何 虎，羅志福，武偉名，于 雪

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 同位素研究所，北京 102413)

放射性同位素溫差發(fā)電器(radioisotope thermoelectric generator, RTG)是將放射性同位素衰變能轉(zhuǎn)換成電能的能源系統(tǒng)，由放射性同位素?zé)嵩春蜔犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成。放射性同位素衰變產(chǎn)生熱能，一部分熱能通過熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由賽貝克效應(yīng)產(chǎn)生電能。RTG壽命長(zhǎng)、可靠性高、受環(huán)境影響小，廣泛應(yīng)用于空間探索領(lǐng)域，尤其是在深空，RTG幾乎是唯一能源。美國(guó)迄今為止在空間探索任務(wù)中總計(jì)使用了38臺(tái)238Pu同位素RTG[1]，其下一步空間任務(wù)將繼續(xù)使用RTG。目前，美國(guó)使用的RTG采用模塊化熱源(GPHS)，以238PuO2陶瓷作為燃料。238Pu半衰期適中，238PuO2功率密度高、熔點(diǎn)高、安全性好，但是238PuO2生產(chǎn)工藝復(fù)雜、周期長(zhǎng)、產(chǎn)量少，不能完全滿足RTG對(duì)238Pu的需求，限制了RTG在空間任務(wù)中的使用。因此有必要尋找238PuO2的替代物?？臻g熱源燃料要求使用期限長(zhǎng)、屏蔽簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)易得、熔點(diǎn)高，以及比功率足夠高等。根據(jù)這一原則，241Am是比較合適的同位素。241AmO2氧化物陶瓷熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有與238PuO2相近的物性，是最有可能的燃料形式。相比于238Pu，241Am半衰期更長(zhǎng)，RTG任務(wù)初期和末期的輸出功率差異?。?41Am中子發(fā)射率低，同樣熱功率情況下241AmO2中子劑量率約為238PuO2的47%；241Am大量存在于反應(yīng)堆乏燃料后處理高放廢液以及長(zhǎng)期存放的钚中[2-3]。一座年處理1 000 t的核燃料后處理廠，預(yù)計(jì)每年能生產(chǎn)約47 kg241Am[4]?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，歐洲太空局正在進(jìn)行200 W級(jí)241AmO2-RTG研究[5]。

月球是距地球最近的天體，是人類開展深空探索的首選。太陽能電池和蓄電池等傳統(tǒng)電源方案無法滿足月夜期間探測(cè)器的能源需求。而溫差發(fā)電器不受月夜影響，適合月球探索任務(wù)。本研究擬通過設(shè)計(jì)GPHS結(jié)構(gòu)的瓦級(jí)241AmO2-RTG，計(jì)算其在月球表面晝夜環(huán)境下電功率輸出性能，以評(píng)價(jià)241Am在RTG中應(yīng)用的可行性。

1 241AmO2-RTG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

241AmO2-RTG設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示于圖1。熱源采用模塊化熱源(GPHS)結(jié)構(gòu)，裝載一個(gè)241AmO2-GPHS，燃料芯塊為241AmO2陶瓷芯塊，密度為理論密度的85%。每個(gè)GPHS裝載4個(gè)241AmO2陶瓷芯塊。根據(jù)241AmO2質(zhì)量比功率0.094 W·g-1，可算出241AmO2芯塊熱功率和GPHS總功率。241AmO2-GPHS熱功率數(shù)據(jù)列于表1。

圖1 241AmO2-RTG結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the 241AmO2-RTG

241AmO2芯塊尺寸/mm241AmO2芯塊質(zhì)量/g241AmO2芯塊熱功率/W芯塊數(shù)量模塊熱源熱功率/WФ28,H2815214.28457.2

放射性同位素溫差發(fā)電器(RTG)自內(nèi)而外由GPHS、集熱器、熱電器件、保溫塊體、冷端導(dǎo)熱板、冷端均熱圈以及電池外殼構(gòu)成。熱電器件采用CoSb體系。器件由熱端導(dǎo)熱板、熱端電極、P型和N型單偶、冷端電極、冷端導(dǎo)熱柱以及壓緊彈簧構(gòu)成。熱電器件采用徑向排布，呈輻射狀排列在集熱器的四個(gè)側(cè)面，器件之間串聯(lián)。各部件材料列于表2。

表2 241AmO2-RTG部件組成及材料Table 2 The component and material of 241AmO2-RTG

2 溫差發(fā)電器輸出性能計(jì)算

2.1 原理

溫差發(fā)電原理示于圖2。熱量從器件熱端流過，通過賽貝克效應(yīng)，P型和N型單偶的冷端和熱端產(chǎn)生電勢(shì)，將P型和N型連接起來，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流做功。

圖2 溫差發(fā)電原理Fig.2 The principle of the thermoelectric generation

溫差發(fā)電器熱電轉(zhuǎn)換性能參數(shù)主要包括輸出功率Pe和熱電轉(zhuǎn)換效率η。熱電轉(zhuǎn)換效率定義為：

η=Pe/QRHU

(1)

式中：QRHU為熱源功率，W。

發(fā)電器輸出功率Pe為：

Pe=I2RL

(2)

式中：RL為負(fù)載電阻值，Ω；I為電流，A。

器件熱端從熱源吸收的熱量Qh是帕爾貼熱、傳導(dǎo)熱、湯姆遜熱和焦耳熱的總和，即：

(3)

(4)

式中：α為材料賽貝克系數(shù)，V·K-1；ρ為材料電阻率，Ω·m-1；k為材料熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1。

2.2 模擬計(jì)算

圖3 計(jì)算物理模型Fig.3 The physical model of calculation

采用有限元軟件ANSYS Thermal-Electric組件模塊計(jì)算RTG的輸出性能。由于模型對(duì)稱，取1/2進(jìn)行計(jì)算。采用實(shí)體設(shè)計(jì)軟件CAXA建立實(shí)體物理模型(圖3)，再將物理模型導(dǎo)入ANSYS Thermal-Electric。采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共有678 970個(gè)節(jié)點(diǎn)，172 545個(gè)單元(圖4)。

圖4 計(jì)算模型有限元網(wǎng)格Fig.4 The finite of calculation model

模擬計(jì)算時(shí)，各材料相關(guān)數(shù)據(jù)列于表3，CoSb熱電材料的ZT值示于圖5。

由于月球沒有大氣，因此只考慮輻射。RTG表面陽極氧化發(fā)黑，表面發(fā)射率為0.8。熱電單偶與冷熱端電極之間接觸電阻取200 μΩ·cm2。月球表面溫度在月晝時(shí)可到127 ℃，月夜時(shí)則低至-183 ℃[6]。計(jì)算時(shí)分別將材料參數(shù)數(shù)據(jù)賦值予相應(yīng)部件，給源芯施加熱功率密度數(shù)據(jù)，將月球表面最高溫度和最低溫度作為邊界條件施加到RTG外殼表面。忽略導(dǎo)線傳熱。計(jì)算127 ℃與-183 ℃工況下溫度分布和電輸出特性。

表3 材料參數(shù)值Table 3 The value of the materials

圖5 熱電材料ZT值Fig.5 The value of ZT of the thermoelectric materials

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 模擬計(jì)算

127 ℃與-183 ℃工況下輸出功率和輸出電壓隨負(fù)載電流的變化示于圖6。由圖6結(jié)果可見，127 ℃工況下，最大輸出功率約2 W，此時(shí)輸出電流約2.7 A，輸出電壓約0.74 V；-183 ℃工況下，最大輸出功率約1.99 W，輸出電流約3.3 A，輸出電壓約0.60 V。

轉(zhuǎn)換效率與RTG部件溫度隨負(fù)載電流變化示于圖7。由圖7結(jié)果可見，127 ℃工況下最大轉(zhuǎn)換效率為3.5%，-183 ℃工況下最大轉(zhuǎn)換效率3.48%。兩種工況下熱端溫度、冷端溫度和包殼溫度均隨負(fù)載電流增加而降低。

a——127 ℃；b——-183 ℃圖6 輸出電壓和輸出功率隨負(fù)載電流變化曲線a——127 ℃；b——-183 ℃Fig.6 Thevariation of the voltage and power output with the load current

a——127 ℃；b——-183 ℃圖7 轉(zhuǎn)換效率和部件溫度隨輸出電流變化曲線a——127 ℃；b——-183 ℃Fig.7 The variation of converting efficiency and component temperature with the load current

冷端和熱端溫差隨負(fù)載電流變化曲線示于圖8。由圖8結(jié)果可見，兩種工況下，冷熱端溫差均隨負(fù)載電流增加而降低。同樣輸出電流下，-183 ℃工況溫差大于127 ℃工況溫差。

圖8 冷熱端溫差隨負(fù)載電流變化曲線Fig.8 The variation of temperature difference between the cold side and the hot side with the load current

RTG輸出功率最大時(shí)，RTG溫度分布示于圖9、器件溫度分布示于圖10，以及1/2模型器件電勢(shì)分布示于圖11。127 ℃工況下，輸出功率最大時(shí)RTG包殼最高溫度約628 ℃，表面溫度約161 ℃，轉(zhuǎn)換器件熱端溫度約522 ℃，冷端溫度約168 ℃，1/2電路電壓約0.37 V；-183 ℃工況下，輸出功率最大時(shí)RTG包殼最高溫度約474 ℃，表面溫度約-17 ℃，轉(zhuǎn)換器件熱端溫度約367 ℃，冷端溫度約-9 ℃，1/2電路電壓約0.30 V。

兩種工況下最大輸出功率，以及對(duì)應(yīng)的熱端溫度、冷端溫度和溫差列于表4。

a——127 ℃；b——-183 ℃圖9 輸出功率最大時(shí)溫差發(fā)電器溫度場(chǎng)a——127 ℃；b——-183 ℃Fig.9 The temperature distribution of the RTG at the max output

a——127 ℃；b——-183 ℃圖10 輸出功率最大時(shí)器件溫度場(chǎng)a——127 ℃；b——-183 ℃Fig.10 The temperature distribution of the TE at the max output

a——127 ℃；b——-183 ℃圖11 輸出功率最大時(shí)器件電勢(shì)分布a——127 ℃；b——-183 ℃Fig.11 The voltage distribution of the TE at the max output

工況Pemax/WηmaxI/ATh/℃Tc/℃ΔT/℃127 ℃2.003.50%2.7522168354-183 ℃1.993.48%3.3367-9376

127 ℃環(huán)境下，溫差發(fā)電器的最大輸出功率為2.0 W，最大轉(zhuǎn)換效率為3.5%，此時(shí)器件冷熱端溫差為354 ℃；-183 ℃環(huán)境下，溫差發(fā)電器最大輸出功率為1.99 W，最大轉(zhuǎn)換效率為3.48%，此時(shí)器件冷熱端溫差為376 ℃。兩種工況下最大輸出功率基本相等。

127 ℃工況最大輸出功率時(shí)負(fù)載電流為2.7 A，而-183 ℃工況最大輸出功率對(duì)應(yīng)負(fù)載電流為3.3 A。高溫工況冷熱端溫差低于低溫工況冷熱端溫差，但是輸出功率略高于低溫工況。原因是隨著溫度上升，熱電材料的賽貝克系數(shù)增加，輸出電壓增加，有利于輸出功率提高。而材料電阻率則隨溫度升高而增加，高溫工況的內(nèi)阻大于低溫工況，因此高溫工況最大輸出功率時(shí)負(fù)載電流低于低溫工況。

由計(jì)算結(jié)果可見，由于熱電材料的帕爾貼效應(yīng)，隨負(fù)載電流增加，器件熱端溫度降低，冷端溫度升高，器件冷熱端溫差降低，輸出電壓也隨之降低。

3.2 對(duì)比分析

設(shè)計(jì)的241AmO2-RTG與歐洲太空局設(shè)計(jì)的200 W級(jí)熱源241AmO2-RTG以及韓國(guó)原子能研究所設(shè)計(jì)的120 W熱源238Pu-RTG對(duì)比列于表5[5,7]。歐洲太空局采用Bi2Te3熱電轉(zhuǎn)換體系，其最大輸出功率為8.1 W，轉(zhuǎn)換效率約4.0%。本文設(shè)計(jì)的241AmO2-RTG熱源功率約57.2 W，采用中溫體系CoSb型熱電材料，具有更優(yōu)的熱電性能，在熱源功率只有歐洲太空局熱源28.6%，集熱功率密度只有其77%的情況下，轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)于歐洲太空局RTG轉(zhuǎn)換效率的87.5%。韓國(guó)原子能研究所設(shè)計(jì)的120 W熱源238PuO2-RTG，其輸出功率最大約4.2 W，轉(zhuǎn)換效率3.5%。由于韓國(guó)原子能研究所采用端面結(jié)構(gòu)熱電轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，只有端面的熱流被利用，熱效率較低，雖然其熱源熱功率和功率密度顯著大于本文設(shè)計(jì)，但轉(zhuǎn)換效率與本文設(shè)計(jì)RTG相當(dāng)。

表5 設(shè)計(jì)RTG與歐空局和韓國(guó)原子能研究所RTG對(duì)比[5,7]Table 5 The comparison between the RTG designed by this article and the RTG of ESA and KAERI[5,7]

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了單模塊241AmO2-RTG，采用ANSYS有限元軟件計(jì)算其在-183 ℃和127 ℃工況下的輸出性能和溫度分布，兩種工況下最大輸出功率和最大轉(zhuǎn)換效率基本相等，分別約為2 W和3.5%。241AmO2-RTG在月晝高溫和月夜低溫均有一定輸出功率，對(duì)月球表面溫度適應(yīng)性良好。與歐洲太空局200 W級(jí)熱源241AmO2-RTG和韓國(guó)原子能研究所120 W級(jí)熱源238PuO2-RTG相比，轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)。241AmO2-RTG方案可行。