漫長(zhǎng)的月夜，加之近310℃的晝夜溫差，沒有空氣，人類要在月球上生存十分困難。能長(zhǎng)期進(jìn)行自動(dòng)觀察的儀器成為人類了解月球的“千里眼”。無疑，儀器的能源供給是件大事。

據(jù)媒體報(bào)道，去年年底發(fā)射的“嫦娥四號(hào)”同位素能源供給實(shí)現(xiàn)了新突破：采用同位素溫差發(fā)電與熱電利用相結(jié)合的供能方式。

這是一種什么樣的能源技術(shù)？有何獨(dú)到之處？科技日?qǐng)?bào)記者就此專訪了我國(guó)同位素能源專家、中國(guó)原子能科學(xué)研究院同位素研究所研究員蔡善鈺。

衰變能為太空探索提供自持能源

“同位素?zé)嵩春屯凰仉娫唇y(tǒng)稱為同位素能源。這類能源來自放射性同位素衰變時(shí)產(chǎn)生的‘衰變能’”。蔡善鈺告訴記者，衰變能與裂變能、聚變能，構(gòu)成了核能利用三大途經(jīng)。

與裂變能、聚變能相比，衰變能能量要小得多，但用于月球探測(cè)和深空探索卻有獨(dú)到之處：無需依靠外來能源，能長(zhǎng)期、自持、可靠地提供動(dòng)力，且對(duì)環(huán)境具有良好的適應(yīng)能力。

迄今為止，人類已發(fā)現(xiàn)118種元素，每一種元素有不同數(shù)量同位素，其中穩(wěn)定同位素276種，放射性同位素3000余種。

但蔡善鈺說，若按照具有較長(zhǎng)半衰期、較高功率密度、較輕屏蔽質(zhì)量、較小生物毒性和較低生產(chǎn)成本等原則進(jìn)行篩選，可作為能源燃料的放射性同位素不過十余種。根據(jù)衰變特性，同位素?zé)嵩创笾驴煞殖搔?、β和γ熱源三類?/p>

α熱源的最大特點(diǎn)是所需的屏蔽材料質(zhì)量小，可大大降低火箭發(fā)射費(fèi)用，最適合空間應(yīng)用。20世紀(jì)發(fā)射至太空的同位素能源，燃料大多選用釙-210和钚-238，后者占絕大多數(shù)。

“釙-210比功率高,但半衰期短，適用于示范裝置或短期航天任務(wù)；钚-238比功率較低，但半衰期長(zhǎng)，可用于長(zhǎng)期航天任務(wù)。”蔡善鈺解釋。

同位素?zé)嵩闯稍虑蛏蟽x器的“暖寶寶”

放射性同位素的衰變能可轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋崮芎碗娔堋?/p>

蔡善鈺告訴記者，放射性同位素衰變時(shí)發(fā)射的高速帶電粒子與物質(zhì)相互作用，當(dāng)動(dòng)能被阻止或吸收后，周圍物質(zhì)如包裹放射性同位素的容器溫度會(huì)升高，衰變能即轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

同位素?zé)嵩磧?nèi)部為同位素燃料做成的源芯，外部為密封源芯的燃料盒，可直接被應(yīng)用。如蘇聯(lián)先后發(fā)射的“月球車-1 號(hào)”“月球車-2號(hào)”均安置有800瓦釙-210熱源，專門為月面觀察儀器建立恒溫環(huán)境；美國(guó)早期發(fā)射的月面科學(xué)試驗(yàn)站使用了2臺(tái)15瓦钚-238熱源，供月震儀保溫用。

我國(guó)于2013年發(fā)射的“嫦娥三號(hào)”月球探測(cè)器，在著陸器和月球車內(nèi)均安置有钚-238，以確保儀器倉(cāng)內(nèi)溫暖如春，搭載的儀器安然度過月夜。一旦陽光照射，儀器借助太陽能電池，重新活躍起來。

蔡善鈺告訴記者，與同位素?zé)嵩聪啾?，同位素電源還需要直接或間接地通過熱電轉(zhuǎn)換器（換能器），進(jìn)一步將同位素衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。正因如此，同位素電池除了同位素?zé)嵩?，還包括換能器。目前在空間應(yīng)用最成熟且已實(shí)用化的換能器，為同位素溫差發(fā)電器，其優(yōu)點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件、發(fā)電安全可靠，但熱電轉(zhuǎn)換效率只有4%—8%。作為換能器的一種，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換可提高熱電轉(zhuǎn)換效率，但因?yàn)橛羞\(yùn)動(dòng)部件，制造難度大。

“可以預(yù)計(jì)，我國(guó)日益豐富的航天活動(dòng)必將對(duì)空間核電源提出更多需求，空間核電源的研制成果也將為我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展提供更廣闊空間?！辈躺柒曉谡雇凰啬茉辞熬皶r(shí)說。

我國(guó)第一個(gè)钚－238同位素電池已在中國(guó)原子能科學(xué)研究院誕生了，同位素電池的研制成功填補(bǔ)了我國(guó)長(zhǎng)期以來在該研究領(lǐng)域的空白，標(biāo)志著我國(guó)在核電源系統(tǒng)研究上邁出了重要的一步。

同位素電池是利用放射性同位素衰變過程釋放的熱能，通過熱電偶轉(zhuǎn)換成電能，具有尺寸小、重量輕、性能穩(wěn)定可靠、工作壽命長(zhǎng)、環(huán)境耐受性好等特點(diǎn)，能為空間及各種特殊、惡劣環(huán)境條件下的高空、地面、海上和海底的自動(dòng)觀察站或信號(hào)站等提供能源。同位素電池在美、俄等國(guó)已實(shí)際應(yīng)用，用于航天器的能源供應(yīng)。

隨著我國(guó)空間探測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展（包括“登月計(jì)劃”的啟動(dòng)）以及未來深空探測(cè)的需求，為我國(guó)航天器提供穩(wěn)定、持久的能源已提到議事日程上來，作為迄今為止航天器儀器、設(shè)備最理想供電來源的同位素電池成為航天技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志，掌握同位素電池制備的一系列關(guān)鍵技術(shù)并具備自主研制生產(chǎn)能力顯得尤為重要。

2004年，原子能院同位素所承擔(dān)了“百毫瓦級(jí)钚－238同位素電池研制”任務(wù)，在兩年時(shí)間里要完成總體設(shè)計(jì)和一系列相關(guān)工藝研究，研制出樣品。

同位素所和協(xié)作單位并按制定的研究方案開展了大量的模擬實(shí)驗(yàn)、示蹤實(shí)驗(yàn)、熱實(shí)驗(yàn)等工作。最終檢測(cè)表明電池性能完全達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求，輻射防護(hù)檢測(cè)的各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)家安全要求。中國(guó)第一個(gè)钚－238同位素電池誕生了。

我國(guó)第一個(gè)钚－238同位素電池的研制成功是我國(guó)在核電源系統(tǒng)研究領(lǐng)域的重大突破，為繼續(xù)探索、開發(fā)空間能源打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

同位素電源是什么

“放射性同位素電池”簡(jiǎn)稱同位素電池（Nuclear battery 或Atomic battery)。由放射性同位素的衰變能轉(zhuǎn)換為電能的機(jī)制有十幾種，如“放射性同位素溫差發(fā)電器(Radioisotope thermoelectric generator,簡(jiǎn)稱RTG)、“輻射伏特效應(yīng)”、“衰變耦合磁共振”、“往復(fù)式震蕩懸臂梁”、“熱離子發(fā)射”、“衰變能-光能-電能”等。

放射性同位素溫差發(fā)電器是美國(guó)科學(xué)家于1956年元月16日研制成功，是第一個(gè)成功的同位素電池。立即用于美國(guó)各種航天器載設(shè)備的供電，減輕發(fā)射重量、確保設(shè)備連續(xù)工作，是美國(guó)航天居于領(lǐng)先地位的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品。這種溫差發(fā)電器是由一些性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，如碲化鉍、碲化鉛、鍺硅合金和硒族化合物等，把許多材料串聯(lián)起來組成。另外還得有一個(gè)合適的熱源和換能器，在熱源和換能器之間形成溫差才可發(fā)電。

放射性同位素電池的熱源是放射性同位素。它們?cè)谕懽冞^程中會(huì)不斷以具有熱能的射線的形式，向外放出比一般物質(zhì)大得多的能量。這種很大的能量有兩個(gè)令人喜愛的特點(diǎn)。一是蛻變時(shí)放出的能量大小、速度，不受外界環(huán)境中的溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場(chǎng)的影響，因此，核電池以抗干擾性強(qiáng)和工作準(zhǔn)確可靠而著稱。另一個(gè)特點(diǎn)是蛻變時(shí)間很長(zhǎng)，這決定了放射性同位素電池可長(zhǎng)期使用。放射性同位素電池采用的放射性同位素來主要有鍶－90（Sr－90，半衰期為28年）、钚－238（Pu－238，半衰期 89.6年）、釙－210（Po-210半衰期為138.4天）等長(zhǎng)半衰期的同位素。將它制成圓柱形電池。燃料放在電池中心，周圍用熱電元件包覆，放射性同位素發(fā)射高能量的α射線，在熱電元件中將熱量轉(zhuǎn)化成電流。

放射性同位素電池的核心是換能器。目前常用的換能器叫靜態(tài)熱電換能器，它利用熱電偶的原理在不同的金屬中產(chǎn)生電位差，從而發(fā)電。它的優(yōu)點(diǎn)是可以做得很小，只是效率頗低，目前熱利用率只有10%～20%，大部分熱能被浪費(fèi)掉。

在外形上，放射性同位素電池雖有多種形狀，但最外部分都由合金制成，起保護(hù)電池和散熱的作用；次外層是輻射屏蔽層，防止輻射線泄漏出來；第三層就是換能器了，在這里熱能被轉(zhuǎn)換成電能；最后是電池的心臟部分，放射性同位素原子在這里不斷地發(fā)生衰變并放出熱量。

來源：科技日?qǐng)?bào)，有刪改