空间放射性同位素电池发展回顾和新世纪应用前景

亨‘‘刀荃 第 卷 年 第 期 月 核 科 学 与 工 程 空 间放射性同位素电池发展 回顾 和新世纪应用 蔡善钮 , 何舜尧 中国原子能科学研究院同位素研究所 摘要 迄今为止 , 美俄两国已 向空间发射了 多台空 间核电源 包括同位素电池和反应堆 电源 。 重点 回顾了 世纪放射性同位素电池的研发历史和空间发射现状 概括介绍 了 目前放射性同位素温差发 电 器 业 已达到的技术水平和提高热电转换效率 的最近动 向 综述 了美 国 、 俄 罗斯和 欧洲航天局在 世纪初期 。。 使用 的空间和太阳系探索 , 展现了 的广阔应用前景 。 关键词 放射性同位素电池 放射性同位素温差发电器 热电转换器 中图分类号 文献标识码 文章编号 一 一 一 一 , , , , , , ’ 一 收稿 日期 一 一 修回 日期 一 一 作者简介 蔡善任 一 , 男 , 嘉兴人 , 研究员 级高级师 , 毕业于华东理工大学 引言 自 世纪 中期 以来 , 由于航天技术的起步 和发展 , 开阔了人类的视野 , 对了解太 阳系的形 成和演变过程 , 探索生命的起源 , 更深人地认识 地球及其周 围环境 , 乃至开发空间资源 , 推动整 个人类社会的发展产生 了深远影响 。 必须指出 的是航天技术 的进 步离不开对空 间能源 的需 求 。 所有进人太空 的飞行器 , 俗称“ 航天器 ” , 包 括人造地球卫星 、 载人宇宙飞船 、 行 星探测器 、 太空实验室 空间站 , 等等 , 无一不依赖于空间 电源 的有力保证 。 实施空 间探索用航天器需要安装多种多样 的科学仪器 以及 电子 、 照相 、 通讯等精 密装置 , 而且大多在地球大气层之外 的空 间进行 , 因而 对航天器的能源提出了相 当特殊 的要求 。 空间 能源不仅要确保这些仪器或装置能收集信息 , 并将其发送 回地球 , 而且还要考虑能源 自身的 质量和体积 。 此外 , 还要考虑到地球环境 的安 全问题 , 因为空间能源直接与航天器的发射 、返 回和其他飞行 活动 的危险性 紧密地联 系在一 起 。 放射性同位素电池 以下简称 同位素电池 的最理想燃料 是 。 由于它具有工作 寿命 长 、生存能力强 、 结构颇紧凑 、 安全有保障等特 点 , 可与太阳能电池 、化学 电池和燃料电池相媲 美 。 而成为一种性能 良好的空间电源 。 空间同位素电池发展 回顾 年 , 美 国制定 了 “ 空 间核 动力辅 助计 划 ” 简称 , 以便为军用导航卫星等空 间 应用提供动力 。 该计划以单数编号命名放射性 同位素温差发 电器 以双数编号命名核 反应堆 电源 。 年 , 美 国在地面试验基础上 向空间发射了载有 一 同位素电池 的导 航卫星 。 标志着 同位素电池首次在空间应用取 得成功 。 此后 , 美 国与苏联共发射了载有 多 台空间能源 包含同位素电池和反应堆 电源 的 航天器 。 美国同位素电池发射现状 至 世纪末美 国发射 了 艘航天器 , 携 带了 台 仁一 〕。 发射成功的有 艘 , 携 带了 台 见表 。 所用燃料在进行原 型试验 时使用 了 ‘ 半衰期为 , 以 后均采用 了 半衰期为 , 因为后者 具有 良好的辐射特性和物理特性 , 能满足空 间 辐射安全的要求 。 在成功发射的航天器 中有 艘为人造卫星 包括导航卫星 、气象卫星 、 通讯 卫星等 , 用于地球轨道飞行 艘为登月飞船 , 用于“ 阿波罗 ”计划 , 〕 艘为星球探测器 包 括 “ 先驱者 ” 、 “ 海盗 ” 、 “ 旅行者 ” 、 “ 伽利略 ” 、 “ 尤 里西 斯 ” 和 “ 克 西 尼 ” 号 , 用 于 外 层 行 星 探 测民 」。 上 述 发 射 不 包 括 “ 阿 波 罗一 号 ” 和 年 月 日发射的“ 火星探路者 ”分别携 带的放射性 同位素加热器 也未将 年 月 号携带核反应堆 一 的航天器 工作 后断路 , 至今停 留在 年的高轨道上 包括在内 。 另据美 国佛罗里达州立大学气象系 透露 , 在 还发射了 颗气象卫星 雨 云 一 珊 , 分别载有 台 一 , 这在 过去并未列人空间核 电源发射表 中 , 但在 年 已被 航天 日志所确认 。 发射失败 的航 天器共有 艘 , 都是 由其他原 因造成 的 。 它们 是“ 子午仪一 ”导航卫星 , “ 雨云 一 一 ”气象卫 星和 “ 阿波罗 一 号 ”登月飞船 。 俄 罗斯同位素电池发射现状 苏联在 世纪 年代也开始了自己的空 间核电源计划 , 但是采取 的技术路线与美国有 所不 同 。 年在空 间首次使用 了 同位 素电池 , 作为军事通讯卫星 “ 宇宙一 ”和“ 宇宙 , , 的星载设备 。 年 和 年又使用 了 具有 功率的 ‘。 。 加热器 , 作为“ 月球车 号 ”和 “ 月球车 一 号 ”的加热部件仁 〕。 之后 , 苏 联在空间未使用 。 供雷达海洋侦察卫星 的空 间电源均使用 了温差 电转换 的快 中子 反 应 堆 电源 “ ” , 电功率为 一 。 年发射 的“ 宇宙一 ”和 “ 宇 宙一 ”侦察卫星采用 了先进的热离子转换 的 热中子反应堆电源 “ 一 ”川 , 输 出电功率 为 , 寿命限于 一 , 已成功通过了飞行 试验 。 目前正在研 制第 四代空 间反 应堆 电源 “ 一 ,, 。 表 世纪美国发射的空 间核 电源 航天器名称 发射使命 空 间 电源 型号 、 台数 热源燃料 初始 电功率 设计寿 台 装量 命 发射 日期 现 状 子午仪一 导航卫星 一 子午仪一 导航卫星 一 金属 金属 一 一 在轨 道 上 , 运 行 一 一 子午仪一 一 导航卫星 一 “ 金属 一 一 一 断路 在轨 道 上 , 按 计 戈吐运行 子午仪一 一 导航卫星 一 “ 金属 一 一 仁卜卜子午仪一 一 导航卫星 一 金属 子午仪 一 导航卫星 一 “ 一 陶瓷 空军卫星 一 反应堆 一 一 一 一 一 一 在轨 道 上 , 丁 运 行 超过 发射失败 热源返 回时 在印度洋上空烧毁 在轨道上 工作 后 关 闭 , 升 至 年轨道上 雨 云 一 气象卫星 一 一 发 射 失 败 一 , 热源 回收 势卜 雨 云 一 气象卫星 一 一 在轨道上 雨 云 一 气象卫星 一 “ 。微球 一 微球 一 “ 一 , 陶瓷 一 “ 召 一 , 陶瓷 一 “ 一 陶瓷 一 “ 一 陶瓷 “ 一 。 燃料棒 一 一 一 一 在轨道上 雨云 一 气象卫星 在轨道上 卜 雨云 一 气象卫星 一 一 在轨道上 雨 云 一 气象卫星 在轨道上 号 通讯卫星 一 一 一 一 在轨道上 导 号 通讯卫星 “ 一 燃料棒 一 一 在轨道上 刀卜夕卜 阿波罗一 号 人类首次登月 同 位 素 加 热 器 微球 热 一 一 留在月面 阿波罗 一 号 月面试验站 一 微球 一 一 留在 月 面 , 后试验 站关闭 阿波罗 一 号 月 面试验站 , 微球 一 一 发射失败 热源坠落太 平洋后 回收 阿波罗 一 号 月面试验站 一 微球 一 一 留在月 面 , 试验站 已 关 闭 阿波罗 一巧 号 月面试验站 一 微球 一 一 留在月面 , 试验站 已关 闭 阿波罗 一 号 月面试验站 一 微球 一 一 留在月 面 , 试验站 已关 闭 续表 航天器名称 发射使命 空 间电源 型号 、 台数 热源燃料 初始电功率 设计寿 台 装量 命 发射 日期 现 状 阿波罗 一 号 月面试验站 一 微球 一 一 留在月面 , 试验站 已关 闭 先驱者一 号 木星探测器 一 一 陶瓷 一 一 一 一 飞越木 星 , 现已脱离太阳系 先驱者一 号 木星探测器 一 陶瓷 一 一 一 一 飞越木 星 , 接近土 星 海盗 一 号 火星软着陆 ” 一 陶瓷 一 一 一 一 登上火星 海盗 一 号 火星软着陆 一 陶瓷 一 一 一 一 登上火星 旅行者 一 号 外行星探测 一 燃料棒 一 一 旅行者一 号 外行 星探测 一 燃料棒 一 飞越木星 一 一 接近土 星 一 一 抵天王星 一 一 接 近 海 王 星 一 飞越木星 一 到土 星运行 伽利略号 木星探测器 陶瓷片 一 一 成 功 地 环 绕木星运行 尤里西斯号 太阳极区探测 陶瓷片 先 后 进 人 太阳南 、 北极 区 尤里西斯号 火星登陆器 “ 陶瓷片 热 台 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 成 功 地 在 火星登陆 克西尼号 土星登陆器 陶瓷片 飞 越 木 星 , 一 进 人 土 星轨 道 , 一 一 飞行结束 俄罗斯为了完成对火星进行综合研究的国 际“ 火星 一 ”计划 , 发展空 间 显然具有现 实性 , 因而又再一次受 到重视 。 年 月 日俄罗斯 发射 的 “ 火星一 ” 飞船 , 使用 了 台 电池 。 在 世纪末 总计 为 次载有 核 电源的发射 中 见表 , 有 颗卫星坠毁 宇 宙一 、 、 、 , 此外 , “ 火星一 ”飞船 于 年 月 日坠落在南太平 洋海域 。 尽管“ 火 星一 ”发射未取 得成 功 , 但 以 此 为起 点 , 他们研究了供“ 小型 自动观察站 ” 由轨道飞 行器发射至火星表面 设备加热用 的“ 天使号 ” 热源 热功率 和供仪器运 转 以及处理和发送信息用 的 电功率 和 。 这对今后 的深空 间探测计 划来说 , 无疑地具有重要意义 , 表明俄罗斯 已完 成了作 为空 间 目的使用 一 的开 发 工 作 。 制造的飞行样品可满足国家和国际的辐射 安全要求 。 表 世纪俄罗斯发射的空 间核 电源 航天器名称 核电源名称 能源数量 发射使用 发射时间 现状 一 军事通讯 一 一 在轨道上 一 军事通讯 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 发射失败 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 尹 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 发射失败 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 一 一 于 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 , 盆 在轨道上 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 发射失败 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 一 艺 一 一 在轨道上 一 一 一 在轨道上 续表 航天器名称 核电源名称 能源数量 发射使用 发射时间 现状 一 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 反应堆 〕 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 俄罗 斯 〕 火星飞行 一 一 在轨道上 在轨道上 在轨道上 在轨道上 在轨道上 发射失败 在轨道上 发射失败 指富集度“ 。 为雷达海洋侦察卫星 , 大多采用一种 空间电源 快中子反应堆温差 电转换系统 , 电功率为 一 。 是一种热离子反应堆电源 采用热 中子堆 , 以氢化错作慢化剂 , 钠 一钾液态金属传热 , 电功率为 。 中国同位素电池研究现状 我国原型 同位素电池采用的是 电池 , 于 年 月 日点燃 总活度为 。 产生热能 , 输 出电功率 , 热 电转 换效率达到 , 并进行 了模拟空 间应用 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 原料的逐渐积累 , 为今后 开发 电池提供了物质基础 。 国外同位素电池技术水平 目前 , 放射性 同位素温差发 电器 的设计 与 制造在美国 已 日臻完善 。 热电转换效率由早期 的 上升到 , 电功率 由开始应用时的 提高到近 级水平 , 比功率也 由 增加至 。 多年航 天器 的飞行证 明 , 由于不需要外部能源 , 在服务期 内能 全部 自给 , 成为现有电池 中寿命最长 、最为可靠 的空间能源 。 例如 , 艘 “ 先驱者 ”飞船运行 已 超过 。 还计 划将 扩大 “ 旅 行者 ” 飞 船的任务 , 估计能坚持 。 在 以往飞行 的极 端环境条件下 , 尽管遇到了如木星周 围的 高辐射带 、 月球上 的极端温度和火星上 的严重 尘暴 , 仍能正常工作 。 对于深空 间探测 , 由于光 注量率急剧下降 如木星光注量率为地球 的 , 天王星的为 。。 , 排除 了应用太 阳能 电 池 的可能性 , 使 同位素电池成为惟一可 以依赖 的能源 。 空 间同位素电池改进 目标 提高热电转换效率一直是空间同位素电池 追求的 目标 。 在 世纪实际应用 的空间 同位 素电池几乎都是 “ 静态热 电型 ”温差发 电器 , 热 电转换效率低是一个重大缺憾 。 最近 十来年 , “ 动态型 ” 同位 素发 电系统 已进人工程 单元的设计和论证 。 这种动态换能体系是将热 能先转变成机械能 , 再 由机械能转换成 电能的 一种循环动力系统 。 研究得较多的是布雷顿循 环 和斯 特林循 环 。 此 外 , 为 了改进热电转换效率 , 美 国能源部还提 出了 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 热一光生伏打转换器 。 前者借助液体金 属离子将红外辐射转换成 电能 , 后者使用稼 一 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 高出 一 倍 。 这一计划的实施意味着未 来 的空 间能源在输出同样功率时 , 可 以使用较 少 的放射性 同位素原料用量 , 并大大减少电池 的重量 。 为了保证核电源在空间使用 的安全性和可 靠性 , 保护地球生物圈并使居 民免受辐射危害 , 联合国于 年 月审议并通过 了《外层空 间使用核动力源原则 草案 , 成为指导和 世界各航天 国家研制 、 发射和使用空 间核动力 源的国际准则 。 空 间同位素电池应用前景 新世 纪来 临 , 美 国 、 俄 罗 斯 和 欧洲航 天 局 都各 自制定 了空 间 开发和应用计 划 , 并且对 国际间的交流合作表现出 了强烈愿 望 。 , 世界各空 间大国对今后空间和 太阳系探索的具体 目标如下比 , 〕。 火星综合研究计划将继续 火星是 目前除地球 以外最有可能存在生命 的星球 , 也是 多年来人们一直关注 的星球 。 自 年人类开始对火星进行探测 以来 , 美俄两 国共进行 了 次太空 飞行 , 其 中 次遭遇失 败 , 次未能完成全部计划 。 世纪初 , 美 国和 俄罗斯将联合进行火星探测 , 轨道飞行器研制 和全套科学仪器 由美 国负责 火星漫游车 的制 造及部分仪器设备 使用 同位素加热器和 一 的 由俄 罗斯负责 。 年 月 日 , 美 国 航 空 航 天 局 命名 的 “ 奥 德赛 ” 火星探 测 器 发射 升 空 , 任务是找水 , 以确定火星是否有生命迹 象 。 年 月欧洲航天局 向火星首次发射 了“ 火 星快车 ”飞船 , 经过半年 的飞行 , 搭载的火星探 测器 “ 猎兔犬一 号 ”于 同年 月 日成功地登 上火 星 , 但 不 久 信 号 中断 。 一 。 一 一 。 美国航空航天局研制的 艘轨道太空船先后升 空 , 搭载 的 “ 勇气 号 ” 和 “ 机遇 号 ” 火 星探 测 器 分 别 于 一 一 登陆火星 , 其任务是对火星土壤及岩石进行 取样分析 , 研究有 无水分存在 。 艘探测器现 已开始在火 星上 漫步 , 传 回 了大 量火 星 照 片 。 据报道 , 在 艘探测器上均装有 台“ 同位 素加热器 台 , 以确保登陆后 的电子仪器 和运行系统安全度过火星夜 晚 一 ℃ , 使 其维持在 一 ℃以上 的工作温度 。 另外 , 年还将实施第二次火星考察计划 。 另据报道 , 日本的 “ 希望 ”号火星探测器在 年升空 , 原讨 一 划在 年到达火星 , 现 因 燃料问题将延后 年 。 太阳探测计划将再次进行 美俄两国将于 年分别发射宇宙飞船 , 到 年时可接近 个太 阳半径位置 。 计划 将对太阳风生长和加速 、 日冕热及太 阳极冠 内 部的波扰动进行测定 , 首次近距离观察太阳极 区 。 太 阳探测器质量为 , 利用 供 电 美国飞船上使用 一 , 俄 国飞船上 使用总电能为 一 的 。 首飞太阳 系边界 —冥王星冥王星是 世纪太阳系探测 中 , 惟一未被 宇宙飞船访问过的一颗行星 。 由于冥王星尺寸 很小 赤道直径 约 , 质量仅 为地球 的 倍 , 距离地球 又遥远 , 对其进行研究 , 是天文学家面临的新的挑战 。 为了探索冥王星 及其外 围柯伊伯带 天体 , 测定冥王 星 及其卫星 “ 查龙 ” 的表面土壤 构成及 冥王星的大气层组成 , 美 国将 于 年 月 发射“ 冥王星一 柯伊伯快车 ”号宇宙飞船 , 预计 年到达 。 飞船质 量 约 , 要求 在 年后仍能产生 的电能 。 向木星卫星发射轨道飞行器 美国定于 年发射欧罗 巴 轨 道飞行器 , 将于 年围绕 由冰层覆盖的木星 的卫星 木卫二 飞行 , 以寻找地表水和冰层下 的海洋 , 并为将来 的探测器辨认登陆位置 。 重返月球并建立月球基地 在人类登月的 年后 , 美国航空航天局开 始考虑重返月球 , 因为在月球上放置仪器便于 人类更好地观察宇宙 。 中国 、 日本和 印度都先 后宣布了登月计划 。 欧洲航天局 打算在 年建立长期工作 的月球站 。 世纪探测表 明 , 月球南极 的陨石坑下埋藏有冰层 , 可 为人类提 供水 、 氧气和燃料 月球上还贮存有丰富的 核燃料 此外 , 月球 本 身就是一个 广 义 的空 间 站 , 可为人类在地球 以外 星球生活和工作提供 一处试验场所 。 由此引发了国际重返月球和开 发月球 的热潮 。 对彗星进行广泛科学考察 继早 年观察 哈雷慧星 的 “ 乔托 ”号探 测器发射之后 , 和 共 同制定 了 “ 罗 塞塔 彗 星 彗 核 取 样 计 划 ” 。 不 久 , 由 于 的预算 紧缩 , 取消了合作 , 决定继 续实施该计划 , 仍 向彗星彗核释放一 台着陆器 , 但是不再取样返 回地球 , 而是就地研 究彗核 。 重 , 装有太 阳能发 电器 和 加热器 。 原计划 年 月升空 。 后 因阿里安一 型火箭发射失败 而错过造访 彗星 的 良机 。 罗 塞塔探测 器 直 到 年 月 日才从法属圭亚那 的库鲁航天中心升 空 , 踏上了彗星之旅 , 并将 目标改为对准丘 留英 夫 一格拉西缅科 一 彗 星 , 这项任务将在 年 月结束 。 结束语 回顾 世 纪 , 由于 的开发 , 推动 了 空间技术的发展 。 在 世纪 , 它也必将继续在 大规模的空间和太阳系探索计划中发挥更大作 用 。 可以预想今后 年的太空计划将 比 世 纪 年代更加雄伟壮观 , 激动人心 。 人类遨游 太阳系的梦想有望在新世纪成为现实 。 参考文献 〕 ” 〕 一 , , 口 蔡善饪 空 间 同位素发 电体系的应 用现状与展 望 」 核科学与工程 , , , 仁 〕 , , 〕 」 一 , 〔 〕 , , 〔〕 , , , 」 蔡善钮 在飞 向外太空 的征途上 」 现代化 , , 〕 蔡善钮 飞 向木 星 的伽利 略 号 〕现代化 , , 〕 , 仁 」 ‘ , , 〕 吕延 晓 , 蔡 善钮 空 间核 电 源 研 究 〕 。。 北京 核科技情报所 , 〔 〕 一 , 」 一 , , , 上接第 页 , 〔 〕 , 帕坦卡 传热与流体流动的数值方法 〔 〕合肥 安 徽科学技术出版社 , 一 , , 国际原子能机构 当代压水堆核 电站发展新趋势 —先进压水堆设计述评 一 《〕 一 〕 北 京 机械工业 出版社 , ﹁刁」门了曰︺﹄厂厂厂 「〕 改进型船用堆 的概念设计 」日本原 子能研究 所核动力船舶研究开发室 仁 」 , 一 〔〕 , , 〔〕 , 一 一