鉅大LARGE | 點擊量：2700次 | 2021年09月27日
嫦娥三號探測器采用核能電池
我國嫦娥三號月球探測器發(fā)射在即，為了能夠在月球上過夜;嫦娥三號要長時間經(jīng)受嚴寒帶來的極大挑戰(zhàn)。為了突破這一難關，我國嫦娥三號，將攜帶核能電池(是一種核動力裝置)飛天。如能成功，就將使我國成為繼美俄之后，成為世界上第三個將核動力應用于太空探測的國家。
那么，什么是核能電池？其用途是什么？世界上，對核電池研究、使用情況如何？我國嫦娥三號月球探測器，為何要安裝核電池？
核能不僅是核裂變出現(xiàn)的，核衰變也出現(xiàn)核能
提起核能、核動力，人們也許馬上連想起、核;馬上與核反應堆等“大家伙”聯(lián)系在一起。其實這是一種誤解。
目前廣泛采用核動力是利用可控核裂變反應來獲取能量，從而得到動力，熱量和電能。利用可控核裂變反應來獲取能量的原理是：當裂變材料(例如鈾-235)在受人為控制的條件下發(fā)生核裂變時，核能就會以熱的形式被釋放出來，這些熱量會被用來驅(qū)動蒸汽機，直接供應動力，也可以連接發(fā)電機來出現(xiàn)電能。核能每年為人類供應所需能量的7%，或所需電能中的15.7%。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
但是核能、核動力不僅是靠核反應堆進行的核裂變反應出現(xiàn)能量這一種。核衰變反應也能放出的能量。核電池就是基于核衰變反應做成的。核衰變反應遠不如裂變那么劇烈(不加控制的裂變就是核爆炸)，釋放能量也遠不如裂變那么巨大。但衰變釋放的能量也不容忽視。如钚238衰變時，表面溫度可以達到五六百攝氏度，足以讓钚金屬塊呈現(xiàn)出熾熱的紅色。
在日本福島核事故中，搶險人員之所以要迅速重建被破壞的堆芯冷卻系統(tǒng)，就是為了導出核燃料衰變出現(xiàn)的熱量。否則，高溫會熔解金屬保護殼，導致嚴重核泄漏。
什么是核電池
核電池(又稱原子能電池或放射性同位素發(fā)電裝置)是指那些使用放射性同位素衰變時出現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)化為電力的裝置。核電池也叫同位素電池。(注：同位素是指有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)的原子。如氕與氘互為同位素。核素是指具有一定質(zhì)子數(shù)的原子，是一種具體的原子，如氕或氘就是核素。同一元素的不同核素互為同位素。)
同理，同位素電池，就是利用同位素材料衰變過程中出現(xiàn)的能量放出的熱量，進行熱電轉(zhuǎn)化。其裝置名稱RTG(RadioisotopeThermoelectricGenerator)是“放射性同位素熱電發(fā)電機”這個詞的縮寫。
核電池是通過半導體換能器，將鈈238、鈾238(放射性同位素)衰變過程中，釋放出射線(放出載能粒子α、β和γ粒子射線)的熱能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。目前，核電池已成功地用作航天器的電源?還用于醫(yī)學心臟起搏器和一些特殊的用途方面)。2012年八月七日，美國發(fā)射的好奇號火星車，順利抵達火星，其所用的核電池壽命長達14年。
核電池的類型和屬性
按供應的電壓的高低，核電池可分為高壓型(幾百至幾千V)和低壓型(幾十mV—1V左右)兩類;按能量轉(zhuǎn)換機制，它可分為九類之多(直接轉(zhuǎn)換式和間接轉(zhuǎn)換式。更具體地講，包括直接充電式核電池、氣體電離式核電池、輻射伏特效應能量轉(zhuǎn)換核電池、熒光體光電式核電池、熱致光電式核電池、溫差式核電池、熱離子發(fā)射式核電池、電磁輻射能量轉(zhuǎn)換核電池和熱機轉(zhuǎn)換核電池等)。目前應用最廣泛的是溫差式核電池和熱機轉(zhuǎn)換核電池。核電池取得實質(zhì)性進展始于20世紀50年代，由于其具有體積小、重量輕和壽命長的特點，而且其能量大小、速度不受外界環(huán)境的溫度、化學反應、壓力、電磁場等影響，因此，它可以在很大的溫度范圍和惡劣的環(huán)境中工作。
據(jù)了解，當放射性物質(zhì)衰變時，能夠釋放出帶電粒子，假如正確利用的話，能夠出現(xiàn)電流。核電池有其穩(wěn)定程度。通常不穩(wěn)定(即具有放射性)的原子核會發(fā)生衰變現(xiàn)象，在放射出粒子及能量后可變得較為穩(wěn)定。核電池正是利用放射性物質(zhì)衰變會釋放出能量的原理所制成的，此前已經(jīng)有核電池應用于或者航天領域，但是電池體積往往很大。過去在電池的研發(fā)過程中面對的重大難關之一，就是為了提高性能，電池大小往往比產(chǎn)品本身還大。
由美國密蘇里大學計算機工程系教授權載完(音譯)率領的研究組曾成功為“核電池”瘦身，所研發(fā)出的“核電池”體積小但電力強。他們做出的核電池大小只是略大于1美分硬幣(直徑1.95厘米，厚1.55毫米)，但其輸出能量遠比一般化學電池為高，發(fā)出的電力高達普通化學電池的100萬倍。
核電池的另一誘人之處是，核電池比起一般電池有很長的壽命，供應電能的同位素工作時間非常長，甚至可能達到5000年。在不久的將來，只要一個硬幣大小的核電池，就可以讓你的手機不充電使用5000年。
在航天領域，在航天器上，核能往往就是以這種種“微型電池化”的方式被利用的。尤其在外太空行星探測領域中，由于空間探測器遠離太陽，難以利用太陽能電池的能量，必須采用核電源。所以，核動力衛(wèi)星在外行星探測中占據(jù)重要位置。
美國航天器使用核電池的歷史
從上世紀中葉起，美國在“先驅(qū)者”10號、11號探測器，“旅行者”1號、2號探測器，木星和土星探測器中，都使用了同位素溫差發(fā)電器作為電源。就是因為采用核電源，美國“旅行者1號”行星探測器，才創(chuàng)造了世界衛(wèi)星遠航史上的輝煌紀錄。目前它是離地球最遠(飛行約近200億公里)和飛行速度最快的人造衛(wèi)星。它用了36年的時間，飛行到了太陽系的邊緣。
以钚238放射性同位素作熱源的同位素溫差發(fā)電器，曾用于美國“子午儀”號導航衛(wèi)星(低軌道導航衛(wèi)星系列。又稱海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)，英文縮寫為NNSS。重要功用是：為核和各類海面艦船等供應高精度斷續(xù)的二維定位，用于海上石油勘探和海洋調(diào)查定位、陸地用戶定位和大地測量等。從1960年四月到80年代初共發(fā)射30多顆。美國在1964年四月發(fā)射“子午儀”號導航衛(wèi)星時，因發(fā)射失敗衛(wèi)星所攜帶的放射性同位素源被燒毀，钚238散布在大氣層中并擴散至全球。后來改用特種石墨作同位素源外殼，以防燒毀。)、“林肯”號試驗衛(wèi)星(早在1965年，美國林肯號試驗衛(wèi)星上便使用钚238放射性同位素作熱源的同位素溫差發(fā)電器)和“雨云”號衛(wèi)星(是美國第二代試驗氣象衛(wèi)星系列。從1964年八月到1978年十月共發(fā)射了7顆。雨云號衛(wèi)星的任務是試驗新的氣象觀測儀器和探測方法。美國在1965年發(fā)射的一顆衛(wèi)星中，用反應堆溫差發(fā)電器作為電源。但由于電源調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障僅工作43天。1968年五月“雨云”號氣象衛(wèi)星發(fā)射失敗時，核電源落入圣巴巴拉海峽，后被打撈上來。)。
前蘇聯(lián)航天器使用核電池的情況
另據(jù)了解，前蘇聯(lián)在1967~1982年期間，共發(fā)射了24顆核動力衛(wèi)星，都屬于海洋監(jiān)視衛(wèi)星。衛(wèi)星帶有以濃縮鈾235為燃料的熱離子反應堆，核能功率為5~10千瓦。不過核動力并不是用來驅(qū)動衛(wèi)星，只是利用放射性元素衰變時放出的熱量，通過熱電偶出現(xiàn)電能給衛(wèi)星上的設備供電。這些核動力衛(wèi)星，多在200多公里的低軌道上工作，完成任務后核反應堆艙段與衛(wèi)星體分離，并將小型火箭推到大約1000公里的軌道，可運行600年。
1978年一月二十四日，蘇聯(lián)“宇宙”954號核動力衛(wèi)星發(fā)生故障，核反應堆艙段未能升高而自然隕落，未燃盡的帶有放射性的衛(wèi)星碎片散落在加拿大境內(nèi)，造成嚴重污染。1983年一月“宇宙”1402號核動力衛(wèi)星發(fā)生類似故障，核反應堆艙段在南大西洋上空再入大氣層時完全燒毀。
隨著后來美蘇太空競賽的冷卻，人類探索深空的腳步放緩。由于在近地軌道，核電池的性價比不及太陽能電池，此外，目前全球钚238重要產(chǎn)自俄羅斯，燃料來源的局限也拖累了核電池的發(fā)展、應用。
美國第一輛采用核動力驅(qū)動的火星車
但是，近年來，由于深空探測在航天大國的發(fā)展，核電池使用見多。比如美國宇航局的好奇(Curiosity)號火星探測器(“火星科學實驗室”)，它是一個受地面遙控的，有汽車大小的美國第四個火星探測器，也是人類建造的第一輛采用核動力驅(qū)動的火星車。美國“好奇號”火星探測器上，就搭載了六輪自重900千克的火星車，而火星車核動力裝置。是一個重約45公斤，含4.8千克的钚-238，發(fā)電功率140瓦的核電池，至少可以保證對“好奇號”進行14年的核能系統(tǒng)。在這里，核能是以“微型化”的方式被利用的。
登陸火星的“好奇號”探測器，此刻正在遙遠的紅色土地上進行探測。對“非專業(yè)航天愛好者”來說，要從外形上區(qū)分“好奇號”和它的前輩、比如“勇氣號”“機遇號”，其實遠比想象來得簡單：“好奇號”身上，那對早已被視為太空飛行器標志的“翅膀”：太陽能電池翼片消失了。收起慣常的“翅膀”，正是為了飛得更遠。而且，隨著人類不斷走向深空，航天器對核能的依賴也會越來越大。
我國在自主研發(fā)的核電池上邁出大步
月球在繞地球公轉(zhuǎn)的同時進行自轉(zhuǎn)，周期27.3216六日，正好是一個恒星月，所以我們看不見月球背面。這種現(xiàn)象我們稱“同步自轉(zhuǎn)”，幾乎是衛(wèi)星世界的普遍規(guī)律。由于月球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)都是28天，所以“月球夜”會長達14天(月球日即白晝也有14天)。由于月球晝夜要半個月交替一次，溫差高達300℃，那里是零下150度到180度，太冷了，月球車上的所有的儀器全部要凍壞。普通電池無法應對?，F(xiàn)在所使用的各種高級的蓄電池，什么鋰離子電池、氫電池，各種各樣的電池對我們來說都沒有用。長時間經(jīng)受極大溫差對我國月球探測器是個極大挑戰(zhàn)。迫使我們一定要想出新的辦法，于是我們國家自己研制了原子能的電池，歐陽自遠院士說，我國的月球車實際上在同時使用太陽能和核能作為能源。黑暗中的月面，溫度驟降到零下100多攝氏度，為防止車載儀器被凍壞，休眠中的月球車就得靠核電池的能量來保溫，并維持與地面的通訊。而一旦新一個白晝來臨，太陽能電池就能重新驅(qū)動月球車工作。
我國第一塊放射性同位素電池于1971年三月十二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，并進行了模擬太空應用的地面試驗。隨著我國數(shù)量的新增，由乏燃料后處理提取的镎237原料的逐漸積累，為后來開發(fā)钚238電池，供應了物質(zhì)基礎。
據(jù)歐陽自遠院士介紹，近年來，我國在自主研發(fā)的核電池上邁出了大步。我國月球車搭載的核電池，是由我國原子能科學研究院牽頭研發(fā)的。
從我國原子能科學研究院該院官方網(wǎng)站上，可以得知，從2004年開始，該院正式啟動航天用同位素電池的研發(fā);到2006年，研制出我國第一顆钚238同位素電池;2008年通過了專家組的鑒定。這顆電池的研制成功，填補了我國長期以來在該研究領域的空白，標志著我國在核電源系統(tǒng)研究上邁出了重要的一步。
核電池的用武之地不僅僅局限于太空。在高山、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，壽命可達十年。病人免除了經(jīng)常做開胸手術的痛苦。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、浮標和燈塔、地震觀察站、飛機導航信標、微波通訊中繼站、海底電纜中繼站等都可以使用免維護、長壽命的RTG供電。
據(jù)原子能院的官網(wǎng)文章介紹，第一顆“國產(chǎn)”同位素電池的各項指標均超過了預期要求，研制全過程安全無誤，功率為百毫瓦級。這將保證我國首次將核能用于航天器。據(jù)悉，為了保證著陸器的能源供應，嫦娥三號就是使用了這種原子能電池(RTG同位素電池)。
我國首次實用核電池將隨“嫦娥三號”軟著陸月球，并用于嫦娥三號的著陸器和月球車上。這種原子能電池可以持續(xù)工作30年。有了它，再不怕月球晚上溫度驟降到零下150度到180度。完全可以確保探測器上儀器不至于被凍壞。為防止車載儀器被凍壞，夜間休眠中的月球車可以靠核電池放出來的熱量保溫。而一旦新一個白晝來臨，太陽能電池就能替代核電池，重新驅(qū)動月球車工作。
對嫦娥三號來說，核電池中的钚金屬塊238它相當于一個熱源。這一熱源對將在月球環(huán)境下生存的嫦娥三號的保溫用途是至關重要的。其釋放出的熱量及經(jīng)過溫差熱電轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換形成的電流，充分滿足了嫦娥三號的能量需求。它的能力雖不足以讓火箭升空，卻可以用于小規(guī)模供電，支持嫦娥三號所帶月球車低速移動;支持嫦娥三號所帶設備正常工作;支持嫦娥三號與地球之間的通訊。
嫦娥三號比起好奇號，并不遜色!
嫦娥三號比起好奇號，并不遜色!重要是從下面幾點比較：
第一、嫦娥三號與好奇號都采用的核動力，雖然不了解好奇號是直接采用核動力轉(zhuǎn)變成動能還是怎么的，但嫦娥三號采用的核動力鋰離子電池，是目前核動力小型化的最高的成果。比較好奇號絕對不會遜色，而且嫦娥三號比好奇號體積小，動力裝置可能也會更小。核能裝置的比較無非就是看小型化程度。
第二、好奇號要能對抗登陸火星瞬間出現(xiàn)的高溫，但嫦娥三號卻要對抗月球表面幾百攝氏度的溫差。相比，嫦娥更了不起。對抗高溫，對所有發(fā)射火箭的國家都面對這個問題。而且好奇號登陸火星時承受的溫度相對不算高，飛船返回地球的溫度比登陸火星時高的多。嫦娥卻是非常了不起，對抗溫差300攝氏度，對抗低溫零下一百多攝氏度，這是我國的首創(chuàng)。
第三、嫦娥三號與好奇號降落方式都是軟著陸，都是采用火箭發(fā)動機反推。這里不得不說美國對好奇號的機構(gòu)設計更好，因為好奇號更重一些，而且火星的引力更大一些。不過這是反推火箭的問題。而且火箭的推力大小并不是大不了的問題，我們也能做的出來。
第四、是登陸星球不同，其實登陸月球和登陸火星的難度差別不大，對火箭的大小要求不高。只要達到第二宇宙速度，掙脫地球的束縛，然后關閉發(fā)動機，同時保持勻速飛行，都會實現(xiàn)。其實，達到第二宇宙速度的火箭我國早就有了。至于降落地點，有關好奇號、嫦娥三號來說，都是預先選好的，在火星還是在月球降落差別不大，都是地面人為遙控(我們已經(jīng)有了自己的深空站、網(wǎng)。)。距離也不是問題了(嫦娥二號飛行距離已超過了去火星的路程)。
第五、據(jù)歐陽自遠院士說，無論是美國的“好奇號”，還是我國的月球車，核電池中使用的燃料都是钚238。钚238的半衰期有80多年。這個時間足夠長，使钚238能夠支撐電池持續(xù)工作幾十年。
雖然“國產(chǎn)”同位素電池的功率與“好奇號”電池的140瓦左右的功率還有距離，但只要研發(fā)成功第一顆國產(chǎn)同位素電池，就突破了同位素發(fā)電的重要技術難點。今后，假如要做大功率的，只需相應地新增核燃料钚238的使用量。
所以，嫦娥三號比起好奇號，應該不遜色!
