核电池：不惧黑暗的航天器续航宝
2024-10-21史晨
2024年6月2日，我国发射的嫦娥6号探测器成功降落在月球背面南极-艾特肯盆地，并成功挖掘月球背面物质样本起飞返回地球，是人类首次月球背面取样返回任务。嫦娥6号的壮举离不开人类首次在月球背面软着陆的嫦娥4号的探路。据了解，嫦娥4号月球着陆器是我国第一个核动力航天器。为了在连续15天没有光照无法使用太阳能发电的寒冷月夜继续进行科考任务（例如月夜土壤温度测量工作），嫦娥4号首次配备了我国自主研制的放射性同位素热电源（RTG）也就是俗称的“核电池”来供电供暖。这是一种利用放射性物质衰变放射出能量来转换成电能的装置，具有持久而可靠、耐恶劣环境的诸多优点，宛如微型原子能充电宝可源源不断地提供能量。
核动力航天器背后值得关注的科技元素
那么，放射性同位素发电机跟核电站、原子弹有哪些不同的技术原理？为什么航天器会选择核动力，其在使用上是否足够安全呢？
目前，航天器主要使用化学能和太阳能作为动力。使用化学能的包括电池、燃料电池、辅助动力装置等，具有技术成熟、功率大、耐恶劣环境的优点，但储能密度低、续航不足，只适合短期航天任务或者跟太阳能搭配。使用太阳能的主要是光伏电池，未来可能有聚光太阳能热发电，太阳能的优点是技术成熟、轻巧、续航长，缺点是需要足够光照而且面积巨大容易受损、对恶劣环境例如流星体撞击、强辐射、沙尘、浓密大气、黑暗等缺乏耐受性。随着人类太空探索步伐的不断迈进离太阳越远光照越暗，航天器可能遭遇既需要长续航又需要抵御恶劣环境的双重考验。研究人员发现，目前只有使用核能才可以克服上述严峻挑战，因为核能的能量储存密度是化学燃料的数万甚至数百万倍及以上（取决于具体类型和燃料）。
核能分为核衰变、核裂变、核聚变、正物质-反物质湮灭，目前只有核衰变与核裂变得以开发成能源应用，其余还在进一步研究中。核衰变是放射性核素自发地放射出能量并转换为其他物质的过程，例如氚也就是超重氢不断放射出β粒子辐射并转换为3He（氦-3），氚光管就是利用氚衰变的能量用荧光物质把β射线转换成可见光。核裂变则是用中子猛烈轰击比较重的放射性核素例如235U（铀235）、239Pu（钚239），砸开重原子核释放结合能，产生裂变碎片（生成的比较轻的原子核）和更多中子并且释放大量β射线、γ射线等核辐射。原子弹、核电站、核潜艇等就是利用核裂变反应的能量。
核裂变优点是功率巨大、核燃料便宜、可控性高、反应堆第一次启动前放射性非常微弱；缺点是技术复杂、可靠性和寿命都比不上核衰变能，并且因为临界质量等限制笨重多、工作时核辐射很强需要良好的屏蔽防护。核衰变能的优点是安全可靠、寿命长、小巧紧凑、辐射低，缺点是功率低、不可控制开关、所用的放射性同位素核燃料价格比核裂变的昂贵多、能量功率会随半衰期而降低。
目前，人类航天活动大部分都是无人的中小型航天器，通常不需要大功率能源供应，少数需要大功率动力的往往也能借助太阳能解决；未来，只有超旗舰级外太阳系深空探测器、月球和火星基地等才急迫地需要核裂变能。因此现在绝大部分使用核能的航天器都是核衰变能。
航天领域对核衰变能的利用主要分三大类，分别是供暖、发电、推进。供暖，就是把少量放射性同位素封装在坚固的保护壳里制成大胶囊似的放射性同位素加热单元（RHU），这在深空探索任务中应用广泛。发电，则是把封装放射性同位素的加热元件跟发电系统、变电系统、散热系统等结合制成放射性同位素电源，这在航天任务中有不少应用。推进，则是利用放射性同位素衰变来加热推进剂气化膨胀喷出（目前还在研究阶段）。
核动力航天器的安全系数和研发进展
那么，核动力航天器是否安全？对于使用核裂变反应堆的航天器，由于没用过的核裂变燃料辐射很低甚至可以赤手触摸且包装在燃料棒壳里，所以即使发射失败爆炸也不会造成严重核污染。因同时发射到足够高的轨道上再启动核反应堆，这样即使故障也会在太空漂流成千上万年而不落回地球。此前，苏联核动力间谍卫星坠毁造成核污染是因为其在低轨道上启动核反应堆并且发生故障导致的。另外，由于核反应堆核燃料的浓缩度比核弹低得多，即便失控也不会像原子弹一样产生强烈核爆炸。
据悉，对于同位素核衰变燃料，相关保护措施更为严厉，是封装在高强度、耐高温、耐腐蚀的厚重特种金属包层中并且还有额外的保护壳及缓冲层等制成热源，比飞机黑匣子还坚固。其能抵御自太空再入地球后大气坠毁的冲击不泄漏，比如：NASA曾经从发生事故坠毁到海底的卫星残骸中回收同位素燃料并用于后续飞行任务。
自1961年来已经有数十次航天任务使用核电池，最突出的还是在深空探索上，特别是对小行星带以外光照微弱的外太阳系特别重要。人类第一次穿过小行星带，第一次拜访木星、土星、天王星、海王星、冥王星的航天任务都使用同位素发电，对于沙尘漫天影响太阳能发电的火星也很重要。先驱者10和11号及旅行者1和2号外太阳系探测器、海盗1和2号火星着陆器、伽利略号木星探测器、尤利西斯号太阳探测器、卡西尼号土星探测器、新视野号冥王星探测器、好奇号和毅力号火星车等对科学做出不朽贡献且改变人类对宇宙认知的伟大的航天器都使用核电池供电。NASA计划2028年发射的蜻蜓号土卫六无人机也将使用核动力。
据悉，NASA研制中的下一代同位素核电源将使用模块化设计，单台功率35～400瓦，质量12～62千克，热电偶发电效率10%～12.5%，成本5400万～7000万美元。同时在研制的动态机械发电同位素核电源系统（DRPS）单台功率300瓦，质量90千克，发电效率20%～25%，成本6400万美元。这两种新型核电池设计寿命和多任务放射性同位素热电源相同，都有望在2030年投入使用。后续，我国天问任务也同样会使用更好更强的核电池来满足宇宙探索的需求。
编辑：黄灵 yeshzhwu@foxmail.com
