同位素核能源的空间应用前景分析

2014-07-05孙佳慧

电源技术 2014年2期

关键词：核动力热能热源

孙佳慧

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

同位素核能源的空间应用前景分析

孙佳慧

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

同位素热源(radioisotope heating unit)简称“RHU”，是利用放射性同位素衰变过程产生的热能而制成的热源；同位素温差发电器(radioisotope thermoelectric generator)简称“RTG”，是利用温差电材料的塞贝克效应将放射性同位素热源的衰变热能直接转换成电能的固态能量转换器件。RTG和RHU统称为同位素核能源。对同位素核能源的空间应用前景进行了分析。

同位素热源；同位素温差发电器；应用前景

放射性同位素衰变时发射出来的高能带电粒子和射线通过与物质相互作用，最终被阻止和吸收，这时射线的动能转变为热能，使与之发生作用的物质温度升高。这种利用放射性同位素衰变能制成的热源，称为放射性同位素热源，简称RHU[1]。RHU是静态的，产生的热能自发地按指数规律衰减，不需任何控制机构。RHU包括放射性同位素材料和多层结构的特种包壳两部分。

受各种条件的限制，适合做空间用RHU燃料的放射性同位素种类并不多，受防护的限制，要求放射性核素为容易防护的α源；受质量的限制，要求放射性核素的单位质量比功率大；受工作寿命的限制，要求放射性核素的半衰期足够长等。根据这些要求，人们认为，同位素Pu-238是空间用同位素热源的最理想核素。Pu-238的半衰期是87.7年，比功率为0.55 W/g，衰变种类是100%的α衰变[2]。由于Pu-238的自发裂变和杂质的影响，热源将辐射少量的中子和γ射线，在使用过程中需要做核防护。

利用温差电材料的塞贝克效应将放射性同位素的衰变热直接转换成电能的固态能量转换器件，称为放射性同位素温差发电器，简称“RTG”，RTG能够在极端恶劣的条件下运行。

同位素温差发电器包含同位素热源、温差电器件和外壳3个基本功能单元。同位素热源为同位素温差发电器提供持续的热能，温差电器件利用温差电材料的塞贝克效应将热能转换为电能输出，外壳控制壁面温度并提供机电热接口。RTG的结构如图1。

图1 RTG的结构图

1 国内外应用现状

1.1 美国RHU/RTG的研制与应用

人们对同位素热源和同位素温差发电器的研制始于20世纪50年代，1961年美国向太空发射了由同位素温差发电器供电的“子午仪”号导航卫星，这标志着该电源首次在空间获得应用。从此以后，随着美国空间计划不断向着太阳系深处的延伸，同位素热源研制技术和温差发电技术成为美国空间科学技术的重要组成部分，同位素热源和同位素温差发电器在登月计划和系列行星探测计划中得到了广泛的应用。截至目前，美国在历年的空间探测任务中已30次成功运用同位素热源和同位素温差发电器(表1)，其中有4次只用RHU为探测器提供热能，其余26次单独利用RTG为探测器提供电能和热能，或利用RTG供电能和热能的同时在关键部位附加用RHU供热。在应用RHU和RTG的空间探测任务中最著名的有阿波罗登月计划、飞向外层行星的旅行者飞船、伽利略飞船、探测土星的卡西尼号行星际飞船、探测冥王星的新地平线号飞船及着陆火星的好奇号火星探测器[3]。

表1 美国空间任务使用放射性同位素核能源

美国在宇宙空间探测任务中用Pu-238同位素热源，为探测器提供在极端恶劣的低温环境下维持生存所需的热能，其中有：阿波罗-11号用于月面地震仪的2个RHU，伽利略飞船使用了120个RHU，“火星探路者”的火星车(1996)上使用了157个RHU，“卡西尼”宇宙飞船上使用了117个RHU，在“勇气”号和“机遇”号(2003年)火星车上各使用了8个RHU。

1.2 俄罗斯(前苏联)RHU/RTG的研制与应用

前苏联在20世纪60年代也开始了自己的空间核电源研制计划。1962年3月由中等机械建造部(MMMB)研制成功第一个同位素温差发电器的实验模型“L-106”，该装置中使用了Po-210为燃料，1963年又完成了第二个具有实用性的实验模型“利蒙-1”。其后，MMMB成功研制了采用Po-210的温差发电器“猎户座-1”和“猎户座-2”，并于1965年分别在军事通讯卫星“宇宙-84”和“宇宙-90”上得到应用，作为卫星的辅助电源。

前苏联的“月球车-1”和“月球车-2”月球探测器分别于1970年和1973年发射成功，其中“月球车-1”上使用了Po-210同位素热源，“月球车-2”上装有1.6 W级的同位素温差发电器以保证月夜期间探测器的能源需求[3]。

20世纪70年代中期，根据前苏联火星探测长远计划，进行了一系列大规模的Pu-238同位素温差发电器的研究，当时研制的同位素温差发电器输出功率40 W左右，热功率600 W左右。由于一系列的客观因素，该温差发电器未能应用在探测火星的航天器上，只在地面上完成了结构研究以及样机的机、电、热部分的制造，并解决了一系列空间用同位素热源和同位素温差发电器研制的关键问题。

20世纪90年代，俄罗斯开始研制用于“火星96”飞船的Pu-238同位素温差发电器。所用的Pu-238放射性热源被命名为“天使”，热功率为8.5 W热源。“天使”的研究和设计严格遵守了1992年联合国大会通过的在宇宙空间利用核能的准则(№43/68，12.12.1992)、关于限定从事放射性物质活动的国际指令性文件、俄罗斯联邦国家现行标准。热源的结构如图2和图3。

根据专门研究计划，热源“天使”进行了大量的地面实验，证实了在实际运行和紧急事故情况下热源结构在辐射安全保障方面的可靠性。因此俄罗斯航天局火箭-空间技术鉴定中心颁发了热源“天使”在“火星-96”航天器上安全使用证书。

图2 热源“天使”的照片

图3 热源“天使”结构

1.3 我国RHU/RTG的研制现状

我国对同位素温差发电技术的研究始于20世纪的60年代，1966年中国电子科技集团公司第十八研究所组建了温差电技术研究室并开展了针对空间应用的同位素温差发电器研制工作，1970年该所研制了空间用同位素温差发电器电模拟原理样机，随后又相继研制成功了WQ15-1气体燃料温差发电器，并且在输气管线阴极保护上得到应用。

1971年3月中科院上海核子所与中国原子能研究院合作研制了我国第一台同位素温差发电器，它采用Po-210(半衰期138天)为燃料，产生热能为35.5 W，输出电功率1.4 W。该电源工作了约100天，运行期间进行了模拟空间应用的地面实验。

2006年6月，中国原子能科学研究院从俄罗斯引进Pu-238同位素热材料，设计加工包壳、制成5 W热源盒，和中国电科第十八研究所共同研制出我国第一个Pu-238同位素发电器，该发电器功率为260 mW，至今工作稳定，为我国Pu-238温差发电器的研制奠定了技术基础。

2009年，为解决探月工程二期嫦娥三号月球探测器连续14个地球日月夜生存问题，探月工程两总和探月与航天工程中心批准从俄罗斯引进3枚120 W、1枚8 W、1枚4 W同位素热源，用于月夜期间为设备与探测仪器热控提供热能和电能。

2 国外未来空间用核能源的规划

2002年，美国航天局(NASA)制定了一个五年计划，总共投入9亿美元资金资助所谓空间核能源创新计划(NSI)，目的是开发先进的放射性同位素电源系统(ARPSs)和空间核反应堆电源系统(SNRPSs)。

对于ARPSs的要求是：最多提供1 kW电功率，满足包括火星和太阳系其它行星表面等深空探索和长期任务。要求新研制的同位素电源系统提高系统性能与质量比功率，减少同位素用量，以降低飞行成本。目标：比功率增加2倍，即从目前RTG的4.5 We/kg，提高到8～10 We/kg，效率从现在的～5.7%提高2～4倍。

对于SNRPSs的要求是：满足行星际核电推进任务，需电功率20～100 kWe；为了未来载人任务，甚至需要兆瓦电功率。SNRPSs可以在不同功率级运行，多次关停和启动，能够在电源和/或电推进模式运行。

2008年4月29日，美国航天局(NASA)领导人给美国能源部(DOE)领导人的信件中，明确了2008年至2028年，美国航天局(NASA)在外层空间的科学和探测规划，给出了核能源的需求及Pu-238的用量。表2为美国航天局(NASA)对于Pu-238的需求。

表2 美国航天局(NASA)对于Pu-238的需求

据此美国能源部(DOE)在2010年6月的一篇会议报告《为放射性同位素电源系统启动钚-238生产计划》中明确了美国将重新恢复Pu-238生产规划，预计到2015年可达到年产5 kg的生产能力。

3 国际上空间核安全政策与措施

核能源一般使用放射性元素或物质作为热源，因此空间任务使用放射性同位素的安全性是人们关心的主要问题之一。因为放射性物质一旦泄露，将会给地球以及人类等生物物种带来不可估量的影响和伤害。但核能源在某些空间任务中有着明显的优势甚至起到不可替代的作用，联合国等国际机构提出：在保证安全的条件下，可以在外太空使用核动力系统。1992年12月14日，联合国大会通过了关于在外层空间使用核动力源的原则，该原则认为核动力源由于体积小、寿命长及其他优越的特性，特别是探测外层空间的某些任务使用核动力是唯一的选择，为此规定了在外空安全使用核动力源的若干准则和标准。

由于空间核动力系统的安全性非常重要，1992年联合国大会通过关于在外层太空使用核动力源的原则，要求各国在发展空间核动力时，必须遵循相关规定：各国在发射核动力源航天器时，应保护人类和生物圈免受辐射危害；在核动力源航天器正常工作期间，以及从规定的足够高的轨道重返大气层时应遵守国际辐射防护委员会建议的对公众的适当辐射防护目标；正常工作期间不得产生显著的辐射；核动力源系统的设计和构造应考虑到国际上有关的和普遍接受的辐射防护准则，以限制事故造成的辐射；应从设计、建造和操作各环节入手，确保系统安全性和可靠性。

在外层空间使用核动力源需要执行关于辐射和核安全问题的国际制度，其中包括：《及早通报核事故公约》、《核事故或辐射紧急情况援助公约》、《核安全公约》、原子能机构安全基本标准出版物《辐射防护和辐射源安全》和《核装置安全和放射性废物管理的原则》所载的各项原则、《关于防止电离辐射和辐射源安全的国际基本安全标准》、原子能机构专门处理《核动力卫星重返应急规划和准备问题》的安全系列出版物。

由于上个世纪美国和前苏联相继发生了携带核能源航天器的意外事故，引起了人们对外层空间使用核动力工程的核安全问题的高度关注，对同位素热源的设计提出了更加严格的要求和条件。对于空间飞行器使用的放射性同位素温差发电器来说，其热源普遍使用的放射性元素是Pu-238，对其的安全等级要求如下：

(1)燃料的使用形式是钚陶瓷氧化物，以减小热源在出现重返大气层或火灾事故时产生燃料蒸发。此外，钚氧化陶瓷具有较高的绝缘性，破碎时一般形成较大的碎块而不易被吸入体内。这些优势都大大降低了由于燃料泄漏而产生的对人体健康潜在的影响。

(2)热源以若干独立的燃料模块的形式存在，且每一个热源模块都具有独立的火灾、意外重返大气层引起的高温热屏蔽层和高速撞地的防撞击包套。这样的设计也大大减小了燃料在意外事故中产生泄漏的机会。

(3)热源包壳具有多层材料保护层，主要包括使用铱金属制作的胶囊外套，高强度、高热阻的内层石墨包套。金属铱的熔点为4 449 K，高于重返大气层的温度，而且该金属具有较好的耐腐蚀性和化学稳定性。

4 结束语

总体而言，我国对同位素热源研制技术和同位素温差发电技术的研究工作虽然开展得较早，国内科研机构也初步具备研制能力，但由于同位素热源燃料的缺乏和需求牵引的不足使我国的国产同位素热源和同位素温差发电器至今仍没有得到实际应用。

通过探月二期工程，我国从俄罗斯引进5枚Pu-238同位素热源，用于月夜期间为设备与探测仪器热控提供热能和电能，我们对空间用RHU所必备的实验条件有了一定认识，特别是对在运载工具等发生意外事故情况下确保RHU安全的实验要求有了初步认识。这里的意外事故情况是指在探测器发射、运行、或入轨前，发生意外，导致RHU要经历火灾、撞击、再入大气层、落入深海等情况，在这些情况下要确保RHU不发生放射性物质扩散。为确保RHU的安全，要在地面对能够预见的情况进行模拟验证，这些实验条件还需要再建设。

[1]蔡善钰.人造元素[M].上海:上海科学普及出版社，2006.

[2]罗文宗，张文清.钚的分析化学[M].北京：原子能出版社，1991.

[3]蔡善钰.放射性同位素电池在月球上[J].现代物理知识，2010(5)：37-40.

Prospect of radioisotope heating unit in space applications

SUN Jia-hui

Radioisotope heating unit(RHU)was a heat source utilizing the decay heat of radioisotopes.Radioisotope thermoelectric generator(RTG)was an energy conversion device which utilizeing the Seeback effect of thermoelectric materials and converting the decay heat of radioisotopes into electricity directly.Radioisotope power was the designation of RTG and RHU.The prospect of RTG in space applications was analyzed.

radioisotope heating unit;radioisotope thermoelectric generator;application prospect

TM 913

1002-087 X(2014)02-0401-04