月球上衰變能利用： 從“暖寶寶”到同位素電源

漫長的月夜，加之近310℃的晝夜溫差，沒有空氣，人類要在月球上生存十分困難。能長期進行自動觀察的儀器成為人類了解月球的“千里眼”。無疑，儀器的能源供給是件大事。

據(jù)媒體報道，去年年底發(fā)射的“嫦娥四號”同位素能源供給實現(xiàn)了新突破：采用同位素溫差發(fā)電與熱電利用相結(jié)合的供能方式。

這是一種什么樣的能源技術(shù)?有何獨到之處?科技日報記者就此專訪了我國同位素能源專家、中國原子能科學研究院同位素研究所研究員蔡善鈺。

衰變能為太空探索提供自持能源

“同位素熱源和同位素電源統(tǒng)稱為同位素能源。這類能源來自放射性同位素衰變時產(chǎn)生的‘衰變能’”。蔡善鈺告訴記者，衰變能與裂變能、聚變能，構(gòu)成了核能利用三大途經(jīng)。

與裂變能、聚變能相比，衰變能能量要小得多，但用于月球探測和深空探索卻有獨到之處：無需依靠外來能源，能長期、自持、可靠地提供動力，且對環(huán)境具有良好的適應(yīng)能力。

迄今為止，人類已發(fā)現(xiàn)118種元素，每一種元素有不同數(shù)量同位素，其中穩(wěn)定同位素276種，放射性同位素3000余種。

但蔡善鈺說，若按照具有較長半衰期、較高功率密度、較輕屏蔽質(zhì)量、較小生物毒性和較低生產(chǎn)成本等原則進行篩選，可作為能源燃料的放射性同位素不過十余種。根據(jù)衰變特性，同位素熱源大致可分成α、β和γ熱源三類。

α熱源的最大特點是所需的屏蔽材料質(zhì)量小，可大大降低火箭發(fā)射費用，最適合空間應(yīng)用。20世紀發(fā)射至太空的同位素能源，燃料大多選用釙-210和钚-238，后者占絕大多數(shù)。

“釙-210比功率高,但半衰期短，適用于示范裝置或短期航天任務(wù);钚-238比功率較低，但半衰期長，可用于長期航天任務(wù)。”蔡善鈺解釋。

同位素熱源成月球上儀器的“暖寶寶”

放射性同位素的衰變能可轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋崮芎碗娔堋?/p>

蔡善鈺告訴記者，放射性同位素衰變時發(fā)射的高速帶電粒子與物質(zhì)相互作用，當動能被阻止或吸收后，周圍物質(zhì)如包裹放射性同位素的容器溫度會升高，衰變能即轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

同位素熱源內(nèi)部為同位素燃料做成的源芯，外部為密封源芯的燃料盒，可直接被應(yīng)用。如蘇聯(lián)先后發(fā)射的“月球車-1 號”“月球車-2號”均安置有800瓦釙-210熱源，專門為月面觀察儀器建立恒溫環(huán)境;美國早期發(fā)射的月面科學試驗站使用了2臺15瓦钚-238熱源，供月震儀保溫用。

我國于2013年發(fā)射的“嫦娥三號”月球探測器，在著陸器和月球車內(nèi)均安置有钚-238，以確保儀器倉內(nèi)溫暖如春，搭載的儀器安然度過月夜。一旦陽光照射，儀器借助太陽能電池，重新活躍起來。

蔡善鈺告訴記者，與同位素熱源相比，同位素電源還需要直接或間接地通過熱電轉(zhuǎn)換器(換能器)，進一步將同位素衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。正因如此，同位素電池除了同位素熱源，還包括換能器。目前在空間應(yīng)用最成熟且已實用化的換能器，為同位素溫差發(fā)電器，其優(yōu)點是無運動部件、發(fā)電安全可靠，但熱電轉(zhuǎn)換效率只有4%—8%。作為換能器的一種，動態(tài)轉(zhuǎn)換可提高熱電轉(zhuǎn)換效率，但因為有運動部件，制造難度大。

“可以預計，我國日益豐富的航天活動必將對空間核電源提出更多需求，空間核電源的研制成果也將為我國航天事業(yè)發(fā)展提供更廣闊空間。”蔡善鈺在展望同位素能源前景時說。(陳瑜)

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