孫佳慧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

同位素?zé)嵩?radioisotope heating unit)簡(jiǎn)稱“RHU”，是利用放射性同位素衰變過(guò)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(jiǎn)稱“RTG”，是利用溫差電材料的塞貝克效應(yīng)將放射性同位素?zé)嵩吹乃プ儫崮苤苯愚D(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(duì)同位素核能源的空間應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。

同位素?zé)嵩?；同位素溫差發(fā)電器；應(yīng)用前景

放射性同位素衰變時(shí)發(fā)射出來(lái)的高能帶電粒子和射線通過(guò)與物質(zhì)相互作用，最終被阻止和吸收，這時(shí)射線的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使與之發(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?zé)嵩?，?jiǎn)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(jī)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(hù)的限制，要求放射性核素為容易防護(hù)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(zhǎng)等。根據(jù)這些要求，人們認(rèn)為，同位素Pu-238是空間用同位素?zé)嵩吹淖罾硐牒怂?。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(guò)程中需要做核防護(hù)。

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(jiǎn)稱“RTG”，RTG能夠在極端惡劣的條件下運(yùn)行。

同位素溫差發(fā)電器包含同位素?zé)嵩?、溫差電器件和外?個(gè)基本功能單元。同位素?zé)嵩礊橥凰販夭畎l(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(jī)電熱接口。RTG的結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 RTG的結(jié)構(gòu)圖

1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 美國(guó)RHU/RTG的研制與應(yīng)用

人們對(duì)同位素?zé)嵩春屯凰販夭畎l(fā)電器的研制始于20世紀(jì)50年代，1961年美國(guó)向太空發(fā)射了由同位素溫差發(fā)電器供電的“子午儀”號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星，這標(biāo)志著該電源首次在空間獲得應(yīng)用。從此以后，隨著美國(guó)空間計(jì)劃不斷向著太陽(yáng)系深處的延伸，同位素?zé)嵩囱兄萍夹g(shù)和溫差發(fā)電技術(shù)成為美國(guó)空間科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，同位素?zé)嵩春屯凰販夭畎l(fā)電器在登月計(jì)劃和系列行星探測(cè)計(jì)劃中得到了廣泛的應(yīng)用。截至目前，美國(guó)在歷年的空間探測(cè)任務(wù)中已30次成功運(yùn)用同位素?zé)嵩春屯凰販夭畎l(fā)電器(表1)，其中有4次只用RHU為探測(cè)器提供熱能，其余26次單獨(dú)利用RTG為探測(cè)器提供電能和熱能，或利用RTG供電能和熱能的同時(shí)在關(guān)鍵部位附加用RHU供熱。在應(yīng)用RHU和RTG的空間探測(cè)任務(wù)中最著名的有阿波羅登月計(jì)劃、飛向外層行星的旅行者飛船、伽利略飛船、探測(cè)土星的卡西尼號(hào)行星際飛船、探測(cè)冥王星的新地平線號(hào)飛船及著陸火星的好奇號(hào)火星探測(cè)器[3]。

表1 美國(guó)空間任務(wù)使用放射性同位素核能源

美國(guó)在宇宙空間探測(cè)任務(wù)中用Pu-238同位素?zé)嵩?，為探測(cè)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(hào)用于月面地震儀的2個(gè)RHU，伽利略飛船使用了120個(gè)RHU，“火星探路者”的火星車(chē)(1996)上使用了157個(gè)RHU，“卡西尼”宇宙飛船上使用了117個(gè)RHU，在“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)(2003年)火星車(chē)上各使用了8個(gè)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(jì)60年代也開(kāi)始了自己的空間核電源研制計(jì)劃。1962年3月由中等機(jī)械建造部(MMMB)研制成功第一個(gè)同位素溫差發(fā)電器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀癓-106”，該裝置中使用了Po-210為燃料，1963年又完成了第二個(gè)具有實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀袄?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(chē)-1”和“月球車(chē)-2”月球探測(cè)器分別于1970年和1973年發(fā)射成功，其中“月球車(chē)-1”上使用了Po-210同位素?zé)嵩?，“月球?chē)-2”上裝有1.6 W級(jí)的同位素溫差發(fā)電器以保證月夜期間探測(cè)器的能源需求[3]。

20世紀(jì)70年代中期，根據(jù)前蘇聯(lián)火星探測(cè)長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃，進(jìn)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(dāng)時(shí)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(cè)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(jī)的機(jī)、電、熱部分的制造，并解決了一系列空間用同位素?zé)嵩春屯凰販夭畎l(fā)電器研制的關(guān)鍵問(wèn)題。

20世紀(jì)90年代，俄羅斯開(kāi)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(jì)嚴(yán)格遵守了1992年聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過(guò)的在宇宙空間利用核能的準(zhǔn)則(№43/68，12.12.1992)、關(guān)于限定從事放射性物質(zhì)活動(dòng)的國(guó)際指令性文件、俄羅斯聯(lián)邦國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。熱源的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3。

根據(jù)專門(mén)研究計(jì)劃，熱源“天使”進(jìn)行了大量的地面實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了在實(shí)際運(yùn)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(shū)。

圖2 熱源“天使”的照片

圖3 熱源“天使”結(jié)構(gòu)

1.3 我國(guó)RHU/RTG的研制現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)同位素溫差發(fā)電技術(shù)的研究始于20世紀(jì)的60年代，1966年中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所組建了溫差電技術(shù)研究室并開(kāi)展了針對(duì)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(jī)，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(hù)上得到應(yīng)用。

1971年3月中科院上海核子所與中國(guó)原子能研究院合作研制了我國(guó)第一臺(tái)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(yùn)行期間進(jìn)行了模擬空間應(yīng)用的地面實(shí)驗(yàn)。

2006年6月，中國(guó)原子能科學(xué)研究院從俄羅斯引進(jìn)Pu-238同位素?zé)岵牧希O(shè)計(jì)加工包殼、制成5 W熱源盒，和中國(guó)電科第十八研究所共同研制出我國(guó)第一個(gè)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(guó)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(hào)月球探測(cè)器連續(xù)14個(gè)地球日月夜生存問(wèn)題，探月工程兩總和探月與航天工程中心批準(zhǔn)從俄羅斯引進(jìn)3枚120 W、1枚8 W、1枚4 W同位素?zé)嵩?，用于月夜期間為設(shè)備與探測(cè)儀器熱控提供熱能和電能。

2 國(guó)外未來(lái)空間用核能源的規(guī)劃

2002年，美國(guó)航天局(NASA)制定了一個(gè)五年計(jì)劃，總共投入9億美元資金資助所謂空間核能源創(chuàng)新計(jì)劃(NSI)，目的是開(kāi)發(fā)先進(jìn)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(duì)于ARPSs的要求是：最多提供1 kW電功率，滿足包括火星和太陽(yáng)系其它行星表面等深空探索和長(zhǎng)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(biāo)：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(duì)于SNRPSs的要求是：滿足行星際核電推進(jìn)任務(wù)，需電功率20～100 kWe；為了未來(lái)載人任務(wù)，甚至需要兆瓦電功率。SNRPSs可以在不同功率級(jí)運(yùn)行，多次關(guān)停和啟動(dòng)，能夠在電源和/或電推進(jìn)模式運(yùn)行。

2008年4月29日，美國(guó)航天局(NASA)領(lǐng)導(dǎo)人給美國(guó)能源部(DOE)領(lǐng)導(dǎo)人的信件中，明確了2008年至2028年，美國(guó)航天局(NASA)在外層空間的科學(xué)和探測(cè)規(guī)劃，給出了核能源的需求及Pu-238的用量。表2為美國(guó)航天局(NASA)對(duì)于Pu-238的需求。

表2 美國(guó)航天局(NASA)對(duì)于Pu-238的需求

據(jù)此美國(guó)能源部(DOE)在2010年6月的一篇會(huì)議報(bào)告《為放射性同位素電源系統(tǒng)啟動(dòng)钚-238生產(chǎn)計(jì)劃》中明確了美國(guó)將重新恢復(fù)Pu-238生產(chǎn)規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2015年可達(dá)到年產(chǎn)5 kg的生產(chǎn)能力。

3 國(guó)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(wèn)題之一。因?yàn)榉派湫晕镔|(zhì)一旦泄露，將會(huì)給地球以及人類等生物物種帶來(lái)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(shì)甚至起到不可替代的作用，聯(lián)合國(guó)等國(guó)際機(jī)構(gòu)提出：在保證安全的條件下，可以在外太空使用核動(dòng)力系統(tǒng)。1992年12月14日，聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過(guò)了關(guān)于在外層空間使用核動(dòng)力源的原則，該原則認(rèn)為核動(dòng)力源由于體積小、壽命長(zhǎng)及其他優(yōu)越的特性，特別是探測(cè)外層空間的某些任務(wù)使用核動(dòng)力是唯一的選擇，為此規(guī)定了在外空安全使用核動(dòng)力源的若干準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)。

由于空間核動(dòng)力系統(tǒng)的安全性非常重要，1992年聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過(guò)關(guān)于在外層太空使用核動(dòng)力源的原則，要求各國(guó)在發(fā)展空間核動(dòng)力時(shí)，必須遵循相關(guān)規(guī)定：各國(guó)在發(fā)射核動(dòng)力源航天器時(shí)，應(yīng)保護(hù)人類和生物圈免受輻射危害；在核動(dòng)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(shí)應(yīng)遵守國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)建議的對(duì)公眾的適當(dāng)輻射防護(hù)目標(biāo)；正常工作期間不得產(chǎn)生顯著的輻射；核動(dòng)力源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造應(yīng)考慮到國(guó)際上有關(guān)的和普遍接受的輻射防護(hù)準(zhǔn)則，以限制事故造成的輻射；應(yīng)從設(shè)計(jì)、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(dòng)力源需要執(zhí)行關(guān)于輻射和核安全問(wèn)題的國(guó)際制度，其中包括：《及早通報(bào)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(jī)構(gòu)安全基本標(biāo)準(zhǔn)出版物《輻射防護(hù)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(xiàng)原則、《關(guān)于防止電離輻射和輻射源安全的國(guó)際基本安全標(biāo)準(zhǔn)》、原子能機(jī)構(gòu)專門(mén)處理《核動(dòng)力衛(wèi)星重返應(yīng)急規(guī)劃和準(zhǔn)備問(wèn)題》的安全系列出版物。

由于上個(gè)世紀(jì)美國(guó)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(duì)外層空間使用核動(dòng)力工程的核安全問(wèn)題的高度關(guān)注，對(duì)同位素?zé)嵩吹脑O(shè)計(jì)提出了更加嚴(yán)格的要求和條件。對(duì)于空間飛行器使用的放射性同位素溫差發(fā)電器來(lái)說(shuō)，其熱源普遍使用的放射性元素是Pu-238，對(duì)其的安全等級(jí)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(zāi)事故時(shí)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(shí)一般形成較大的碎塊而不易被吸入體內(nèi)。這些優(yōu)勢(shì)都大大降低了由于燃料泄漏而產(chǎn)生的對(duì)人體健康潛在的影響。

(2)熱源以若干獨(dú)立的燃料模塊的形式存在，且每一個(gè)熱源模塊都具有獨(dú)立的火災(zāi)、意外重返大氣層引起的高溫?zé)崞帘螌雍透咚僮驳氐姆雷矒舭?。這樣的設(shè)計(jì)也大大減小了燃料在意外事故中產(chǎn)生泄漏的機(jī)會(huì)。

(3)熱源包殼具有多層材料保護(hù)層，主要包括使用銥金屬制作的膠囊外套，高強(qiáng)度、高熱阻的內(nèi)層石墨包套。金屬銥的熔點(diǎn)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(xué)穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

總體而言，我國(guó)對(duì)同位素?zé)嵩囱兄萍夹g(shù)和同位素溫差發(fā)電技術(shù)的研究工作雖然開(kāi)展得較早，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)也初步具備研制能力，但由于同位素?zé)嵩慈剂系娜狈托枨鬆恳牟蛔闶刮覈?guó)的國(guó)產(chǎn)同位素?zé)嵩春屯凰販夭畎l(fā)電器至今仍沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用。

通過(guò)探月二期工程，我國(guó)從俄羅斯引進(jìn)5枚Pu-238同位素?zé)嵩?，用于月夜期間為設(shè)備與探測(cè)儀器熱控提供熱能和電能，我們對(duì)空間用RHU所必備的實(shí)驗(yàn)條件有了一定認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)在運(yùn)載工具等發(fā)生意外事故情況下確保RHU安全的實(shí)驗(yàn)要求有了初步認(rèn)識(shí)。這里的意外事故情況是指在探測(cè)器發(fā)射、運(yùn)行、或入軌前，發(fā)生意外，導(dǎo)致RHU要經(jīng)歷火災(zāi)、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(kuò)散。為確保RHU的安全，要在地面對(duì)能夠預(yù)見(jiàn)的情況進(jìn)行模擬驗(yàn)證，這些實(shí)驗(yàn)條件還需要再建設(shè)。

[1]蔡善鈺.人造元素[M].上海:上?？茖W(xué)普及出版社，2006.

[2]羅文宗，張文清.钚的分析化學(xué)[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(shí)，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(xué)士，主要研究方向?yàn)榭臻g電源。