溫差發(fā)電器的研制始于20世紀50年代，1961年美國向太空發(fā)射了由同位素溫差發(fā)電器供電的“子午儀”號導航衛(wèi)星，這標志著該電源首次在空間獲得應(yīng)用。從此以后，隨著美國空間計劃不斷向著太陽系深處的延伸，同位素熱源研制技術(shù)和溫差發(fā)電技術(shù)成為美國空間科學技術(shù)的重要組成部分，同位素熱源和同位素溫差發(fā)電器在登月計劃和系列行星探測計劃中得到了廣泛的應(yīng)用。截至目前，美國在歷年的空間探測任務(wù)中已30次成功運用同位素熱源和同位素溫差發(fā)電器(表1)，其中有4次只用RHU為探測器提供熱能，其余26次單獨利用RTG為探測器提供電能和熱能，或利用RTG供電能和熱能的同時在關(guān)鍵部位附加用RHU供熱。在應(yīng)用RHU和RTG的空間探測任務(wù)中最著名的有阿波羅登月計劃、飛向外層行星的旅行者飛船、伽利略飛船、探測土星的卡西尼號行星際飛船、探測冥王星的新地平線號飛船及著陸火星的好奇號火星探測器[3]。

表1 美國空間任務(wù)使用放射性同位素核能源

美國在宇宙空間探測任務(wù)中用Pu-238同位素熱源，為探測器提供在極端惡劣的低溫環(huán)境下維持生存所需的熱能，其中有：阿波羅-11號用于月面地震儀的2個RHU，伽利略飛船使用了120個RHU，“火星探路者”的火星車(1996)上使用了157個RHU，“卡西尼”宇宙飛船上使用了117個RHU，在“勇氣”號和“機遇”號(2003年)火星車上各使用了8個RHU。

1.2 俄羅斯(前蘇聯(lián))RHU/RTG的研制與應(yīng)用

前蘇聯(lián)在20世紀60年代也開始了自己的空間核電源研制計劃。1962年3月由中等機械建造部(MMMB)研制成功第一個同位素溫差發(fā)電器的實驗模型“L-106”，該裝置中使用了Po-210為燃料，1963年又完成了第二個具有實用性的實驗模型“利蒙-1”。其后，MMMB成功研制了采用Po-210的溫差發(fā)電器“獵戶座-1”和“獵戶座-2”，并于1965年分別在軍事通訊衛(wèi)星“宇宙-84”和“宇宙-90”上得到應(yīng)用，作為衛(wèi)星的輔助電源。

前蘇聯(lián)的“月球車-1”和“月球車-2”月球探測器分別于1970年和1973年發(fā)射成功，其中“月球車-1”上使用了Po-210同位素熱源，“月球車-2”上裝有1.6 W級的同位素溫差發(fā)電器以保證月夜期間探測器的能源需求[3]。

20世紀70年代中期，根據(jù)前蘇聯(lián)火星探測長遠計劃，進行了一系列大規(guī)模的Pu-238同位素溫差發(fā)電器的研究，當時研制的同位素溫差發(fā)電器輸出功率40 W左右，熱功率600 W左右。由于一系列的客觀因素，該溫差發(fā)電器未能應(yīng)用在探測火星的航天器上，只在地面上完成了結(jié)構(gòu)研究以及樣機的機、電、熱部分的制造，并解決了一系列空間用同位素熱源和同位素溫差發(fā)電器研制的關(guān)鍵問題。

20世紀90年代，俄羅斯開始研制用于“火星96”飛船的Pu-238同位素溫差發(fā)電器。所用的Pu-238放射性熱源被命名為“天使”，熱功率為8.5 W熱源。“天使”的研究和設(shè)計嚴格遵守了1992年聯(lián)合國大會通過的在宇宙空間利用核能的準則(№43/68，12.12.1992)、關(guān)于限定從事放射性物質(zhì)活動的國際指令性文件、俄羅斯聯(lián)邦國家現(xiàn)行標準。熱源的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3。

根據(jù)專門研究計劃，熱源“天使”進行了大量的地面實驗，證實了在實際運行和緊急事故情況下熱源結(jié)構(gòu)在輻射安全保障方面的可靠性。因此俄羅斯航天局火箭-空間技術(shù)鑒定中心頒發(fā)了熱源“天使”在“火星-96”航天器上安全使用證書。

圖2 熱源“天使”的照片

圖3 熱源“天使”結(jié)構(gòu)

1.3 我國RHU/RTG的研制現(xiàn)狀

我國對同位素溫差發(fā)電技術(shù)的研究始于20世紀的60年代，1966年中國電子科技集團公司第十八研究所組建了溫差電技術(shù)研究室并開展了針對空間應(yīng)用的同位素溫差發(fā)電器研制工作，1970年該所研制了空間用同位素溫差發(fā)電器電模擬原理樣機，隨后又相繼研制成功了WQ15-1氣體燃料溫差發(fā)電器，并且在輸氣管線陰極保護上得到應(yīng)用。

1971年3月中科院上海核子所與中國原子能研究院合作研制了我國第一臺同位素溫差發(fā)電器，它采用Po-210(半衰期138天)為燃料，產(chǎn)生熱能為35.5 W，輸出電功率1.4 W。該電源工作了約100天，運行期間進行了模擬空間應(yīng)用的地面實驗。

2006年6月，中國原子能科學研究院從俄羅斯引進Pu-238同位素熱材料，設(shè)計加工包殼、制成5 W熱源盒，和中國電科第十八研究所共同研制出我國第一個Pu-238同位素發(fā)電器，該發(fā)電器功率為260 mW，至今工作穩(wěn)定，為我國Pu-238溫差發(fā)電器的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2009年，為解決探月工程二期嫦娥三號月球探測器連續(xù)14個地球日月夜生存問題，探月工程兩總和探月與航天工程中心批準從俄羅斯引進3枚120 W、1枚8 W、1枚4 W同位素熱源，用于月夜期間為設(shè)備與探測儀器熱控提供熱能和電能。

2 國外未來空間用核能源的規(guī)劃

2002年，美國航天局(NASA)制定了一個五年計劃，總共投入9億美元資金資助所謂空間核能源創(chuàng)新計劃(NSI)，目的是開發(fā)先進的放射性同位素電源系統(tǒng)(ARPSs)和空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)(SNRPSs)。

對于ARPSs的要求是：最多提供1 kW電功率，滿足包括火星和太陽系其它行星表面等深空探索和長期任務(wù)。要求新研制的同位素電源系統(tǒng)提高系統(tǒng)性能與質(zhì)量比功率，減少同位素用量，以降低飛行成本。目標：比功率增加2倍，即從目前RTG的4.5 We/kg，提高到8～10 We/kg，效率從現(xiàn)在的～5.7%提高2～4倍。

對于SNRPSs的要求是：滿足行星際核電推進任務(wù)，需電功率20～100 kWe；為了未來載人任務(wù)，甚至需要兆瓦電功率。SNRPSs可以在不同功率級運行，多次關(guān)停和啟動，能夠在電源和/或電推進模式運行。

2008年4月29日，美國航天局(NASA)領(lǐng)導人給美國能源部(DOE)領(lǐng)導人的信件中，明確了2008年至2028年，美國航天局(NASA)在外層空間的科學和探測規(guī)劃，給出了核能源的需求及Pu-238的用量。表2為美國航天局(NASA)對于Pu-238的需求。

表2 美國航天局(NASA)對于Pu-238的需求

據(jù)此美國能源部(DOE)在2010年6月的一篇會議報告《為放射性同位素電源系統(tǒng)啟動钚-238生產(chǎn)計劃》中明確了美國將重新恢復Pu-238生產(chǎn)規(guī)劃，預計到2015年可達到年產(chǎn)5 kg的生產(chǎn)能力。

3 國際上空間核安全政策與措施

核能源一般使用放射性元素或物質(zhì)作為熱源，因此空間任務(wù)使用放射性同位素的安全性是人們關(guān)心的主要問題之一。因為放射性物質(zhì)一旦泄露，將會給地球以及人類等生物物種帶來不可估量的影響和傷害。但核能源在某些空間任務(wù)中有著明顯的優(yōu)勢甚至起到不可替代的作用，聯(lián)合國等國際機構(gòu)提出：在保證安全的條件下，可以在外太空使用核動力系統(tǒng)。1992年12月14日，聯(lián)合國大會通過了關(guān)于在外層空間使用核動力源的原則，該原則認為核動力源由于體積小、壽命長及其他優(yōu)越的特性，特別是探測外層空間的某些任務(wù)使用核動力是唯一的選擇，為此規(guī)定了在外空安全使用核動力源的若干準則和標準。

由于空間核動力系統(tǒng)的安全性非常重要，1992年聯(lián)合國大會通過關(guān)于在外層太空使用核動力源的原則，要求各國在發(fā)展空間核動力時，必須遵循相關(guān)規(guī)定：各國在發(fā)射核動力源航天器時，應(yīng)保護人類和生物圈免受輻射危害；在核動力源航天器正常工作期間，以及從規(guī)定的足夠高的軌道重返大氣層時應(yīng)遵守國際輻射防護委員會建議的對公眾的適當輻射防護目標；正常工作期間不得產(chǎn)生顯著的輻射；核動力源系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)造應(yīng)考慮到國際上有關(guān)的和普遍接受的輻射防護準則，以限制事故造成的輻射；應(yīng)從設(shè)計、建造和操作各環(huán)節(jié)入手，確保系統(tǒng)安全性和可靠性。

在外層空間使用核動力源需要執(zhí)行關(guān)于輻射和核安全問題的國際制度，其中包括：《及早通報核事故公約》、《核事故或輻射緊急情況援助公約》、《核安全公約》、原子能機構(gòu)安全基本標準出版物《輻射防護和輻射源安全》和《核裝置安全和放射性廢物管理的原則》所載的各項原則、《關(guān)于防止電離輻射和輻射源安全的國際基本安全標準》、原子能機構(gòu)專門處理《核動力衛(wèi)星重返應(yīng)急規(guī)劃和準備問題》的安全系列出版物。

由于上個世紀美國和前蘇聯(lián)相繼發(fā)生了攜帶核能源航天器的意外事故，引起了人們對外層空間使用核動力工程的核安全問題的高度關(guān)注，對同位素熱源的設(shè)計提出了更加嚴格的要求和條件。對于空間飛行器使用的放射性同位素溫差發(fā)電器來說，其熱源普遍使用的放射性元素是Pu-238，對其的安全等級要求如下：

(1)燃料的使用形式是钚陶瓷氧化物，以減小熱源在出現(xiàn)重返大氣層或火災事故時產(chǎn)生燃料蒸發(fā)。此外，钚氧化陶瓷具有較高的絕緣性，破碎時一般形成較大的碎塊而不易被吸入體內(nèi)。這些優(yōu)勢都大大降低了由于燃料泄漏而產(chǎn)生的對人體健康潛在的影響。

(2)熱源以若干獨立的燃料模塊的形式存在，且每一個熱源模塊都具有獨立的火災、意外重返大氣層引起的高溫熱屏蔽層和高速撞地的防撞擊包套。這樣的設(shè)計也大大減小了燃料在意外事故中產(chǎn)生泄漏的機會。

(3)熱源包殼具有多層材料保護層，主要包括使用銥金屬制作的膠囊外套，高強度、高熱阻的內(nèi)層石墨包套。金屬銥的熔點為4 449 K，高于重返大氣層的溫度，而且該金屬具有較好的耐腐蝕性和化學穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

總體而言，我國對同位素熱源研制技術(shù)和同位素溫差發(fā)電技術(shù)的研究工作雖然開展得較早，國內(nèi)科研機構(gòu)也初步具備研制能力，但由于同位素熱源燃料的缺乏和需求牽引的不足使我國的國產(chǎn)同位素熱源和同位素溫差發(fā)電器至今仍沒有得到實際應(yīng)用。

通過探月二期工程，我國從俄羅斯引進5枚Pu-238同位素熱源，用于月夜期間為設(shè)備與探測儀器熱控提供熱能和電能，我們對空間用RHU所必備的實驗條件有了一定認識，特別是對在運載工具等發(fā)生意外事故情況下確保RHU安全的實驗要求有了初步認識。這里的意外事故情況是指在探測器發(fā)射、運行、或入軌前，發(fā)生意外，導致RHU要經(jīng)歷火災、撞擊、再入大氣層、落入深海等情況，在這些情況下要確保RHU不發(fā)生放射性物質(zhì)擴散。為確保RHU的安全，要在地面對能夠預見的情況進行模擬驗證，這些實驗條件還需要再建設(shè)。

[1]蔡善鈺.人造元素[M].上海:上海科學普及出版社，2006.

[2]羅文宗，張文清.钚的分析化學[M].北京：原子能出版社，1991.

[3]蔡善鈺.放射性同位素電池在月球上[J].現(xiàn)代物理知識，2010(5)：37-40.

Prospect of radioisotope heating unit in space applications

SUN Jia-hui

Radioisotope heating unit(RHU)was a heat source utilizing the decay heat of radioisotopes.Radioisotope thermoelectric generator(RTG)was an energy conversion device which utilizeing the Seeback effect of thermoelectric materials and converting the decay heat of radioisotopes into electricity directly.Radioisotope power was the designation of RTG and RHU.The prospect of RTG in space applications was analyzed.

radioisotope heating unit;radioisotope thermoelectric generator;application prospect

TM 913

A

1002-087 X(2014)02-0401-04

2013-09-09

孫佳慧(1985—)，女，吉林省人，學士，主要研究方向為空間電源。