2024年6月2日，我國(guó)發(fā)射的嫦娥6號(hào)探測(cè)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(zhì)樣本起飛返回地球，是人類首次月球背面取樣返回任務(wù)。嫦娥6號(hào)的壯舉離不開(kāi)人類首次在月球背面軟著陸的嫦娥4號(hào)的探路。據(jù)了解，嫦娥4號(hào)月球著陸器是我國(guó)第一個(gè)核動(dòng)力航天器。為了在連續(xù)15天沒(méi)有光照無(wú)法使用太陽(yáng)能發(fā)電的寒冷月夜繼續(xù)進(jìn)行科考任務(wù)（例如月夜土壤溫度測(cè)量工作），嫦娥4號(hào)首次配備了我國(guó)自主研制的放射性同位素?zé)犭娫矗≧TG）也就是俗稱的“核電池”來(lái)供電供暖。這是一種利用放射性物質(zhì)衰變放射出能量來(lái)轉(zhuǎn)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(diǎn)，宛如微型原子能充電寶可源源不斷地提供能量。

核動(dòng)力航天器背后值得關(guān)注的科技元素

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

目前，航天器主要使用化學(xué)能和太陽(yáng)能作為動(dòng)力。使用化學(xué)能的包括電池、燃料電池、輔助動(dòng)力裝置等，具有技術(shù)成熟、功率大、耐惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，但儲(chǔ)能密度低、續(xù)航不足，只適合短期航天任務(wù)或者跟太陽(yáng)能搭配。使用太陽(yáng)能的主要是光伏電池，未來(lái)可能有聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電，太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、輕巧、續(xù)航長(zhǎng)，缺點(diǎn)是需要足夠光照而且面積巨大容易受損、對(duì)惡劣環(huán)境例如流星體撞擊、強(qiáng)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(jìn)離太陽(yáng)越遠(yuǎn)光照越暗，航天器可能遭遇既需要長(zhǎng)續(xù)航又需要抵御惡劣環(huán)境的雙重考驗(yàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，目前只有使用核能才可以克服上述嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因?yàn)楹四艿哪芰績(jī)?chǔ)存密度是化學(xué)燃料的數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)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(zhì)-反物質(zhì)湮滅，目前只有核衰變與核裂變得以開(kāi)發(fā)成能源應(yīng)用，其余還在進(jìn)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(zhuǎn)換為其他物質(zhì)的過(guò)程，例如氚也就是超重氫不斷放射出β粒子輻射并轉(zhuǎn)換為3He（氦-3），氚光管就是利用氚衰變的能量用熒光物質(zhì)把β射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)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(kāi)重原子核釋放結(jié)合能，產(chǎn)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(yīng)的能量。

核裂變優(yōu)點(diǎn)是功率巨大、核燃料便宜、可控性高、反應(yīng)堆第一次啟動(dòng)前放射性非常微弱；缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜、可靠性和壽命都比不上核衰變能，并且因?yàn)榕R界質(zhì)量等限制笨重多、工作時(shí)核輻射很強(qiáng)需要良好的屏蔽防護(hù)。核衰變能的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠、壽命長(zhǎng)、小巧緊湊、輻射低，缺點(diǎn)是功率低、不可控制開(kāi)關(guān)、所用的放射性同位素核燃料價(jià)格比核裂變的昂貴多、能量功率會(huì)隨半衰期而降低。

目前，人類航天活動(dòng)大部分都是無(wú)人的中小型航天器，通常不需要大功率能源供應(yīng)，少數(shù)需要大功率動(dòng)力的往往也能借助太陽(yáng)能解決；未來(lái)，只有超旗艦級(jí)外太陽(yáng)系深空探測(cè)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(lǐng)域?qū)怂プ兡艿睦弥饕秩箢?，分別是供暖、發(fā)電、推進(jìn)。供暖，就是把少量放射性同位素封裝在堅(jiān)固的保護(hù)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(wù)中應(yīng)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(jié)合制成放射性同位素電源，這在航天任務(wù)中有不少應(yīng)用。推進(jìn)，則是利用放射性同位素衰變來(lái)加熱推進(jìn)劑氣化膨脹噴出（目前還在研究階段）。

核動(dòng)力航天器的安全系數(shù)和研發(fā)進(jìn)展

那么，核動(dòng)力航天器是否安全？對(duì)于使用核裂變反應(yīng)堆的航天器，由于沒(méi)用過(guò)的核裂變?nèi)剂陷椛浜艿蜕踔量梢猿嗍钟|摸且包裝在燃料棒殼里，所以即使發(fā)射失敗爆炸也不會(huì)造成嚴(yán)重核污染。因同時(shí)發(fā)射到足夠高的軌道上再啟動(dòng)核反應(yīng)堆，這樣即使故障也會(huì)在太空漂流成千上萬(wàn)年而不落回地球。此前，蘇聯(lián)核動(dòng)力間諜衛(wèi)星墜毀造成核污染是因?yàn)槠湓诘蛙壍郎蠁?dòng)核反應(yīng)堆并且發(fā)生故障導(dǎo)致的。另外，由于核反應(yīng)堆核燃料的濃縮度比核彈低得多，即便失控也不會(huì)像原子彈一樣產(chǎn)生強(qiáng)烈核爆炸。

據(jù)悉，對(duì)于同位素核衰變?nèi)剂希嚓P(guān)保護(hù)措施更為嚴(yán)厲，是封裝在高強(qiáng)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(hù)殼及緩沖層等制成熱源，比飛機(jī)黑匣子還堅(jiān)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(jīng)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(wù)。

自1961年來(lái)已經(jīng)有數(shù)十次航天任務(wù)使用核電池，最突出的還是在深空探索上，特別是對(duì)小行星帶以外光照微弱的外太陽(yáng)系特別重要。人類第一次穿過(guò)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(wù)都使用同位素發(fā)電，對(duì)于沙塵漫天影響太陽(yáng)能發(fā)電的火星也很重要。先驅(qū)者10和11號(hào)及旅行者1和2號(hào)外太陽(yáng)系探測(cè)器、海盜1和2號(hào)火星著陸器、伽利略號(hào)木星探測(cè)器、尤利西斯號(hào)太陽(yáng)探測(cè)器、卡西尼號(hào)土星探測(cè)器、新視野號(hào)冥王星探測(cè)器、好奇號(hào)和毅力號(hào)火星車等對(duì)科學(xué)做出不朽貢獻(xiàn)且改變?nèi)祟悓?duì)宇宙認(rèn)知的偉大的航天器都使用核電池供電。NASA計(jì)劃2028年發(fā)射的蜻蜓號(hào)土衛(wèi)六無(wú)人機(jī)也將使用核動(dòng)力。

據(jù)悉，NASA研制中的下一代同位素核電源將使用模塊化設(shè)計(jì)，單臺(tái)功率35～400瓦，質(zhì)量12～62千克，熱電偶發(fā)電效率10%～12.5%，成本5400萬(wàn)～7000萬(wàn)美元。同時(shí)在研制的動(dòng)態(tài)機(jī)械發(fā)電同位素核電源系統(tǒng)（DRPS）單臺(tái)功率300瓦，質(zhì)量90千克，發(fā)電效率20%～25%，成本6400萬(wàn)美元。這兩種新型核電池設(shè)計(jì)壽命和多任務(wù)放射性同位素?zé)犭娫聪嗤?，都有望?030年投入使用。后續(xù)，我國(guó)天問(wèn)任務(wù)也同樣會(huì)使用更好更強(qiáng)的核電池來(lái)滿足宇宙探索的需求。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com