核電池：不懼黑暗的航天器續(xù)航寶

2024年6月2日，我國發(fā)射的嫦娥6號探測器成功降落在月球背面南極-艾特肯盆地，并成功挖掘月球背面物質樣本起飛返回地球，是人類首次月球背面取樣返回任務。嫦娥6號的壯舉離不開人類首次在月球背面軟著陸的嫦娥4號的探路。據了解，嫦娥4號月球著陸器是我國第一個核動力航天器。為了在連續(xù)15天沒有光照無法使用太陽能發(fā)電的寒冷月夜繼續(xù)進行科考任務（例如月夜土壤溫度測量工作），嫦娥4號首次配備了我國自主研制的放射性同位素熱電源（RTG）也就是俗稱的“核電池”來供電供暖。這是一種利用放射性物質衰變放射出能量來轉換成電能的裝置，具有持久而可靠、耐惡劣環(huán)境的諸多優(yōu)點，宛如微型原子能充電寶可源源不斷地提供能量。

核動力航天器背后值得關注的科技元素

那么，放射性同位素發(fā)電機跟核電站、原子彈有哪些不同的技術原理？為什么航天器會選擇核動力，其在使用上是否足夠安全呢？

目前，航天器主要使用化學能和太陽能作為動力。使用化學能的包括電池、燃料電池、輔助動力裝置等，具有技術成熟、功率大、耐惡劣環(huán)境的優(yōu)點，但儲能密度低、續(xù)航不足，只適合短期航天任務或者跟太陽能搭配。使用太陽能的主要是光伏電池，未來可能有聚光太陽能熱發(fā)電，太陽能的優(yōu)點是技術成熟、輕巧、續(xù)航長，缺點是需要足夠光照而且面積巨大容易受損、對惡劣環(huán)境例如流星體撞擊、強輻射、沙塵、濃密大氣、黑暗等缺乏耐受性。隨著人類太空探索步伐的不斷邁進離太陽越遠光照越暗，航天器可能遭遇既需要長續(xù)航又需要抵御惡劣環(huán)境的雙重考驗。研究人員發(fā)現(xiàn)，目前只有使用核能才可以克服上述嚴峻挑戰(zhàn)，因為核能的能量儲存密度是化學燃料的數萬甚至數百萬倍及以上（取決于具體類型和燃料）。

核能分為核衰變、核裂變、核聚變、正物質-反物質湮滅，目前只有核衰變與核裂變得以開發(fā)成能源應用，其余還在進一步研究中。核衰變是放射性核素自發(fā)地放射出能量并轉換為其他物質的過程，例如氚也就是超重氫不斷放射出β粒子輻射并轉換為3He（氦-3），氚光管就是利用氚衰變的能量用熒光物質把β射線轉換成可見光。核裂變則是用中子猛烈轟擊比較重的放射性核素例如235U（鈾235）、239Pu（钚239），砸開重原子核釋放結合能，產生裂變碎片（生成的比較輕的原子核）和更多中子并且釋放大量β射線、γ射線等核輻射。原子彈、核電站、核潛艇等就是利用核裂變反應的能量。

核裂變優(yōu)點是功率巨大、核燃料便宜、可控性高、反應堆第一次啟動前放射性非常微弱；缺點是技術復雜、可靠性和壽命都比不上核衰變能，并且因為臨界質量等限制笨重多、工作時核輻射很強需要良好的屏蔽防護。核衰變能的優(yōu)點是安全可靠、壽命長、小巧緊湊、輻射低，缺點是功率低、不可控制開關、所用的放射性同位素核燃料價格比核裂變的昂貴多、能量功率會隨半衰期而降低。

目前，人類航天活動大部分都是無人的中小型航天器，通常不需要大功率能源供應，少數需要大功率動力的往往也能借助太陽能解決；未來，只有超旗艦級外太陽系深空探測器、月球和火星基地等才急迫地需要核裂變能。因此現(xiàn)在絕大部分使用核能的航天器都是核衰變能。

航天領域對核衰變能的利用主要分三大類，分別是供暖、發(fā)電、推進。供暖，就是把少量放射性同位素封裝在堅固的保護殼里制成大膠囊似的放射性同位素加熱單元（RHU），這在深空探索任務中應用廣泛。發(fā)電，則是把封裝放射性同位素的加熱元件跟發(fā)電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等結合制成放射性同位素電源，這在航天任務中有不少應用。推進，則是利用放射性同位素衰變來加熱推進劑氣化膨脹噴出（目前還在研究階段）。

核動力航天器的安全系數和研發(fā)進展

那么，核動力航天器是否安全？對于使用核裂變反應堆的航天器，由于沒用過的核裂變燃料輻射很低甚至可以赤手觸摸且包裝在燃料棒殼里，所以即使發(fā)射失敗爆炸也不會造成嚴重核污染。因同時發(fā)射到足夠高的軌道上再啟動核反應堆，這樣即使故障也會在太空漂流成千上萬年而不落回地球。此前，蘇聯(lián)核動力間諜衛(wèi)星墜毀造成核污染是因為其在低軌道上啟動核反應堆并且發(fā)生故障導致的。另外，由于核反應堆核燃料的濃縮度比核彈低得多，即便失控也不會像原子彈一樣產生強烈核爆炸。

據悉，對于同位素核衰變燃料，相關保護措施更為嚴厲，是封裝在高強度、耐高溫、耐腐蝕的厚重特種金屬包層中并且還有額外的保護殼及緩沖層等制成熱源，比飛機黑匣子還堅固。其能抵御自太空再入地球后大氣墜毀的沖擊不泄漏，比如：NASA曾經從發(fā)生事故墜毀到海底的衛(wèi)星殘骸中回收同位素燃料并用于后續(xù)飛行任務。

自1961年來已經有數十次航天任務使用核電池，最突出的還是在深空探索上，特別是對小行星帶以外光照微弱的外太陽系特別重要。人類第一次穿過小行星帶，第一次拜訪木星、土星、天王星、海王星、冥王星的航天任務都使用同位素發(fā)電，對于沙塵漫天影響太陽能發(fā)電的火星也很重要。先驅者10和11號及旅行者1和2號外太陽系探測器、海盜1和2號火星著陸器、伽利略號木星探測器、尤利西斯號太陽探測器、卡西尼號土星探測器、新視野號冥王星探測器、好奇號和毅力號火星車等對科學做出不朽貢獻且改變人類對宇宙認知的偉大的航天器都使用核電池供電。NASA計劃2028年發(fā)射的蜻蜓號土衛(wèi)六無人機也將使用核動力。

據悉，NASA研制中的下一代同位素核電源將使用模塊化設計，單臺功率35～400瓦，質量12～62千克，熱電偶發(fā)電效率10%～12.5%，成本5400萬～7000萬美元。同時在研制的動態(tài)機械發(fā)電同位素核電源系統(tǒng)（DRPS）單臺功率300瓦，質量90千克，發(fā)電效率20%～25%，成本6400萬美元。這兩種新型核電池設計壽命和多任務放射性同位素熱電源相同，都有望在2030年投入使用。后續(xù)，我國天問任務也同樣會使用更好更強的核電池來滿足宇宙探索的需求。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com