月球上衰變能利用：從“暖寶寶”到同位素電源

嫦娥四號任務(wù)月球車外觀設(shè)計(jì)構(gòu)型。（國家國防科工局供圖）

　　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(jìn)行自動(dòng)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(bào)道，去年年底發(fā)射的“嫦娥四號”同位素能源供給實(shí)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(dú)到之處？科技日報(bào)記者就此專訪了我國同位素能源專家、中國原子能科學(xué)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?zé)嵩春屯凰仉娫唇y(tǒng)稱為同位素能源。這類能源來自放射性同位素衰變時(shí)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(dú)到之處：無需依靠外來能源，能長期、自持、可靠地提供動(dòng)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(jìn)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?zé)嵩创笾驴煞殖搔痢ⅵ潞挺脽嵩慈悺?

　　α熱源的最大特點(diǎn)是所需的屏蔽材料質(zhì)量小，可大大降低火箭發(fā)射費(fèi)用，最適合空間應(yīng)用。20世紀(jì)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)?！辈躺柒暯忉?。

　　同位素?zé)嵩闯稍虑蛏蟽x器的“暖寶寶”

　　放射性同位素的衰變能可轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?、熱能和電能?

　　蔡善鈺告訴記者，放射性同位素衰變時(shí)發(fā)射的高速帶電粒子與物質(zhì)相互作用，當(dāng)動(dòng)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(huì)升高，衰變能即轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?

　　同位素?zé)嵩磧?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(xué)試驗(yàn)站使用了2臺(tái)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?zé)嵩聪啾龋凰仉娫催€需要直接或間接地通過熱電轉(zhuǎn)換器（換能器），進(jìn)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?zé)嵩?，還包括換能器。目前在空間應(yīng)用最成熟且已實(shí)用化的換能器，為同位素溫差發(fā)電器，其優(yōu)點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換可提高熱電轉(zhuǎn)換效率，但因?yàn)橛羞\(yùn)動(dòng)部件，制造難度大。

　　“可以預(yù)計(jì)，我國日益豐富的航天活動(dòng)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(shí)說。