核廢料助航天器探索宇宙更深處

劉霞

英國(guó)《自然》網(wǎng)站在近日的報(bào)道中指出，當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月22日至23日在巴黎召開的歐洲空間局（ESA）理事會(huì)會(huì)議上，ESA同意資助名為“使用放射性同位素能源的歐洲設(shè)備”（ENDURE）的計(jì)劃。該計(jì)劃旨在開發(fā)由放射性同位素镅-241提供電能的裝置，以替代現(xiàn)有的钚-238電池，助力歐盟探索月球及更遙遠(yuǎn)的地方。

《自然》在報(bào)道中指出，歐洲科學(xué)家正在開發(fā)一種以核廢料镅-241為動(dòng)力的電池，ESA希望，到本世紀(jì)末，這些裝置能為航天器長(zhǎng)效供電而不依賴太陽能電池板，以助力該機(jī)構(gòu)探索月球及太陽系的遙遠(yuǎn)區(qū)域。

ESA擬向ENDURE項(xiàng)目提供3000萬美元資助。該項(xiàng)目聯(lián)合負(fù)責(zé)人、歐洲空間研究與技術(shù)中心的賈森·哈頓表示：“歐洲空間局未來有多項(xiàng)雄心勃勃的太空探索任務(wù)，如果我們想在探索中擁有自主權(quán)，就需要擁有由自己研發(fā)的長(zhǎng)效電源。”

目前，對(duì)于無法由太陽能完成的任務(wù)，ESA都依賴美國(guó)或俄羅斯合作伙伴研制的钚-238電池為相關(guān)任務(wù)提供動(dòng)力。但在過去10年中，钚-238一直供不應(yīng)求，生產(chǎn)成本高昂。

長(zhǎng)期以來，缺乏電源限制了歐洲科學(xué)家單獨(dú)提出的太空任務(wù)的開展。例如，2014年，ESA的“菲萊”彗星著陸器降落于彗星上太陽光照射不到的地方，其上的太陽能電池板變得毫無用處，導(dǎo)致“菲萊”只運(yùn)行了不到3天就進(jìn)入深度休眠狀態(tài)。

支持這項(xiàng)新計(jì)劃的ESA咨詢委員會(huì)主席、法國(guó)梅東巴黎天文臺(tái)的天體物理學(xué)家阿西娜·庫(kù)斯坦尼斯說：“多年來，歐洲科學(xué)家一直在說，如果你想去很遠(yuǎn)的地方，或者去黑暗寒冷的地方，沒有其他辦法?！?/p>

镅是钚衰變產(chǎn)生的副產(chǎn)品，也是核廢料中目前較難處理的一種成分，此前從未被用作燃料。

ENDURE項(xiàng)目共同負(fù)責(zé)人維洛妮克·費(fèi)萊·卡弗魯瓦表示，與钚相比，镅最大的優(yōu)勢(shì)是它更便宜、更豐富，可以將原本無用的廢物重新利用。ESA登月任務(wù)協(xié)調(diào)人馬庫(kù)斯·蘭格拉夫則指出，镅的半衰期比钚-238長(zhǎng)，這意味著它的壽命更長(zhǎng)。盡管每克镅含有的能量更少，但由于其更容易獲得，因此提供同等電力的成本約是使用钚的1/5。

钚-238是在用中子輻照镎靶的過程中制造而成。英國(guó)國(guó)家核實(shí)驗(yàn)室的研究表明，镅可以從民用發(fā)電廠使用的再加工核燃料中提取出來，并制成燃料球，構(gòu)成電池的核心。

在接下來的3年里，ENDURE團(tuán)隊(duì)將開發(fā)可在探月等任務(wù)類似條件下進(jìn)行測(cè)試的模型。在與英國(guó)國(guó)家核實(shí)驗(yàn)室的合作中，英國(guó)萊斯特大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了兩種設(shè)備：一種放射性同位素加熱裝置，它利用镅衰變過程中產(chǎn)生的熱量加熱儀器；另一種放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)，它利用在金屬板之間產(chǎn)生溫差來發(fā)電。

領(lǐng)導(dǎo)上述項(xiàng)目的萊斯特大學(xué)物理學(xué)家及空間動(dòng)力系統(tǒng)專家理查德·安布羅西說，這兩種裝置表明，镅在給定輸出功率下電池體積更大、溫度也比钚更低。研究團(tuán)隊(duì)希望未來能解決這兩大問題。

安布羅西表示，由于使用放射性材料，電池的安全也至關(guān)重要。他們的研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃，接下來側(cè)重安全測(cè)試，以便镅裝置能夠獲得安全認(rèn)證。測(cè)試將包括監(jiān)測(cè)部件在高溫和沖擊下的行為，例如在發(fā)射臺(tái)爆炸時(shí)，可以確保放射性材料不會(huì)泄漏。他說：“我們必須確保這些設(shè)備能夠在一系列非常極端的情況下生存下來?！?/p>

費(fèi)萊·卡弗魯瓦表示，這些電源系統(tǒng)一旦研制成功，可以在任何無法使用太陽能的任務(wù)中發(fā)揮作用。比如，在月球上持續(xù)14個(gè)地球日的夜晚開展探索任務(wù)，以及應(yīng)用于木星以外的太陽系探險(xiǎn)任務(wù)中。

ESA登月任務(wù)協(xié)調(diào)人蘭格拉夫表示，ESA計(jì)劃首先在其Argonaut月球著陸器上使用镅-241電池，該著陸器計(jì)劃于2030年代初發(fā)射，將在月球表面開展長(zhǎng)期研究。到本世紀(jì)40年代，镅-241電池將能為前往天王星和海王星的任務(wù)提供電力。

蘭格拉夫說，镅很容易獲得，而生產(chǎn)钚-238則面臨不少挑戰(zhàn)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）或許也想使用镅-241電池，該機(jī)構(gòu)正在評(píng)估為未來任務(wù)生產(chǎn)足夠放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)的能力，用于在月球上建立長(zhǎng)期根據(jù)地的阿爾忒彌斯計(jì)劃。

安布羅西指出，經(jīng)過十多年研究，镅技術(shù)才發(fā)展到可用于實(shí)際任務(wù)的階段，“對(duì)此，我們非常興奮”。