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核电池：动力澎湃的太空电源

日常生活中，我们常因手机电量耗尽、数码相机没电、电动车电能用光而感到不便。如果类似的事情发生在太空，那就意味着与地球失去联系，探测设备无法工作，探测车无法移动，探测任务只能以失败告终。为避免这样的情况发生，必须为太空探测器配备经久耐用的电源。受航天器体积和任务时间所限，这种电源体积不能太大，寿命也不能太短。于是，能量密度高、使用时间长的核燃料就成了理想选择。放射性同位素在核衰变时释放的能量比一般物质大得多，而且衰变时间很长，比如，1克镭在衰变中释放出的能量比1克木柴在燃烧中释放出的能量大六十多万倍，其衰变时间长达1万年。

2012年8月，重达一吨的“好奇”号探测车在火星登陆，它的动力由一台“放射性同位素热电发生器”（缩写为RTG）提供，本质上是一块核电池。该电池由两部分组成：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。它的设计使用寿命为14年，不但比太阳能电池耐久，而且不会像太阳能电池那样受火星尘埃的影响。

航天器配备的核电源可分为两种类型：RTG和核反应堆。美国倾向于使用RTG，而苏联更喜欢使用反应堆。从太空任务的类型上看，美国倾向于在外层行星探索任务中使用核电源，而苏联则倾向于将核电源用于太空军事任务。本文主要介绍RTG。

澎湃动力

2012年6月，NASA宣布1977年发射的“旅行者”1号探测器已接近太阳系边界，即将飞入未知的恒星际空间。它成了飞得最远的人造物体，距离太阳已超过180亿公里。同样飞行了34年的“旅行者”2号也在不久前遵照地面指令切换至备用姿态控制推进器工作，以节省能源确保未来任务继续进行。它的主推进器已经点火31.8万次。

“旅行者”号之所以在发射后这么久还能正常工作，长效RTG核电池功不可没。“旅行者”号RTG的核燃料是钚238的二氧化物，半衰期为87.7年，这段时间比现有的航天器寿命都要长。如果“旅行者”号仍以当前的速率消耗燃料，它的核电池要到2025年才会停止工作。

RTG在外形上与普通干电池相似，呈圆柱形。在圆柱体中心密封着放射性同位素源，外面是热离子转换器或热电偶式的换能器。换能器之外包裹着防辐射的屏蔽层，最外面一层是金属筒外壳。

RTG电池的重大优势还在于，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。在要求高功率、长寿命、运行环境恶劣的太空供电领域，核电池以其抗干扰性强和可靠性高成为有限的选择。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。

科幻中的核能

在核时代的史前时期，敏锐的科幻作家们就已经感知到科学进步的脉搏，并把一些最新的成就写入了科幻小说中。

1908年，英国化学家弗里德里克·索迪（后获1921年诺贝尔化学奖）在《镭的介绍》一书中写道：“我们生活的宇宙不再是由于耗尽能量而慢慢冷却，而是拥有内在物质能量来激活自身的永生存在。”这种“内在物质能量”就是核能。英国著名科幻作家H. G．威尔斯读到这本书后，受其影响开始思考核战争的可能性。1914年，威尔斯在小说《获得自由的世界》里在1956年世界大战中的使用。1926年，雷金纳德·格罗索普发表科幻小说《太空孤儿》，第一次把原子能和炼金术联系在一起。这个想法与核电池的原理相去不远。因为放射性同位素会衰变成其他元素；而元素之间的转变，正是古代炼金术士梦寐以求的目标。设想了核武器

20世纪40年代，原子分裂的知识在学术界已不是秘密，1942年，阿西莫夫在短篇小说《笼头与马鞍》（后改名为《市长》）里设想，在文明倒退的星际世界里，原子能成了被知识阶层垄断的秘密，巫师一样的技术工人负责让核反应堆正常运行，普通百姓只能对其敬畏有加，顶礼膜拜。这篇小说后来被纳入《基地》系列的第一部中。

阿西莫夫的短篇小说集《我，机器人》，描绘了21世纪人类在机器人的协助下探索开发太阳系的故事。其中，给读者留下深刻印象的奇妙设想不但有“正电子脑”和机器人三定律，还有机器人的核动力。在《环舞》这个故事里，人类主人公“旋开身旁一个机器人胸前的挡板，向圆孔中塞进了一颗直径两英寸的圆珠，圆珠里装有小块的原子能燃料——这就是恢复机器人生命所需要的一切”。后来的行星际无人自动探测器确有不少使用核电源供能的，令人不得不钦佩科幻作家的预见性。

在现实世界中，就在阿西莫夫发表《市长》的同一年，物理学家费米成功地在芝加哥大学建造了第一座原子反应堆。1944年第一种弹道导弹V-2投入使用，1945年原子弹成为实用的武器；在和平领域，第一座核电站落成于1951年，第一颗人造地球卫星于1957年上天。这些一前一后相去不远的技术成就不但宣示着核时代和太空时代的接踵而至，也预示着核技术与太空技术紧密融合的前景。

太空核电池小史

核电池的原型诞生于1913年，当时英国物理学家亨利·莫斯利演示了β射线电池，利用放射性源释放的β射线在半导体中产生电子空穴对发电。1954年，美国无线电公司还开发出一种用于收音机和助听器的小型核电池。核电池太空应用的研究始于20世纪50年代后期。美国于1958年开始实施太空核能计划，最初处于保密状态，直至1959年1月16日，艾森豪威尔总统在白宫展示RTG时才对外公开。当时美国的太空核电源计划名为太空核动力辅助计划（SNAP），苏联的叫ORION。为解决“北极星”核潜艇的精确定位问题，美国在1961年发射了近地轨道导航卫星“子午仪-4A”，该卫星首次使用了RTG。该电池外形接近球体，直径约12.5厘米，重约两千克。虽然个头不大，但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，大大超过其设计寿命。

从1961年到2006年，美国已在26个航天器上使用了44块核电池，除一部分用于军方发射的导航、通信卫星上，其余都用于NASA发射的气象卫星、月面站、火星着陆器及行星际探测器上。

在月球的漫漫长夜（相当于14个地球日）里，月球表面温度可低至-170℃。这时，太阳能电池和常规电池都无法工作，核能成为最理想的选择。1969至1972年间，共有5块放射性同位素电池被“阿波罗”12、14、15、16、17号的宇航员带上月球，它们为月震仪、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。这些电池工作情况良好，大大超出原先设计的一年使用寿命。

1969年，苏联把重达756千克的“月球车”1号送上月球表面，它使用11千克的放射性同位素钋210作为燃料（可输出800瓦功率）来抵御月球黑夜的严寒。“月球车”1号设计寿命为3个月，实际工作了近一年时间，在月球表面行走了10.54公里。2004年1月着陆的“勇气”号和“机遇”号火星车虽然采用太阳能电池供电，但它们都装有8台钚238同位素加热器，以确保电子仪器和运行系统安全度过火星寒夜，使其维持在-55℃以上的工作温度。

四十年来，RTG已为许多太空任务提供动力，保持着良好的可靠性纪录。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、飞向冥王星的“新视野”号等，RTG也从未出现过故障。

中国的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，它以钋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（在反应堆内燃烧过的核燃料）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，该院研制出了我国第一块钚238同位素电池。

2013年，我国将发射“嫦娥”三号卫星对月球进行软着陆探测。2012年8月，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，中国月球车将配备原子能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，这样的原子能电池可以持续工作30年。

核电池的地面应用

长寿命、结构紧凑和免维护的优异性能使核电池的用武之地不仅仅局限在太空。高山、深海、南北极乃至人体中到处可以找到它的影踪。

过去，由于没有持久可靠的微型电池，只能把心脏起搏电源放在体外，但联结体外到体内的管线却成了感染的渠道。1970年，法国巴黎布鲁塞医院首次将放射性同位素心脏起搏器植入人体，并取得成功。这种起搏器所用的同位素电池以钚238为燃料，输出电功率为200微瓦，寿命可达10年。它的重量仅40克，体积也很小，长约5厘米，直径约2.3厘米。如换用产生同样功率同样寿命的化学电池，其重量几乎与成人的体重不相上下。

在深海中光线微弱，太阳能电池毫无作用，燃料电池和化学电池的寿命又太短，不易更换。在解决耐压和耐海水腐蚀问题后，RTG就是一种理想的水下电源。目前已有许多同位素电池在海底工作。同位素电池可作为海下声纳、信标、水下监听器、海底电缆中继站、通信增音器、深海应答器、海潮报警器、海底实验室以及各种海洋仪器的电源。

在地面和海面之上，放射性同位素电池同样可以替代其他能源发挥作用。南北极、远洋孤岛、高山、沙漠等条件恶劣、交通不便的地方都是RTG的用武之地。自20世纪60年代以来，有不少RTG作为自动无人气象站、浮标和灯塔、地震观察站、飞机导航雷达信标、微波通信中继站、核武器控制系统的电源投入使用。目前，仅俄罗斯的北极海岸地区就有386个以锶90供电的RTG运行，以确保导航设施供电。在这些场合，人与RTG接触的机会较多，因而电池需要很好的辐射屏蔽。

2009年，美国密苏里大学的研究人员制造出有史以来最小的核电池。这种微型核电池仅略大于1美分硬币，但能量是普通化学电池的100万倍，可作为微型机电系统的能源。该核电池的另一纪录是同位素半衰期很长，甚至可达到5000年。除了体积缩小之外，该研究团队还采用液态半导体技术以减少粒子高速移动放电时对芯片晶体结构的破坏，提高了电池的安全性。也许在不久的将来，手机、笔记本电脑等个人电子设备都将抛掉充电器，在全寿命期内根本不必充电。甚至，消费者购买一块核电池就可以代代相传使用。

太空核安全

虽然放射性蜘蛛的叮咬、“重水蒸气”和“维他射线”可以造就蜘蛛侠、闪电侠和美国队长这样的超级英雄，但现实中没人愿意承受一丁点儿辐射，哪怕是过量的X光照射都不行。因此，核电源的使用必须慎之又慎。

为了保证安全，需要对同位素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。

迄今为止，美国太空任务中使用的所有RTG都采用钚238为燃料，这是由于钚238能满足各种安全和运行的条件。钚238在衰变时只释放出具有微弱穿透性的α射线，它完全被吸收以产生热能，不需为这些α粒子设计特殊的放射性屏蔽。主要安全任务是将钚238密封并固定，避免人吸入和摄取后对器官和骨骼造成辐射。

美国早期太空核反应堆SNAP-10A在设计上就充分考虑了安全性。在发射前和进入最后处理轨道时，反应堆均不运行，处于“冷”状态。任务结束后，卫星被推送入1283×1307公里的最后处理轨道，从这个高度缓缓下降，接触大气层需要3000年时间，这远远超出大部分裂变产物衰变所需的300年时间。万一在发射时火箭出现故障，未曾使用的核燃料有重返大气层的风险，核反应堆的设计保证了它会被分解成小碎片，不会有明显的大剂量核泄漏事故发生。

美国曾发生三次太空核电源坠落地球的事故。其中，两次是人造卫星发射失败，一次是“阿波罗” 13号事故导致的放射性热源坠落太平洋（后被回收）。这些事故导致美国较少地将RTG用于近地太空任务。美国还规定使用RTG的太空发射任务需得到总统的批准。苏联也发生过几起太空核事故。1969年1月，苏联首次发射月球车就发生运载火箭事故，月球车内核电源的放射性物质释放到高层大气中。1978年，使用热电离反应堆转换器提供核能的“宇宙954”卫星坠毁于加拿大并使土地遭受核污染，苏联政府面对巨大外交压力只得做出赔偿。

NASA在执行“伽利略”木星探测任务前，由导弹飞行分析、化学工程、核工程及安全、热防护和吸入性毒物学等专业的50位科学家和工程人员组成了五个小组，评估“伽利略”号的核安全。他们计算各种发射失败情况的概率，分析飞行器重返大气层事故及其对核电池的影响，计算核燃料释放到大气层后的迁移特征、评估上述事故发生后对健康和环境的影响等。为了万无一失，安全评估工作可谓面面俱到。

“卡西尼”号土星探测器上的RTG密封系统曾经受过最周密的检查和试验。可被吸入肺中的放射性颗粒是核燃料中最危险的物质，所以烧结为耐热陶瓷形态的核燃料在制作时被粉碎成碎片，而不是蒸发成微小颗粒。“卡西尼”上有三台RTG，每台RTG的燃料被分别存放在18个独立隔舱中，每个舱都有自己的热屏障和防撞外壳。最后，采用多层保护材料（铱和石墨）形成保护壳将燃料舱包围起来。在试验中，RTG的外壳经受住了五次模拟返回而无破损。

1992年，联合国和平利用外层空间委员会通过了《外层空间使用核动力源原则》，以国际准则的形式指导和规范各国家研制、发射和使用太空核动力源的方法。

广阔前景

冷战结束后，美国不再生产钚238，此后核电池所用的钚238或使用库存或从俄罗斯进口。目前，其钚238存量已经很少，美众议院已同意2012年开始重新生产钚238，以减少对外依赖。不过，要生产新的钚238，至少需要五六年时间，而且平均年产量仅为1.5千克。

如何精打细算使用核燃料是核电池发展中的重要问题。目前的太空核电池几乎都是“静态热电型”温差发电器，热电转换效率较低。最近十几年，“动态型”同位素发电系统已进入工程设计和论证。动态换能体系先将热能转变成机械能，再把机械能转换成电能。

为改进热电转换效率，美国能源部还提出先进放射性同位素发电体系的开发计划。其中包括碱金属热电转换器和热-光生伏打转换器。前者借助液体金属离子将红外辐射转换成电能，后者使用镓-锑红外光电电池直接将同位素辐射热转换成电能。这几类工艺的转换效率比目前使用的RTG高出2～3倍。这一计划意味着将来在输出同样功率时，可以使用较少的放射性同位素燃料，并大大减少电池的重量。

1976年降落在火星上的“海盗”号探测器使用的RTG仅能提供90瓦的电能，而我们日常使用的台式计算机功率就有200瓦。本世纪30年代的载人火星任务将配备多种仪器设备，火星车、居住舱和实验室均应具备可靠、稳定的能源供应。RTG应该是排名靠前的候选者。为了提高通用性，标准化的核电池最好也能在其他型号的探测器、设备和陆地车中使用。

自1961年起，美国和苏联已经在太空中成功应用近百个RTG装置，累计使用时间有将近一千年之久，积累了大量运行数据。未来，核电池将向效率提升、单位质量输出功率更高的方向发展，它不但是人类向太阳系外围和宇宙深处进军的坚实保障，也将为我们的日常生活带来很多便利。

【责任编辑：杨枫】