中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：我國嫦娥三號(hào)月球探測器發(fā)射在即，為了能夠在月球上過夜;嫦娥三號(hào)需要長時(shí)間經(jīng)受嚴(yán)寒帶來的極大挑戰(zhàn)。為了突破這一難關(guān)，我國嫦娥三號(hào)，將攜帶核能電池(是一種核動(dòng)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(gè)將核動(dòng)力應(yīng)用于太空探測的國家。
那么，什么是核能電池？其作用是什么？世界上，對(duì)核電池研究、使用情況如何？我國嫦娥三號(hào)月球探測器，為什么需要安裝核電池？
核能不僅是核裂變產(chǎn)生的，核衰變也產(chǎn)生核能
提起核能、核動(dòng)力，人們也許馬上連想起核電站、核潛艇;馬上與核反應(yīng)堆等“大家伙”聯(lián)系在一起。其實(shí)這是一種誤解。
目前廣泛采用核動(dòng)力是利用可控核裂變反應(yīng)來獲取能量，從而得到動(dòng)力，熱量和電能。利用可控核裂變反應(yīng)來獲取能量的原理是：當(dāng)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(shí)，核能就會(huì)以熱的形式被釋放出來，這些熱量會(huì)被用來驅(qū)動(dòng)蒸汽機(jī)，直接提供動(dòng)力，也可以連接發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生電能。核能每年為人類提供所需能量的7%，或所需電能中的15.7%。
但是核能、核動(dòng)力不僅是靠核反應(yīng)堆進(jìn)行的核裂變反應(yīng)產(chǎn)生能量這一種。核衰變反應(yīng)也能放出的能量。核電池就是基于核衰變反應(yīng)做成的。核衰變反應(yīng)遠(yuǎn)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(yuǎn)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(shí)，表面溫度可以達(dá)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(xiǎn)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(dǎo)出核燃料衰變產(chǎn)生的熱量。否則，高溫會(huì)熔解金屬保護(hù)殼，導(dǎo)致嚴(yán)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(shí)產(chǎn)生的能量轉(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產(chǎn)生的能量放出的熱量，進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)化。其裝置名稱RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator)是“放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)”這個(gè)詞的縮寫。
核電池是通過半導(dǎo)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)殡娔堋Ｄ壳?，核電池已成功地用作航天器的電源?還用于醫(yī)學(xué)心臟起搏器和一些特殊的軍事用途方面)。2012年8月7日，美國發(fā)射的好奇號(hào)火星車，順利抵達(dá)火星，其所用的核電池壽命長達(dá)14年。
核電池的類型和屬性
按提供的電壓的高低，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(jī)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(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)換核電池等)。目前應(yīng)用最廣泛的是溫差式核電池和熱機(jī)轉(zhuǎn)換核電池。核電池取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展始于20世紀(jì)50年代，由于其具有體積小、重量輕和壽命長的特點(diǎn)，而且其能量大小、速度不受外界環(huán)境的溫度、化學(xué)反應(yīng)、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(dāng)放射性物質(zhì)衰變時(shí)，能夠釋放出帶電粒子，如果正確利用的話，能夠產(chǎn)生電流。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(huì)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(huì)釋放出能量的原理所制成的，此前已經(jīng)有核電池應(yīng)用于軍事或者航空航天領(lǐng)域，但是電池體積往往很大。 過去在電池的研發(fā)過程中面臨的重大難關(guān)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(xué)計(jì)算機(jī)工程系教授權(quán)載完(音譯)率領(lǐng)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(qiáng)。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(yuǎn)比一般化學(xué)電池為高，發(fā)出的電力高達(dá)普通化學(xué)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，提供電能的同位素工作時(shí)間非常長，甚至可能達(dá)到5000年。在不久的將來，只需要一個(gè)硬幣大小的核電池，就可以讓你的手機(jī)不充電使用5000年。
在航天領(lǐng)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(lǐng)域中，由于空間探測器遠(yuǎn)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(dòng)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(jì)中葉起，美國在 “先驅(qū)者”10號(hào)、11號(hào)探測器，“旅行者”1號(hào)、2號(hào)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?yàn)椴捎煤穗娫矗绹奥眯姓?號(hào)”行星探測器，才創(chuàng)造了世界衛(wèi)星遠(yuǎn)航史上的輝煌紀(jì)錄。目前它是離地球最遠(yuǎn)(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(shí)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(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星(低軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系列。又稱海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，英文縮寫為NNSS。主要功用是：為核潛艇和各類海面艦船等提供高精度斷續(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4月到80年代初共發(fā)射30多顆。美國在1964年4月發(fā)射“子午儀”號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)，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(kuò)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(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星(早在1965年，美國林肯號(hào)試驗(yàn)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(hào)衛(wèi)星(是美國第二代試驗(yàn)氣象衛(wèi)星系列。從1964年8月到1978年10月共發(fā)射了7顆。雨云號(hào)衛(wèi)星的任務(wù)是試驗(yàn)新的氣象觀測儀器和探測方法。美國在1965年發(fā)射的一顆軍用衛(wèi)星中，用反應(yīng)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5月“雨云”號(hào)氣象衛(wèi)星發(fā)射失敗時(shí)，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(dòng)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(yīng)堆，核能功率為5~10千瓦。不過核動(dòng)力并不是用來驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星，只是利用放射性元素衰變時(shí)放出的熱量，通過熱電偶產(chǎn)生電能給衛(wèi)星上的設(shè)備供電。這些核動(dòng)力衛(wèi)星，多在200多公里的低軌道上工作，完成任務(wù)后核反應(yīng)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(yùn)行600年。
1978年1月24日，蘇聯(lián)“宇宙”954號(hào)核動(dòng)力衛(wèi)星發(fā)生故障，核反應(yīng)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(yán)重污染。1983年1月“宇宙”1402號(hào)核動(dòng)力衛(wèi)星發(fā)生類似故障，核反應(yīng)堆艙段在南大西洋上空再入大氣層時(shí)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(jià)比不及太陽能電池，此外，目前全球钚238主要產(chǎn)自俄羅斯，燃料來源的局限也拖累了核電池的發(fā)展、應(yīng)用。
美國第一輛采用核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(hào)火星探測器(“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”)，它是一個(gè)受地面遙控的，有汽車大小的美國第四個(gè)火星探測器，也是人類建造的第一輛采用核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的火星車。美國“好奇號(hào)”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(dòng)力裝置。是一個(gè)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(duì)“好奇號(hào)”進(jìn)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(hào)”探測器，此刻正在遙遠(yuǎn)的紅色土地上進(jìn)行探測。對(duì)“非專業(yè)航天愛好者”來說，要從外形上區(qū)分“好奇號(hào)”和它的前輩、比如“勇氣號(hào)”“機(jī)遇號(hào)”，其實(shí)遠(yuǎn)比想象來得簡單：“好奇號(hào)”身上，那對(duì)早已被視為太空飛行器標(biāo)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(yuǎn)。而且，隨著人類不斷走向深空，航天器對(duì)核能的依賴也會(huì)越來越大。
中國在自主研發(fā)的核電池上邁出大步
月球在繞地球公轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行自轉(zhuǎn)，周期27.32166日，正好是一個(gè)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(huì)長達(dá)14天(月球日即白晝也有14天)。由于月球晝夜要半個(gè)月交替一次，溫差高達(dá)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?zé)o法應(yīng)對(duì)?，F(xiàn)在所使用的各種高級(jí)的蓄電池，什么鋰電池、氫電池，各種各樣的電池對(duì)我們來說都沒有用。長時(shí)間經(jīng)受極大溫差對(duì)我國月球探測器是個(gè)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(yuǎn)院士說，我國的月球車實(shí)際上在同時(shí)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(gè)白晝來臨，太陽能電池就能重新驅(qū)動(dòng)月球車工作。
中國第一塊放射性同位素電池于1971年3月12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(jìn)行了模擬太空應(yīng)用的地面試驗(yàn)。隨著我國核電站數(shù)量的增加，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，提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
據(jù)歐陽自遠(yuǎn)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，是由中國原子能科學(xué)研究院牽頭研發(fā)的。
從中國原子能科學(xué)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(dòng)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(bǔ)了我國長期以來在該研究領(lǐng)域的空白，標(biāo)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(dá)十年。病人免除了經(jīng)常做開胸手術(shù)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(dòng)無人氣象站、浮標(biāo)和燈塔、地震觀察站、飛機(jī)導(dǎo)航信標(biāo)、微波通訊中繼站、海底電纜中繼站等都可以使用免維護(hù)、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(xiàng)指標(biāo)均超過了預(yù)期要求，研制全過程安全無誤，功率為百毫瓦級(jí)。這將保證中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(yīng)，嫦娥三號(hào)就是使用了這種原子能電池(RTG同位素電池)。
我國首次實(shí)用核電池將隨“嫦娥三號(hào)”軟著陸月球，并用于嫦娥三號(hào)的著陸器和月球車上。這種原子能電池可以連續(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(gè)白晝來臨，太陽能電池就能替代核電池，重新驅(qū)動(dòng)月球車工作。
對(duì)嫦娥三號(hào)來說，核電池中的钚金屬塊238它相當(dāng)于一個(gè)熱源。這一熱源對(duì)將在月球環(huán)境下生存的嫦娥三號(hào)的保溫作用是至關(guān)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(hào)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(hào)所帶月球車低速移動(dòng);支持嫦娥三號(hào)所帶設(shè)備正常工作;支持嫦娥三號(hào)與地球之間的通訊。
嫦娥三號(hào)比起好奇號(hào)，并不遜色!
嫦娥三號(hào)比起好奇號(hào)，并不遜色!主要是從下面幾點(diǎn)比較：
第一、嫦娥三號(hào)與好奇號(hào)都采用的核動(dòng)力，雖然不知道好奇號(hào)是直接采用核動(dòng)力轉(zhuǎn)變成動(dòng)能還是怎么的，但嫦娥三號(hào)采用的核動(dòng)力電池，是目前核動(dòng)力小型化的最高的成果。對(duì)比好奇號(hào)絕對(duì)不會(huì)遜色，而且嫦娥三號(hào)比好奇號(hào)體積小，動(dòng)力裝置可能也會(huì)更小。核能裝置的對(duì)比無非就是看小型化程度。
第二、好奇號(hào)要能對(duì)抗登陸火星瞬間產(chǎn)生的高溫，但嫦娥三號(hào)卻要對(duì)抗月球表面幾百攝氏度的溫差。相比，嫦娥更了不起。對(duì)抗高溫，對(duì)所有發(fā)射火箭的國家都面臨這個(gè)問題。而且好奇號(hào)登陸火星時(shí)承受的溫度相對(duì)不算高，飛船返回地球的溫度比登陸火星時(shí)高的多。嫦娥卻是非常了不起，對(duì)抗溫差300攝氏度，對(duì)抗低溫零下一百多攝氏度，這是中國的首創(chuàng)。
第三、嫦娥三號(hào)與好奇號(hào)降落方式都是軟著陸，都是采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)反推。這里不得不說美國對(duì)好奇號(hào)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更好，因?yàn)楹闷嫣?hào)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(shí)登陸月球和登陸火星的難度差別不大，對(duì)火箭的大小要求不高。只要達(dá)到第二宇宙速度，掙脫地球的束縛，然后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)保持勻速飛行，都會(huì)實(shí)現(xiàn)。其實(shí)，達(dá)到第二宇宙速度的火箭中國早就有了。至于降落地點(diǎn)，對(duì)于好奇號(hào)、嫦娥三號(hào)來說，都是預(yù)先選好的，在火星還是在月球降落區(qū)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(hào)飛行距離已超過了去火星的路程)。
第五、據(jù)歐陽自遠(yuǎn)院士說，無論是美國的“好奇號(hào)”，還是中國的月球車，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(gè)時(shí)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(hào)”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)電的主要技術(shù)難點(diǎn)。今后，如果要做大功率的，只需相應(yīng)地增加核燃料钚238的使用量。
所以，嫦娥三號(hào)比起好奇號(hào)，應(yīng)該不遜色!
