月球上衰變能利用: 從“暖寶寶”到同位素電源

2019-01-28 10:37

 原標題: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。

據媒體報道,去年年底發射的“嫦娥四號”同位素能源供給實現了新突破:采用同位素溫差發電與熱電利用相結合的供能方式。

這是一種什么樣的能源技術?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稱為同位素能源。這類能源來自放射性同位素衰變時產生的‘衰變能’”。蔡善鈺告訴記者,衰變能與裂變能、聚變能,構成了核能利用三大途經。

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,且對環境具有良好的適應能力。

迄今為止,人類已發現118種元素,每一種元素有不同數量同位素,其中穩定同位素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、較輕屏蔽質量、較小生物毒性和較低生產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量小,可大大降低火箭發射費用,最適合空間應用。20世紀發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。

“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;钚-238比功率較低,但半衰期長,可用于長期航天任務。”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變為光能、熱能和電能。

蔡善鈺告訴記者,放射性同位素衰變時發射的高速帶電粒子與物質相互作用,當動能被阻止或吸收后,周圍物質如包裹放射性同位素的容器溫度會升高,衰變能即轉變為熱能。

同位素熱源內部為同位素燃料做成的源芯,外部為密封源芯的燃料盒,可直接被應用。如蘇聯先后發射的“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境;美國早期發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年發射的“嫦娥三號”月球探測器,在著陸器和月球車內均安置有钚-238,以確保儀器倉內溫暖如春,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換器(換能器),進一步將同位素衰變產生的熱能轉變為電能。正因如此,同位素電池除了同位素熱源,還包括換能器。目前在空間應用最成熟且已實用化的換能器,為同位素溫差發電器,其優點是無運動部件、發電安全可靠,但熱電轉換效率只有4%—8%。作為換能器的一種,動態轉換可提高熱電轉換效率,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發展提供更廣闊空間。”蔡善鈺在展望同位素能源前景時說。

 
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