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月球上衰變能利用﹕ 從“暖寶寶”到同位素電源

2019-01-28 09:36來源﹕科技日報

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  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瞭解月球的“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﹕採用同位素溫差發電與熱電利用相結合的供能方式。

  這是一種什麼樣的能源技術﹖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﹐但用於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餘種。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和鈽-238﹐後者佔絕大多數。

  “釙-210比功率高,但半衰期短﹐適用於示範裝置或短期航天任務﹔鈽-238比功率較低﹐但半衰期長﹐可用於長期航天任務。”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後﹐周圍物質如包裹放射性同位素的容器溫度會昇高﹐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。如蘇聯先後發射的“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恆溫環境﹔美國早期發射的月面科學試驗站使用了2臺15瓦鈽-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鈽-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﹐儀器藉助太陽能電池﹐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﹐但熱電轉換效率祗有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﹐製造難度大。

  “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﹐空間核電源的研製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。(陳瑜)

[責編﹕張佳興]

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