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漫长的月夜，加之近310℃的昼夜温差，没有空气，人类要在月球上生存十分困难。能长期进行自动观察的仪器成为人类了解月球的“千里眼”。无疑，仪器的能源供给是件大事。 据媒体报道，去年年底发射的“嫦娥四号”同位素能源供给实现了新突破：采用同位素温差发电与热电利用相结合的供能方式。 这是一种什么样的能源技术？有何独到之处？科技日报记者就此专访了我国同位素能源专家、中国原子能科学研究院同位素研究所研究员蔡善钰。 衰变能为太空探索提供自持能源 “同位素热源和同位素电源统称为同位素能源。这类能源来自放射性同位素衰变时产生的‘衰变能’”。蔡善钰告诉记者，衰变能与裂变能、聚变能，构成了核能利用三大途经。 与裂变能、聚变能相比，衰变能能量要小得多，但用于月球探测和深空探索却有独到之处：无需依靠外来能源，能长期、自持、可靠地提供动力，且对环境具有良好的适应能力。 迄今为止，人类已发现118种元素，每一种元素有不同数量同位素，其中稳定同位素276种，放射性同位素3000余种。 但蔡善钰说，若按照具有较长半衰期、较高功率密度、较轻屏蔽质量、较小生物毒性和较低生产成本等原则进行筛选，可作为能源燃料的放射性同位素不过十余种。根据衰变特性，同位素热源大致可分成α、β和γ热源三类。 α热源的最大特点是所需的屏蔽材料质量小，可大大降低火箭发射费用，最适合空间应用。20世纪发射至太空的同位素能源，燃料大多选用钋-210和钚-238，后者占绝大多数。 “钋-210比功率高,但半衰期短，适用于示范装置或短期航天任务；钚-238比功率较低，但半衰期长，可用于长期航天任务。”蔡善钰解释。 同位素热源成月球上仪器的“暖宝宝” 放射性同位素的衰变能可转变为光能、热能和电能。 蔡善钰告诉记者，放射性同位素衰变时发射的高速带电粒子与物质相互作用，当动能被阻止或吸收后，周围物质如包裹放射性同位素的容器温度会升高，衰变能即转变为热能。 同位素热源内部为同位素燃料做成的源芯，外部为密封源芯的燃料盒，可直接被应用。如苏联先后发射的“月球车-1 号”“月球车-2号”均安置有800瓦钋-210热源，专门为月面观察仪器建立恒温环境；美国早期发射的月面科学试验站使用了2台15瓦钚-238热源，供月震仪保温用。 我国于2013年发射的“嫦娥三号”月球探测器，在着陆器和月球车内均安置有钚-238，以确保仪器仓内温暖如春，搭载的仪器安然度过月夜。一旦阳光照射，仪器借助太阳能电池，重新活跃起来。 蔡善钰告诉记者，与同位素热源相比，同位素电源还需要直接或间接地通过热电转换器（换能器），进一步将同位素衰变产生的热能转变为电能。正因如此，同位素电池除了同位素热源，还包括换能器。目前在空间应用最成熟且已实用化的换能器，为同位素温差发电器，其优点是无运动部件、发电安全可靠，但热电转换效率只有4%—8%。作为换能器的一种，动态转换可提高热电转换效率，但因为有运动部件，制造难度大。 “可以预计，我国日益丰富的航天活动必将对空间核电源提出更多需求，空间核电源的研制成果也将为我国航天事业发展提供更广阔空间。”蔡善钰在展望同位素能源前景时说。 我国第一个钚－238同位素电池已在中国原子能科学研究院诞生了，同位素电池的研制成功填补了我国长期以来在该研究领域的空白，标志着我国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。 同位素电池是利用放射性同位素衰变过程释放的热能，通过热电偶转换成电能，具有尺寸小、重量轻、性能稳定可靠、工作寿命长、环境耐受性好等特点，能为空间及各种特殊、恶劣环境条件下的高空、地面、海上和海底的自动观察站或信号站等提供能源。同位素电池在美、俄等国已实际应用，用于航天器的能源供应。 随着我国空间探测的进一步发展（包括“登月计划”的启动）以及未来深空探测的需求，为我国航天器提供稳定、持久的能源已提到议事日程上来，作为迄今为止航天器仪器、设备最理想供电来源的同位素电池成为航天技术进步的重要标志，掌握同位素电池制备的一系列关键技术并具备自主研制生产能力显得尤为重要。 2004年，原子能院同位素所承担了“百毫瓦级钚－238同位素电池研制”任务，在两年时间里要完成总体设计和一系列相关工艺研究，研制出样品。 同位素所和协作单位并按制定的研究方案开展了大量的模拟实验、示踪实验、热实验等工作。最终检测表明电池性能完全达到了技术指标要求，辐射防护检测的各项指标均符合国家安全要求。中国第一个钚－238同位素电池诞生了。 我国第一个钚－238同位素电池的研制成功是我国在核电源系统研究领域的重大突破，为继续探索、开发空间能源打下了坚实的基础。 同位素电源是什么 “放射性同位素电池”简称同位素电池（Nuclear battery 或Atomic battery)。由放射性同位素的衰变能转换为电能的机制有十几种，如“放射性同位素温差发电器(Radioisotope thermoelectric generator,简称RTG)、“辐射伏特效应”、“衰变耦合磁共振”、“往复式震荡悬臂梁”、“热离子发射”、“衰变能-光能-电能”等。 放射性同位素温差发电器是美国科学家于1956年元月16日研制成功，是第一个成功的同位素电池。立即用于美国各种航天器载设备的供电，减轻发射重量、确保设备连续工作，是美国航天居于领先地位的关键技术和产品。这种温差发电器是由一些性能优异的半导体材料，如碲化铋、碲化铅、锗硅合金和硒族化合物等，把许多材料串联起来组成。另外还得有一个合适的热源和换能器，在热源和换能器之间形成温差才可发电。 放射性同位素电池的热源是放射性同位素。它们在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式，向外放出比一般物质大得多的能量。这种很大的能量有两个令人喜爱的特点。一是蜕变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响，因此，核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长，这决定了放射性同位素电池可长期使用。放射性同位素电池采用的放射性同位素来主要有锶－90（Sr－90，半衰期为28年）、钚－238（Pu－238，半衰期 89.6年）、钋－210（Po-210半衰期为138.4天）等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。 放射性同位素电池的核心是换能器。目前常用的换能器叫静态热电换能器，它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差，从而发电。它的优点是可以做得很小，只是效率颇低，目前热利用率只有10%～20%，大部分热能被浪费掉。 在外形上，放射性同位素电池虽有多种形状，但最外部分都由合金制成，起保护电池和散热的作用；次外层是辐射屏蔽层，防止辐射线泄漏出来；第三层就是换能器了，在这里热能被转换成电能；最后是电池的心脏部分，放射性同位素原子在这里不断地发生衰变并放出热量。 来源：科技日报，有删改 |
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