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核能電池-未來高效能源的新方向
2017-11-09
2008年11月2日，美國“鳳凰”號火星登陸器發(fā)出了最后的信號。由于“鳳凰”號著陸地點(diǎn)的光照出現(xiàn)季節(jié)性減少，不足以為太陽能電池充電，加上突如其來的一場沙塵暴，“鳳凰”號電量耗盡，時間比預(yù)計提前了3周。不過，對于剛剛登陸火星的“好奇”號探測車來說，則不會出現(xiàn)諸如“鳳凰”號的厄運(yùn)。這主要是因為“好奇”號的電力是由一臺“放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器”(縮寫為RTG)提供，RTG本質(zhì)上是一塊核電池。該電池的設(shè)計使用壽命為14年，不但比太陽能電池耐久，也不會像太陽能電池那樣受火星塵埃的影響，可為重達(dá)一噸的“好奇”號提供充足電力。
“好奇”號的核電池由兩部分組成：一個裝有钚238二氧化物的熱源和一組固體熱電偶。熱電偶是一種半導(dǎo)體，可以將钚238衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能。因為同位素衰變時釋放的能量大小和釋放速度不受外界環(huán)境的溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場的影響，所以在要求高功率、長壽命、運(yùn)行環(huán)境惡劣的供電領(lǐng)域，核電池是絕佳的選擇。特別是當(dāng)航天器遠(yuǎn)離太陽或位于星球表面上，難以靠太陽能電池長時間供電時，核電源是唯一的選擇。
正在火星表面執(zhí)行任務(wù)的“好奇”號
因為核反應(yīng)的復(fù)雜性，為了保證安全，需要對核電池進(jìn)行大量苛刻的環(huán)境試驗。包括模擬火箭發(fā)射和著陸環(huán)境的沖擊振動試驗、模擬再入大氣層的高溫試驗、模擬海水長期浸泡的腐蝕試驗等。四十年來，RTG已為許多太空任務(wù)提供動力，保持著良好的工作業(yè)績。即便是在那些距離地球極其遙遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣的考察任務(wù)中（如飛至太陽系邊緣的先驅(qū)者號和旅行者號、飛向木星的伽利略號、探測太陽極區(qū)的尤利西斯號、飛向土星的卡西尼號、飛向冥王星新視野號等）RTG也從未出現(xiàn)過故障。
現(xiàn)在，核電池正向效率更高、比功率更大、安全性更強(qiáng)的方向發(fā)展，它不但能幫助人類遨游太空、暢游海洋，還會走進(jìn)日常生活給我們帶來諸多便利。
“好奇”號的核電池由兩部分組成：一個裝有钚238二氧化物的熱源和一組固體熱電偶。熱電偶是一種半導(dǎo)體，可以將钚238衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能。因為同位素衰變時釋放的能量大小和釋放速度不受外界環(huán)境的溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場的影響，所以在要求高功率、長壽命、運(yùn)行環(huán)境惡劣的供電領(lǐng)域，核電池是絕佳的選擇。特別是當(dāng)航天器遠(yuǎn)離太陽或位于星球表面上，難以靠太陽能電池長時間供電時，核電源是唯一的選擇。
“好奇”號的組成
“好奇”號上的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器電池特寫
在月球的漫漫長夜里，月表溫度可低至-170℃。這時普通電池都無法工作，核能成為最理想的選擇。太空核電池的研發(fā)始于1958年的美國。1961年美國發(fā)射了近地軌道導(dǎo)航衛(wèi)星“子午儀-4A”，該衛(wèi)星首次配備了RTG。該電池外形接近球體，直徑約12.5厘米，重約2千克。個頭雖小，它所提供的電力卻相當(dāng)于一塊重300千克的鎳-銅電池。“子午儀-4A”衛(wèi)星在太空運(yùn)行了十多年，大大超過原來的設(shè)計壽命。1969至1972年間，共有五塊放射性同位素電池被五次“阿波羅”任務(wù)的宇航員帶上月球，為月震儀、磁強(qiáng)儀、熱流計、重力計和太陽風(fēng)測定儀等多種儀器提供電能。1969年，蘇聯(lián)的“月球車1號”登上月球，這臺重達(dá)756千克的無人探月車使用11千克的放射性同位素釙210作為燃料（可輸出800瓦功率）來抵御月夜的嚴(yán)寒。“月球車1號”設(shè)計壽命為三個月，實際工作了近一年時間。因為核反應(yīng)的復(fù)雜性，為了保證安全，需要對核電池進(jìn)行大量苛刻的環(huán)境試驗。包括模擬火箭發(fā)射和著陸環(huán)境的沖擊振動試驗、模擬再入大氣層的高溫試驗、模擬海水長期浸泡的腐蝕試驗等。四十年來，RTG已為許多太空任務(wù)提供動力，保持著良好的工作業(yè)績。即便是在那些距離地球極其遙遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣的考察任務(wù)中（如飛至太陽系邊緣的先驅(qū)者號和旅行者號、飛向木星的伽利略號、探測太陽極區(qū)的尤利西斯號、飛向土星的卡西尼號、飛向冥王星新視野號等）RTG也從未出現(xiàn)過故障。
核電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
核電池研制過程中要進(jìn)行大量苛刻的環(huán)境試驗
中國第一塊放射性同位素電池于1971年3月12日誕生于中科院上海原子核所，以釙210為燃料，輸出電功率為1.4瓦，熱功率35.5瓦，并進(jìn)行了模擬太空應(yīng)用的地面試驗。隨著我國核電站數(shù)量的增加，由乏燃料后處理提取镎237原料的逐漸積累，為今后開發(fā)钚238電池提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。從2004年開始，中國原子能科學(xué)研究院啟動了太空同位素電池的研發(fā)，2006年該院研制出我國第一顆钚238同位素電池。目前我前在核電池的最新進(jìn)展消息是，我國將于2013年發(fā)射“嫦娥三號”探測器在月球進(jìn)行軟著陸并施放的月球車將安裝我國最新的核電池。前不久月球探測工程首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)院士接受媒體采訪時透露，中國月球車將配備核電池來幫助月球車進(jìn)行“冬眠”，等到太陽再次在月面上升起時，電池自動重啟，月球車開始進(jìn)入工作狀態(tài)，這樣的核電池可持續(xù)工作30年。
核電池研制過程中要進(jìn)行大量苛刻的環(huán)境試驗
中國自行設(shè)計的核電池將應(yīng)用“嫦娥三號”探測器上
核電池的用武之地不僅僅局限于太空。高山、深海、南北極乃至人體中到處可以找到它的影蹤。心臟起搏器用的核電池重量僅40克，體積很小，壽命可達(dá)十年。病人免除了經(jīng)常做開胸手術(shù)的痛苦。在極地、海島、高山、沙漠、深海等條件惡劣、交通不便的地方都是RTG的大顯身手之地。自動無人氣象站、浮標(biāo)和燈塔、地震觀察站、飛機(jī)導(dǎo)航信標(biāo)、微波通訊中繼站、海底電纜中繼站等都可以使用免維護(hù)、長壽命的RTG供電。僅俄羅斯的北極海岸地區(qū)就有386個使用鍶90的RTG運(yùn)行，為導(dǎo)航設(shè)施供電。使用同位素電池的收音機(jī)和個人電子設(shè)備也已經(jīng)出現(xiàn)。現(xiàn)在，核電池正向效率更高、比功率更大、安全性更強(qiáng)的方向發(fā)展，它不但能幫助人類遨游太空、暢游海洋，還會走進(jìn)日常生活給我們帶來諸多便利。
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