月球上衰变能利用: 从“暖宝宝”到同位素电源

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发布时间:2019-01-28 08:11

[摘要]与裂变能、聚变能相比,衰变能能量要小得多,但用于月球探测和深空探索却有独到之处。

漫长的月夜,加之近310℃的昼夜温差,没有空气,人类要在月球上生存十分困难。能长期进行自动观察的仪器成为人类了解月球的“千里眼”。无疑,仪器的能源供给是件大事。

据媒体报道,去年年底发射的“嫦娥四号”同位素能源供给实现了新突破:采用同位素温差发电与热电利用相结合的供能方式。

这是一种什么样的能源技术?有何独到之处?科技日报记者就此专访了我国同位素能源专家、中国原子能科学研究院同位素研究所研究员蔡善钰。

衰变能为太空探索提供自持能源

“同位素热源和同位素电源统称为同位素能源。这类能源来自放射性同位素衰变时产生的‘衰变能’”。蔡善钰告诉记者,衰变能与裂变能、聚变能,构成了核能利用三大途经。

与裂变能、聚变能相比,衰变能能量要小得多,但用于月球探测和深空探索却有独到之处:无需依靠外来能源,能长期、自持、可靠地提供动力,且对环境具有良好的适应能力。

迄今为止,人类已发现118种元素,每一种元素有不同数量同位素,其中稳定同位素276种,放射性同位素3000余种。

但蔡善钰说,若按照具有较长半衰期、较高功率密度、较轻屏蔽质量、较小生物毒性和较低生产成本等原则进行筛选,可作为能源燃料的放射性同位素不过十余种。根据衰变特性,同位素热源大致可分成α、β和γ热源三类。

α热源的最大特点是所需的屏蔽材料质量小,可大大降低火箭发射费用,最适合空间应用。20世纪发射至太空的同位素能源,燃料大多选用钋-210和钚-238,后者占绝大多数。

“钋-210比功率高,但半衰期短,适用于示范装置或短期航天任务;钚-238比功率较低,但半衰期长,可用于长期航天任务。”蔡善钰解释。

同位素热源成月球上仪器的“暖宝宝”

放射性同位素的衰变能可转变为光能、热能和电能。

蔡善钰告诉记者,放射性同位素衰变时发射的高速带电粒子与物质相互作用,当动能被阻止或吸收后,周围物质如包裹放射性同位素的容器温度会升高,衰变能即转变为热能。

同位素热源内部为同位素燃料做成的源芯,外部为密封源芯的燃料盒,可直接被应用。如苏联先后发射的“月球车-1 号”“月球车-2号”均安置有800瓦钋-210热源,专门为月面观察仪器建立恒温环境;美国早期发射的月面科学试验站使用了2台15瓦钚-238热源,供月震仪保温用。

我国于2013年发射的“嫦娥三号”月球探测器,在着陆器和月球车内均安置有钚-238,以确保仪器仓内温暖如春,搭载的仪器安然度过月夜。一旦阳光照射,仪器借助太阳能电池,重新活跃起来。

蔡善钰告诉记者,与同位素热源相比,同位素电源还需要直接或间接地通过热电转换器(换能器),进一步将同位素衰变产生的热能转变为电能。正因如此,同位素电池除了同位素热源,还包括换能器。目前在空间应用最成熟且已实用化的换能器,为同位素温差发电器,其优点是无运动部件、发电安全可靠,但热电转换效率只有4%—8%。作为换能器的一种,动态转换可提高热电转换效率,但因为有运动部件,制造难度大。

“可以预计,我国日益丰富的航天活动必将对空间核电源提出更多需求,空间核电源的研制成果也将为我国航天事业发展提供更广阔空间。”蔡善钰在展望同位素能源前景时说。

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