嫦娥三號探測器採用核能電池 技術不遜美國

　　資料圖：嫦娥三號月球探測器，包括著陸器和巡視器

　　我國嫦娥三號月球探測器發射在即，為了能夠在月球上過夜;嫦娥三號需要長時間經受嚴寒帶來的極大挑戰。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於太空探測的國家。

　　那麼，什麼是核能電池？其作用是什麼？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，為什麼需要安裝核電池？

　　核能不僅是核裂變產生的，核衰變也產生核能

　　提起核能、核動力，人們也許馬上連想起核電站、核潛艇;馬上與核反應堆等“大家伙”聯系在一起。其實這是一種誤解。

　　目前廣泛採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動蒸汽機，直接提供動力，也可以連接發電機來產生電能。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、核動力不僅是靠核反應堆進行的核裂變反應產生能量這一種。核衰變反應也能放出的能量。核電池就是基於核衰變反應做成的。核衰變反應遠不如裂變那麼劇烈(不加控制的裂變就是核爆炸)，釋放能量也遠不如裂變那麼巨大。但衰變釋放的能量也不容忽視。如?238衰變時，表面溫度可以達到五六百攝氏度，足以讓?金屬塊呈現出熾熱的紅色。

　　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，就是為了導出核燃料衰變產生的熱量。否則，高溫會熔解金屬保護殼，導致嚴重核泄漏。

　　什麼是核電池

　　核電池(又稱原子能電池或放射性同位素發電裝置)是指那些使用放射性同位素衰變時產生的能量轉化為電力的裝置。核電池也叫同位素電池。(注：同位素是指有相同質子數，不同中子數的原子。如氕與氘互為同位素。核素是指具有一定質子數的原子，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生的能量放出的熱量，進行熱電轉化。其裝置名稱RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator)是“放射性同位素熱電發電機”這個詞的縮寫。

　　核電池是通過半導體換能器，將?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，轉變為電能。目前，核電池已成功地用作航天器的電源。(還用於醫學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;按能量轉換機制，它可分為九類之多(直接轉換式和間接轉換式。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、熱離子發射式核電池、電磁輻射能量轉換核電池和熱機轉換核電池等)。目前應用最廣泛的是溫差式核電池和熱機轉換核電池。核電池取得實質性進展始於20世紀50年代，由於其具有體積小、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境中工作。

　　據了解，當放射性物質衰變時，能夠釋放出帶電粒子，如果正確利用的話，能夠產生電流。核電池有其穩定程度。通常不穩定(即具有放射性)的原子核會發生衰變現象，在放射出粒子及能量后可變得較為穩定。核電池正是利用放射性物質衰變會釋放出能量的原理所制成的，此前已經有核電池應用於軍事或者航空航天領域，但是電池體積往往很大。 過去在電池的研發過程中面臨的重大難關之一，就是為了提高性能，電池大小往往比產品本身還大。

　　由美國密蘇裡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於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，提供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，隻需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，由於空間探測器遠離太陽，難以利用太陽能電池的能量，必須採用核電源。所以，核動力衛星在外行星探測中佔據重要位置。

　　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電器作為電源。就是因為採用核電源，美國“旅行者1號”行星探測器，才創造了世界衛星遠航史上的輝煌紀錄。目前它是離地球最遠(飛行約近200億公裡)和飛行速度最快的人造衛星。它用了36年的時間，飛行到了太陽系的邊緣。

　　以?238放射性同位素作熱源的同位素溫差發電器，曾用於美國“子午儀”號導航衛星(低軌道導航衛星系列。又稱海軍導航衛星系統，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的二維定位，用於海上石油勘探和海洋調查定位、陸地用戶定位和大地測量等。從1960年4月到80年代初共發射30多顆。美國在1964年4月發射“子午儀”號導航衛星時，因發射失敗衛星所攜帶的放射性同位素源被燒毀，?238散布在大氣層中並擴散至全球。后來改用特種石墨作同位素源外殼，以防燒毀。)、“林肯”號試驗衛星(早在1965年，美國林肯號試驗衛星上便使用? 238放射性同位素作熱源的同位素溫差發電器)和“雨雲”號衛星(是美國第二代試驗氣象衛星系列。從1964年8月到1978年10月共發射了7顆。雨雲號衛星的任務是試驗新的氣象觀測儀器和探測方法。美國在1965年發射的一顆軍用衛星中，用反應堆溫差發電器作為電源。但由於電源調節器出現故障僅工作43天。1968年5月“雨雲”號氣象衛星發射失敗時，核電源落入聖巴巴拉海峽，后被打撈上來。)。

　　前蘇聯航天器使用核電池的情況

　　另據了解，前蘇聯在1967~1982年期間，共發射了24顆核動力衛星，都屬於海洋監視衛星。衛星帶有以濃縮鈾235為燃料的熱離子反應堆，核能功率為5~10千瓦。不過核動力並不是用來驅動衛星，只是利用放射性元素衰變時放出的熱量，通過熱電偶產生電能給衛星上的設備供電。這些核動力衛星，多在200多公裡的低軌道上工作，完成任務后核反應堆艙段與衛星體分離，並將小型火箭推到大約1000公裡的軌道，可運行600年。

　　1978年1月24日，蘇聯“宇宙”954號核動力衛星發生故障，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星碎片散落在加拿大境內，造成嚴重污染。1983年1月“宇宙”1402號核動力衛星發生類似故障，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。由於在近地軌道，核電池的性價比不及太陽能電池，此外，目前全球?238主要產自俄羅斯，燃料來源的局限也拖累了核電池的發展、應用。

　　美國第一輛採用核動力驅動的火星車

　　但是，近年來，由於深空探測在航天大國的發展，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採用核動力驅動的火星車。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?-238，發電功率140瓦的核電池，至少可以保証對“好奇號”進行14年的核能系統。在這裡，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“非專業航天愛好者”來說，要從外形上區分“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。

　　中國在自主研發的核電池上邁出大步

　　月球在繞地球公轉的同時進行自轉，周期27.32166日，正好是一個恆星月，所以我們看不見月球背面。這種現象我們稱“同步自轉”，幾乎是衛星世界的普遍規律。由於月球自轉和公轉都是28天，所以“月球夜”會長達14天(月球日即白晝也有14天)。由於月球晝夜要半個月交替一次，溫差高達300℃，那裡是零下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。現在所使用的各種高級的蓄電池，什麼鋰電池、氫電池，各種各樣的電池對我們來說都沒有用。長時間經受極大溫差對我國月球探測器是個極大挑戰。迫使我們一定要想出新的辦法，於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，並維持與地面的通訊。而一旦新一個白晝來臨，太陽能電池就能重新驅動月球車工作。

　　中國第一塊放射性同位素電池於1971年3月12日誕生於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，並進行了模擬太空應用的地面試驗。隨著我國核電站數量的增加，由乏燃料后處理提取的?237原料的逐漸積累，為后來開發?238電池，提供了物質基礎。

　　據歐陽自遠院士介紹，近年來，我國在自主研發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研究院牽頭研發的。

　　從中國原子能科學研究院該院官方網站上，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;到2006年，研制出我國第一顆?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研究上邁出了重要的一步。

　　核電池的用武之地不僅僅局限於太空。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。

　　據原子能院的官網文章介紹，第一顆“國產”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。這將保証中國首次將核能用於航天器。據悉，為了保証著陸器的能源供應，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，並用於嫦娥三號的著陸器和月球車上。這種原子能電池可以連續工作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於被凍壞。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，重新驅動月球車工作。

　　對嫦娥三號來說，核電池中的?金屬塊238它相當於一個熱源。這一熱源對將在月球環境下生存的嫦娥三號的保溫作用是至關重要的。其釋放出的熱量及經過溫差熱電轉換器的轉換形成的電流，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，卻可以用於小規模供電，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，並不遜色!

　　嫦娥三號比起好奇號，並不遜色!主要是從下面幾點比較：

　　第一、嫦娥三號與好奇號都採用的核動力，雖然不知道好奇號是直接採用核動力轉變成動能還是怎麼的，但嫦娥三號採用的核動力電池，是目前核動力小型化的最高的成果。對比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。核能裝置的對比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產生的高溫，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，對所有發射火箭的國家都面臨這個問題。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，這是中國的首創。

　　第三、嫦娥三號與好奇號降落方式都是軟著陸，都是採用火箭發動機反推。這裡不得不說美國對好奇號的機構設計更好，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並不是大不了的問題，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。隻要達到第二宇宙速度，掙脫地球的束縛，然后關閉發動機，同時保持勻速飛行，都會實現。其實，達到第二宇宙速度的火箭中國早就有了。至於降落地點，對於好奇號、嫦娥三號來說，都是預先選好的，在火星還是在月球降落區別不大，都是地面人為遙控(我們已經有了自己的深空站、網。)。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、據歐陽自遠院士說，無論是美國的“好奇號”，還是中國的月球車，核電池中使用的燃料都是?238。?238的半衰期有80多年。這個時間足夠長，使?238能夠支撐電池持續工作幾十年。

　　雖然“國產”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，但隻要研發成功第一顆國產同位素電池，就突破了同位素發電的主要技術難點。今后，如果要做大功率的，隻需相應地增加核燃料?238的使用量。

　　所以，嫦娥三號比起好奇號，應該不遜色!

　　核動力衛星用的核電源有兩類

　　核動力衛星是使用核電源的人造衛星。由於核電源工作壽命長，性能可靠，能提供較大的功率。所以它與太陽電池電源相比，適應環境能力強;由於在衛星外部沒有伸展開的大面積太陽電池翼，在低軌道飛行時大氣阻力較小。在空間戰中使用核電源能提高衛星的生存能力。所以，核電源適用於某些軍用衛星和行星探測器。但是由於衛星墜毀時會對大氣和地球造成污染，所以核電源的使用受到安全上的限制。

　　衛星用的核電源有兩類：放射性同位素溫差發電器和核反應堆電源。前者功率較小，為幾十至幾百瓦;后者功率較大，可達數千瓦至數十千瓦。據悉我國正在研制，並准備發射裝載空間反應堆的核動力衛星。可能於2015年左右完成核動力衛星的地面試驗，2020年，這種衛星的設計方案可基本確定，2025年中國將發射首顆由空間核反應堆提供動力的衛星，並進行在軌試驗。

　　我國航天器採用核電池意義重大

　　在我國未來的深空探測計劃中，比如火星、金星探測中，核電池會發揮越來越大的作用。，核電池意義更是重大。在深空中，飛船能依靠的隻有太陽能與核能。而且，隨著飛船距離太陽越來越遠，所受陽光照射越是微弱，太陽能電池板的發電能力就越低，就更需要應用核電源。以保証飛行器的能量供應

　　核電池不僅不受光照影響，而且對其他惡劣的外部環境，比如真空、極冷、極熱、宇宙輻射等均不理會;核電池讓飛行器對惡劣環境基本起到“免疫”作用。

　　此外核電源壽命長(工作時間長)，性能可靠，能提供較大的功率。優點很多，應用前景廣闊。

　　事實上，將於今年12月初，隨“嫦娥三號”登月的我國首輛裝載核動力裝置的月球車如能順利運行，將標志我國成為繼美俄之后，第三個實現將核動力應用於太空探測的國家。(文/天津航天科普工作者 談煦)

(責編：蓋林讌)