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钚-238与太空核电池

时间:2015-06-14 23:08作者:来源:

  
  1988年,美国忍痛让钚-238这种在其太空探索史上居功甚伟的燃料停产。直到25年后,面对即将告罄的库存,美国毅然重启钚-238生产线,在今年3月成功生产出了少量的钚-238。既然钚-238如此重要,美国当年为何要停产?如今重返舞台,钚-238能否让美国的太空任务从此再无燃料之忧?
  
  今年3月,美国太空探测器“旅行者1”号因其行踪而引起了国际航天研究者广泛的关注。在美国地球物理联合会的新闻发布会上,有科学家指出,宇宙射线的显著变化表明,35年前发射的“旅行者1”号已离开太阳系,成为第一个“逃离”太阳系的人造探测器。虽然这一猜测并没有得到美国宇航局(NASA)本身的确认,但提出上述说法的科学家有自己的“依据”:早在去年6月,NASA就宣布“旅行者1”号已接近太阳系边界,即将飞入未知的恒星际空间,距离太阳已超过180亿公里。迄今为止,“旅行者1”号在太空中已经“工作”35年了。
  
  深空续航的动力
  
  “旅行者1”号之所以在发射后这么久还能正常工作,长效核电池功不可没。它使用的核燃料是钚-238的二氧化物,半衰期为87.7年,这比任何航天器寿命都要长。如果“旅行者1”号仍以当前的速率消耗燃料,核电池要到2025年才停止运转。
  
  日常生活中,我们常因手机电量耗尽、数码相机没电而感到不便。如果类似的事情发生在太空中,那就意味着与地球失去联系、探测设备无法工作、探测车无法移动,任务宣告失败。
  
  为避免这样的情况发生,必须为太空探测器配备经久耐用的电源。受航天器体积和任务时间的限制,这种电源既不能太大,也不能寿命太短。因为放射性同位素衰变时释放的能量大小和释放速度不受外界环境的温度、化学反应、压力、电磁场的影响,所以在要求高功率、长寿命、运行环境恶劣的供电领域,核电池是绝佳的选择。特别是当航天器远离太阳或位于星球表面上,难以靠太阳能电池长时间供电时,能量密度高、使用时间长的核电源更是唯一的选择。以去年8月降落在火星表面的美国火星车“好奇”号为例,要在火星上工作两年的它,电力由一台“放射性同位素热电发生器”提供,本质上就是一块核电池。该电池的设计使用寿命为14年,可为重达一吨的“好奇”号提供充足电力。它不但比太阳能电池耐久,也不会像太阳能电池那样受火星尘埃的影响。“好奇”号的核电池由两部分组成:一个装有钚-238二氧化物的热源和一组固体热电偶。热电偶是一种半导体,可以将钚-238衰变产生的热能转化为电能。
  
  而没有用核电池做能源的探测器往往是“短命”的。2008年11月2日,“凤凰”号火星登陆器发出了最后的信号。由于“凤凰”号着陆地点的光照出现季节性减少,不足以为太阳能电池充电,加上突如其来的一场沙尘暴,“凤凰”号电量耗尽,时间比预计提前了3周。
  
  为了避免未来前往太阳系黑暗角落执行任务的美国航天器遭受“凤凰”号这样的命运,以及为确保美国能保持在航天领域的优势,钚-238燃料对于美国来说显然是不可或缺的。
  
  库存告罄的由来
  
  美国太空核电池的研发始于1958年。1961年美国发射的导航卫星“子午仪-4A”首次配备了核电池。该电池外形接近球体,直径约12.5厘米,重约2千克。个头虽小,它所提供的电力却相当于一块重300千克的镍-铜电池。“子午仪-4A”卫星在太空运行了十多年,大大超过原来的设计寿命。
  
  几十年来,核电池已为许多太空任务提供过动力。即便是在那些距离地球极其遥远、环境恶劣的考察任务中(如飞至太阳系边缘的“先驱者”号、飞向木星的“伽利略”号、飞向土星的“卡西尼”号等),核电池也保持着良好的工作业绩。
  
  在核电池的支持下,美国宇航局的探测器揭示了火星、木星、土星和太阳系边缘的奥秘,但一系列成功曾一度面临成为绝唱的境遇,因为钚-238虽然居功甚伟,但也给美国惹了不少麻烦。
  
  1964年,美国发生一起火箭发射事故,导致一枚用钚核电池做能源的卫星损毁,钚核电池在空中爆炸,导致钚-238泄漏,有害物质散落全球。这起事故曾引发人们对钚-238危害的大讨论。仅仅一年后,美国在喜马拉雅山上遗失了一个用钚-238核电池提供能源的装置,这个过失引起的担忧显而易见。
  
  最令人担忧的是,钚-238的放射性比用于生产核武器的钚-239要强数百倍,更何况它的半衰期长达88年,一旦发生污染,将在很长时间内对污染区域产生辐射威胁,在自然作用下很难消除影响。此外,政府官员也承认,生产钚-238会产生大量的有毒放射性废物,这也是美国政府忍痛停止生产钚-238的原因。
  
  能否再显神通
  
  从1988年开始,美国不再生产钚-238,此后核电池所用的钚-238或者使用库存,或者从俄罗斯进口。但最近几年,美国钚-238存量已经到了即将用完的程度,而俄罗斯也在2010年不再出口钚-238到美国。如果没有新的供应,探索太阳系的活动可能很快就会戛然而止。“如果不重新启动钚-238的生产,无论是美国,还是任何其他国家在10年后都不可能有能力再进行某些重要类型的行星任务。”美国国家研究委员会在2011年的一份报告中得出了这个结论。
  
  面对可能出现的“无钚可用”的局面——钚-238目前库存只剩16.8千克,美国唯有寻求自给自足。直到2012年,美国众议院才同意开始重新生产钚-238,以减少对外依赖。今年3月,美国宇航局的官员宣布,该国经过测试生产,已经在橡树岭国家实验室成功生产出了极少量的钚-238,为避免这种重要的航天器燃料短缺局面迈出关键一步。“我们希望能源部(DOE)能给一个完整的时间表,然后让钚的生产重新走上轨道,每年大约生产出1.5千克。它的进展会相当顺利。”美国宇航局行星科学部主任吉姆?格林乐观地预测说。
  
  问题是,钚-238制造起来很复杂,成本也很高,全面重新启动生产线将需要数年时间,耗资约1亿美元。要五六年后才能产出新的钚-238,平均每年只能生产1.5千克,而目前在太空任务上每年要消耗几千克的钚-238。
  
  除了试验新的方法更高效地生产钚-238以外,如何精打细算使用核燃料也是核电池使用中的重要问题。
  
  目前的核电池几乎都是“静态热电型”温差发电器,热电转换效率较低。最近十几年,“动态型”同位素发电系统已开始工程设计和论证。它先将热能转变成机械能,再把机械能转换成电能。此外,有些可用可不用钚-238的航天器,也改用太阳能电池,例如2011年发射的“朱诺”木星探测器。未来美国想要保持在深空探索领域的优势,除了继续生产钚-238之外,或许开发新的高密度能源,才是提升未来航天器续航力的解决之道。

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