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核能电池-未来高效能源的新方向

时间:2017-11-09
摘要:2008年11月2日,美国凤凰号火星登陆器发出了最后的信号。由于凤凰号着陆地点的光照出现季节性减少,不足以为太阳能电池充电,加上突如其来的一场沙尘暴,凤凰号电量耗尽,时间比预计提前了3周。不过,对于刚刚登陆火星的好奇号探测车来说,则不会出现诸如凤凰号的厄运
2008年11月2日,美国“凤凰”号火星登陆器发出了最后的信号。由于“凤凰”号着陆地点的光照出现季节性减少,不足以为太阳能电池充电,加上突如其来的一场沙尘暴,“凤凰”号电量耗尽,时间比预计提前了3周。不过,对于刚刚登陆火星的“好奇”号探测车来说,则不会出现诸如“凤凰”号的厄运。这主要是因为“好奇”号的电力是由一台“放射性同位素热电发生器”(缩写为RTG)提供,RTG本质上是一块核电池。该电池的设计使用寿命为14年,不但比太阳能电池耐久,也不会像太阳能电池那样受火星尘埃的影响,可为重达一吨的“好奇”号提供充足电力。
“好奇”号的核电池由两部分组成:一个装有钚238二氧化物的热源和一组固体热电偶。热电偶是一种半导体,可以将钚238衰变产生的热能转化为电能。因为同位素衰变时释放的能量大小和释放速度不受外界环境的温度、化学反应、压力、电磁场的影响,所以在要求高功率、长寿命、运行环境恶劣的供电领域,核电池是绝佳的选择。特别是当航天器远离太阳或位于星球表面上,难以靠太阳能电池长时间供电时,核电源是唯一的选择。
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正在火星表面执行任务的“好奇”号
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好奇”号的组成
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好奇”号上的放射性同位素热电发生器电池特写
在月球的漫漫长夜里,月表温度可低至-170℃。这时普通电池都无法工作,核能成为最理想的选择。太空核电池的研发始于1958年的美国。1961年美国发射了近地轨道导航卫星“子午仪-4A”,该卫星首次配备了RTG。该电池外形接近球体,直径约12.5厘米,重约2千克。个头虽小,它所提供的电力却相当于一块重300千克的镍-铜电池。“子午仪-4A”卫星在太空运行了十多年,大大超过原来的设计寿命。1969至1972年间,共有五块放射性同位素电池被五次“阿波罗”任务的宇航员带上月球,为月震仪、磁强仪、热流计、重力计和太阳风测定仪等多种仪器提供电能。1969年,苏联的“月球车1号”登上月球,这台重达756千克的无人探月车使用11千克的放射性同位素钋210作为燃料(可输出800瓦功率)来抵御月夜的严寒。“月球车1号”设计寿命为三个月,实际工作了近一年时间。
因为核反应的复杂性,为了保证安全,需要对核电池进行大量苛刻的环境试验。包括模拟火箭发射和着陆环境的冲击振动试验、模拟再入大气层的高温试验、模拟海水长期浸泡的腐蚀试验等。四十年来,RTG已为许多太空任务提供动力,保持着良好的工作业绩。即便是在那些距离地球极其遥远、环境恶劣的考察任务中(如飞至太阳系边缘的先驱者号和旅行者号、飞向木星的伽利略号、探测太阳极区的尤利西斯号、飞向土星的卡西尼号、飞向冥王星新视野号等)RTG也从未出现过故障。
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核电池内部结构图
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核电池研制过程中要进行大量苛刻的环境试验
中国第一块放射性同位素电池于1971年3月12日诞生于中科院上海原子核所,以钋210为燃料,输出电功率为1.4瓦,热功率35.5瓦,并进行了模拟太空应用的地面试验。随着我国核电站数量的增加,由乏燃料后处理提取镎237原料的逐渐积累,为今后开发钚238电池提供了物质基础。从2004年开始,中国原子能科学研究院启动了太空同位素电池的研发,2006年该院研制出我国第一颗钚238同位素电池。目前我前在核电池的最新进展消息是,我国将于2013年发射“嫦娥三号”探测器在月球进行软着陆并施放的月球车将安装我国最新的核电池。前不久月球探测工程首席科学家欧阳自远院士接受媒体采访时透露,中国月球车将配备核电池来帮助月球车进行“冬眠”,等到太阳再次在月面上升起时,电池自动重启,月球车开始进入工作状态,这样的核电池可持续工作30年。
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中国自行设计的核电池将应用“嫦娥三号”探测器上
核电池的用武之地不仅仅局限于太空。高山、深海、南北极乃至人体中到处可以找到它的影踪。心脏起搏器用的核电池重量仅40克,体积很小,寿命可达十年。病人免除了经常做开胸手术的痛苦。在极地、海岛、高山、沙漠、深海等条件恶劣、交通不便的地方都是RTG的大显身手之地。自动无人气象站、浮标和灯塔、地震观察站、飞机导航信标、微波通讯中继站、海底电缆中继站等都可以使用免维护、长寿命的RTG供电。仅俄罗斯的北极海岸地区就有386个使用锶90的RTG运行,为导航设施供电。使用同位素电池的收音机和个人电子设备也已经出现。
现在,核电池正向效率更高、比功率更大、安全性更强的方向发展,它不但能帮助人类遨游太空、畅游海洋,还会走进日常生活给我们带来诸多便利。

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