世界最高水平嫦娥三号探测器采用核动力推进

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世界最高水平嫦娥三号探测器采用核动力推进

这是嫦娥三号月球探测器,包括着陆器和巡视器,是我国研制的首次在外天体实施软着陆的航天器。(图片来源:新华社)

我国嫦娥三号月球探测器发射在即,为了能够在月球上过夜;嫦娥三号需要长时间经受严寒带来的极大挑战。为了突破这一难关,我国嫦娥三号,将携带核能电池(是一种核动力装置)飞天。如能成功,就将使我国成为继美俄之后,成为世界上第三个将核动力应用于太空探测的国家。

那么,什么是核能电池?其作用是什么?世界上,对核电池研究、使用情况如何?我国嫦娥三号月球探测器,为什么需要安装核电池?

核能不仅是核裂变产生的,核衰变也产生核能

提起核能、核动力,人们也许马上连想起核电站、核潜艇;马上与核反应堆等“大家伙”联系在一起。其实这是一种误解。

目前广泛采用核动力是利用可控核裂变反应来获取能量,从而得到动力,热量和电能。利用可控核裂变反应来获取能量的原理是:当裂变材料(例如铀-235)在受人为控制的条件下发生核裂变时,核能就会以热的形式被释放出来,这些热量会被用来驱动蒸汽机,直接提供动力,也可以连接发电机来产生电能。核能每年为人类提供所需能量的7%,或所需电能中的15.7%。

但是核能、核动力不仅是靠核反应堆进行的核裂变反应产生能量这一种。核衰变反应也能放出的能量。核电池就是基于核衰变反应做成的。核衰变反应远不如裂变那么剧烈(不加控制的裂变就是核爆炸),释放能量也远不如裂变那么巨大。但衰变释放的能量也不容忽视。如钚238衰变时,表面温度可以达到五六百摄氏度,足以让钚金属块呈现出炽热的红色。

在日本福岛核事故中,抢险人员之所以要迅速重建被破坏的堆芯冷却系统,就是为了导出核燃料衰变产生的热量。否则,高温会熔解金属保护壳,导致严重核泄漏。

什么是核电池

核电池(又称原子能电池或放射性同位素发电装置)是指那些使用放射性同位素衰变时产生的能量转化为电力的装置。核电池也叫同位素电池。(注:同位素是指有相同质子数,不同中子数的原子。如氕与氘互为同位素。核素是指具有一定质子数的原子,是一种具体的原子,如氕或氘就是核素。同一元素的不同核素互为同位素。)

同理,同位素电池,就是利用同位素材料衰变过程中产生的能量放出的热量,进行热电转化。其装置名称RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator)是“放射性同位素热电发电机”这个词的缩写。

核电池是通过半导体换能器,将鈈238、鈾238(放射性同位素)衰变过程中,释放出射线(放出载能粒子α、β和γ粒子射线)的热能,转变为电能。目前,核电池已成功地用作航天器的电源。(还用于医学心脏起搏器和一些特殊的军事用途方面)。2012年8月7日,美国发射的好奇号火星车,顺利抵达火星,其所用的核电池寿命长达14年。

核电池的类型和属性

按提供的电压的高低,核电池可分为高压型(几百至几千V)和低压型(几十mV—1V 左右)两类;按能量转换机制,它可分为九类之多(直接转换式和间接转换式。更具体地讲,包括直接充电式核电池、气体电离式核电池、辐射伏特效应能量转换核电池、荧光体光电式核电池、热致光电式核电池、温差式核电池、热离子发射式核电池、电磁辐射能量转换核电池和热机转换核电池等)。目前应用最广泛的是温差式核电池和热机转换核电池。核电池取得实质性进展始于20世纪50年代,由于其具有体积小、重量轻和寿命长的特点,而且其能量大小、速度不受外界环境的温度、化学反应、压力、电磁场等影响,因此,它可以在很大的温度范围和恶劣的环境中工作。据了解,当放射性物质衰变时,能够释放出带电粒子,如果正确利用的话,能够产生电流。核电池有其稳定程度。通常不稳定(即具有放射性)的原子核会发生衰变现象,在放射出粒子及能量后可变得较为稳定。核电池正是利用放射性物质衰变会释放出能量的原理所制成的,此前已经有核电池应用于军事或者航空航天领域,但是电池体积往往很大。 过去在电池的研发过程中面临的重大难关之一,就是为了提高性能,电池大小往往比产品本身还大。

由美国密苏里大学计算机工程系教授权载完(音译)率领的研究组曾成功为“核电池”瘦身,所研发出的“核电池”体积小但电力强。他们做出的核电池大小只是略大于1美分硬币(直径1.95厘米,厚1.55毫米),但其输出能量远比一般化学电池为高,发出的电力高达普通化学电池的100万倍。电池的另一诱人之处是,核电池比起一般电池有很长的寿命,提供电能的同位素工作时间非常长,甚至可能达到5000年。在不久的将来,只需要一个硬币大小的核电池,就可以让你的手机不充电使用5000年。

在航天领域,在航天器上,核能往往就是以这种种“微型电池化”的方式被利用的。尤其在外太空行星探测领域中,由于空间探测器远离太阳,难以利用太阳能电池的能量,必须采用核电源。所以,核动力卫星在外行星探测中占据重要位置。

美国航天器使用核电池的历史

从上世纪中叶起,美国在“先驱者”10号、11号探测器,“旅行者”1号、2号探测器,木星和土星探测器中,都使用了同位素温差发电器作为电源。就是因为采用核电源,美国“旅行者1号”行星探测器,才创造了世界卫星远航史上的辉煌纪录。目前它是离地球最远(飞行约近200亿公里)和飞行速度最快的人造卫星。它用了36年的时间,飞行到了太阳系的边缘。

以钚238放射性同位素作热源的同位素温差发电器,曾用于美国“子午仪”号导航卫星(低轨道导航卫星系列。又称海军导航卫星系统,英文缩写为NNSS。主要功用是:为核潜艇和各类海面舰船等提供高精度断续的二维定位,用于海上石油勘探和海洋调查定位、陆地用户定位和大地测量等。从1960年4月到80年代初共发射30多颗。美国在1964年4月发射“子午仪”号导航卫星时,因发射失败卫星所携带的放射性同位素源被烧毁,钚238散布在大气层中并扩散至全球。后来改用特种石墨作同位素源外壳,以防烧毁。)、“林肯”号试验卫星(早在1965年,美国林肯号试验卫星上便使用钚238放射性同位素作热源的同位素温差发电器)和“雨云”号卫星(是美国第二代试验气象卫星系列。从1964年8月到1978年10月共发射了7颗。雨云号卫星的任务是试验新的气象观测仪器和探测方法。美国在1965年发射的一颗军用卫星中,用反应堆温差发电器作为电源。但由于电源调节器出现故障仅工作43天。1968年5月“雨云”号气象卫星发射失败时,核电源落入圣巴巴拉海峡,后被打捞上来。)。

前苏联航天器使用核电池的情况

另据了解,前苏联在1967~1982年期间,共发射了24颗核动力卫星,都属于海洋监视卫星。卫星带有以浓缩铀235为燃料的热离子反应堆,核能功率为5~10千瓦。不过核动力并不是用来驱动卫星,只是利用放射性元素衰变时放出的热量,通过热电偶产生电能给卫星上的设备供电。这些核动力卫星,多在200多公里的低轨道上工作,完成任务后核反应堆舱段与卫星体分离,并将小型火箭推到大约1000公里的轨道,可运行600年。

1978年1月24日,苏联“宇宙”954号核动力卫星发生故障,核反应堆舱段未能升高而自然陨落,未燃尽的带有放射性的卫星碎片散落在加拿大境内,造成严重污染。1983年1月“宇宙”1402号核动力卫星发生类似故障,核反应堆舱段在南大西洋上空再入大气层时完全烧毁。

随着后来美苏太空竞赛的冷却,人类探索深空的脚步放缓。由于在近地轨道,核电池的性价比不及太阳能电池,此外,目前全球钚238主要产自俄罗斯,燃料来源的局限也拖累了核电池的发展、应用。

美国第一辆采用核动力驱动的火星车但是,近年来,由于深空探测在航天大国的发展,核电池使用见多。比如美国宇航局的好奇(Curiosity)号火星探测器(“火星科学实验室”),它是一个受地面遥控的,有汽车大小的美国第四个火星探测器,也是人类建造的第一辆采用核动力驱动的火星车。美国“好奇号”火星探测器上,就搭载了六轮自重900千克的火星车,而火星车核动力装置。是一个重约45公斤,含4.8千克的钚-238,发电功率140瓦的核电池,至少可以保证对“好奇号”进行14年的核能系统。在这里,核能是以“微型化”的方式被利用的。

登陆火星的“好奇号”探测器,此刻正在遥远的红色土地上进行探测。对“非专业航天爱好者”来说,要从外形上区分“好奇号”和它的前辈、比如“勇气号”“机遇号”,其实远比想象来得简单:“好奇号”身上,那对早已被视为太空飞行器标志的“翅膀”:太阳能电池翼片消失了。收起惯常的“翅膀”,正是为了飞得更远。而且,随着人类不断走向深空,航天器对核能的依赖也会越来越大。中国在自主研发的核电池上迈出大步

月球在绕地球公转的同时进行自转,周期27.32166日,正好是一个恒星月,所以我们看不见月球背面。这种现象我们称“同步自转”,几乎是卫星世界的普遍规律。由于月球自转和公转都是28天,所以“月球夜”会长达14天(月球日即白昼也有14天)。由于月球昼夜要半个月交替一次,温差高达300℃,那里是零下150度到180度,太冷了,月球车上的所有的仪器全部要冻坏。普通电池无法应对。现在所使用的各种高级的蓄电池,什么锂电池、氢电池,各种各样的电池对我们来说都没有用。长时间经受极大温差对我国月球探测器是个极大挑战。迫使我们一定要想出新的办法,于是我们国家自己研制了原子能的电池,欧阳自远院士说,我国的月球车实际上在同时使用太阳能和核能作为能源。黑暗中的月面,温度骤降到零下100多摄氏度,为防止车载仪器被冻坏,休眠中的月球车就得靠核电池的能量来保温,并维持与地面的通讯。而一旦新一个白昼来临,太阳能电池就能重新驱动月球车工作。

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的镎237原料的逐渐积累,为后来开发钚238电池,提供了物质基础。

据欧阳自远院士介绍,近年来,我国在自主研发的核电池上迈出了大步。我国月球车搭载的核电池,是由中国原子能科学研究院牵头研发的。

从中国原子能科学研究院该院官方网站上,可以得知,从2004年开始,该院正式启动航天用同位素电池的研发;到2006年,研制出我国第一颗钚238同位素电池;2008年通过了专家组的鉴定。这颗电池的研制成功,填补了我国长期以来在该研究领域的空白,标志着我国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。

核电池的用武之地不仅仅局限于太空。在高山、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。

据原子能院的官网文章介绍,第一颗“国产”同位素电池的各项指标均超过了预期要求,研制全过程安全无误,功率为百毫瓦级。这将保证中国首次将核能用于航天器。据悉,为了保证着陆器的能源供应,嫦娥三号就是使用了这种原子能电池(RTG同位素电池)。

我国首次实用核电池将随“嫦娥三号”软着陆月球,并用于嫦娥三号的着陆器和月球车上。这种原子能电池可以连续工作30年。有了它,再不怕月球晚上温度骤降到零下150度到180度。完全可以确保探测器上仪器不至于被冻坏。为防止车载仪器被冻坏,夜间休眠中的月球车可以靠核电池放出来的热量保温。而一旦新一个白昼来临,太阳能电池就能替代核电池,重新驱动月球车工作。嫦娥三号比起好奇号,并不逊色!主要是从下面几点比较:

第一、嫦娥三号与好奇号都采用的核动力,虽然不知道好奇号是直接采用核动力转变成动能还是怎么的,但嫦娥三号采用的核动力电池,是目前核动力小型化的最高的成果。对比好奇号绝对不会逊色,而且嫦娥三号比好奇号体积小,动力装置可能也会更小。核能装置的对比无非就是看小型化程度。

第二、好奇号要能对抗登陆火星瞬间产生的高温,但嫦娥三号却要对抗月球表面几百摄氏度的温差。相比,嫦娥更了不起。对抗高温,对所有发射火箭的国家都面临这个问题。而且好奇号登陆火星时承受的温度相对不算高,飞船返回地球的温度比登陆火星时高的多。嫦娥却是非常了不起,对抗温差300摄氏度,对抗低温零下一百多摄氏度,这是中国的首创。在我国未来的深空探测计划中,比如火星、金星探测中,核电池会发挥越来越大的作用,核电池意义更是重大。在深空中,飞船能依靠的只有太阳能与核能。而且,随着飞船距离太阳越来越远,所受阳光照射越是微弱,太阳能电池板的发电能力就越低,就更需要应用核电源。以保证飞行器的能量供应

核电池不仅不受光照影响,而且对其他恶劣的外部环境,比如真空、极冷、极热、宇宙辐射等均不理会;核电池让飞行器对恶劣环境基本起到“免疫”作用。

此外核电源寿命长(工作时间长),性能可靠,能提供较大的功率。优点很多,应用前景广阔。

事实上,将于今年12月初,随“嫦娥三号”登月的我国首辆装载核动力装置的月球车如能顺利运行,将标志我国成为继美俄之后,第三个实现将核动力应用于太空探测的国家。

第三、嫦娥三号与好奇号降落方式都是软着陆,都是采用火箭发动机反推。这里不得不说美国对好奇号的机构设计更好,因为好奇号更重一些,而且火星的引力更大一些。不过这是反推火箭的问题。而且火箭的推力大小并不是大不了的问题,我们也能做的出来。

第四、是登陆星球不同,其实登陆月球和登陆火星的难度差别不大,对火箭的大小要求不高。只要达到第二宇宙速度,挣脱地球的束缚,然后关闭发动机,同时保持匀速飞行,都会实现。其实,达到第二宇宙速度的火箭中国早就有了。至于降落地点,对于好奇号、嫦娥三号来说,都是预先选好的,在火星还是在月球降落区别不大,都是地面人为遥控(我们已经有了自己的深空站、网。)。距离也不是问题了(嫦娥二号飞行距离已超过了去火星的路程)。

第五、据欧阳自远院士说,无论是美国的“好奇号”,还是中国的月球车,核电池中使用的燃料都是钚238。钚238的半衰期有80多年。这个时间足够长,使钚238能够支撑电池持续工作几十年。

虽然“国产”同位素电池的功率与“好奇号”电池的140瓦左右的功率还有距离,但只要研发成功第一颗国产同位素电池,就突破了同位素发电的主要技术难点。今后,如果要做大功率的,只需相应地增加核燃料钚238的使用量。

所以,嫦娥三号比起好奇号,应该不逊色!

核动力卫星用的核电源有两类

核动力卫星是使用核电源的人造卫星。由于核电源工作寿命长,性能可靠,能提供较大的功率。所以它与太阳电池电源相比,适应环境能力强;由于在卫星外部没有伸展开的大面积太阳电池翼,在低轨道飞行时大气阻力较小。在空间战中使用核电源能提高卫星的生存能力。所以,核电源适用于某些军用卫星和行星探测器。但是由于卫星坠毁时会对大气和地球造成污染,所以核电源的使用受到安全上的限制。

卫星用的核电源有两类:放射性同位素温差发电器和核反应堆电源。前者功率较小,为几十至几百瓦;后者功率较大,可达数千瓦至数十千瓦。据悉我国正在研制,并准备发射装载空间反应堆的核动力卫星。可能于2015年左右完成核动力卫星的地面试验,2020年,这种卫星的设计方案可基本确定,2025年中国将发射首颗由空间核反应堆提供动力的卫星,并进行在轨试验。

我国航天器采用核电池意义重大

对嫦娥三号来说,核电池中的钚金属块238它相当于一个热源。这一热源对将在月球环境下生存的嫦娥三号的保温作用是至关重要的。其释放出的热量及经过温差热电转换器的转换形成的电流,充分满足了嫦娥三号的能量需求。它的能力虽不足以让火箭升空,却可以用于小规模供电,支持嫦娥三号所带月球车低速移动;支持嫦娥三号所带设备正常工作;支持嫦娥三号与地球之间的通讯。

嫦娥三号比起好奇号,并不逊色!


据了解,当放射性物质衰变时,能够释放出带电粒子,如果正确利用的话,能够产生电流。核电池有其稳定程度。通常不稳定(即具有放射性)的原子核会发生衰变现象,在放射出粒子及能量后可变得较为稳定。核电池正是利用放射性物质衰变会释放出能量的原理所制成的,此前已经有核电池应用于军事或者航空航天领域,但是电池体积往往很大。 过去在电池的研发过程中面临的重大难关之一,就是为了提高性能,电池大小往往比产品本身还大。

由美国密苏里大学计算机工程系教授权载完(音译)率领的研究组曾成功为“核电池”瘦身,所研发出的“核电池”体积小但电力强。他们做出的核电池大小只是略大于1美分硬币(直径1.95厘米,厚1.55毫米),但其输出能量远比一般化学电池为高,发出的电力高达普通化学电池的100万倍。

中国在自主研发的核电池上迈出大步

月球在绕地球公转的同时进行自转,周期27.32166日,正好是一个恒星月,所以我们看不见月球背面。这种现象我们称“同步自转”,几乎是卫星世界的普遍规律。由于月球自转和公转都是28天,所以“月球夜”会长达14天(月球日即白昼也有14天)。由于月球昼夜要半个月交替一次,温差高达300℃,那里是零下150度到180度,太冷了,月球车上的所有的仪器全部要冻坏。普通电池无法应对。现在所使用的各种高级的蓄电池,什么锂电池、氢电池,各种各样的电池对我们来说都没有用。长时间经受极大温差对我国月球探测器是个极大挑战。迫使我们一定要想出新的办法,于是我们国家自己研制了原子能的电池,欧阳自远院士说,我国的月球车实际上在同时使用太阳能和核能作为能源。黑暗中的月面,温度骤降到零下100多摄氏度,为防止车载仪器被冻坏,休眠中的月球车就得靠核电池的能量来保温,并维持与地面的通讯。而一旦新一个白昼来临,太阳能电池就能重新驱动月球车工作。

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的镎237原料的逐渐积累,为后来开发钚238电池,提供了物质基础。

据欧阳自远院士介绍,近年来,我国在自主研发的核电池上迈出了大步。我国月球车搭载的核电池,是由中国原子能科学研究院牵头研发的。

从中国原子能科学研究院该院官方网站上,可以得知,从2004年开始,该院正式启动航天用同位素电池的研发;到2006年,研制出我国第一颗钚238同位素电池;2008年通过了专家组的鉴定。这颗电池的研制成功,填补了我国长期以来在该研究领域的空白,标志着我国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。

核电池的用武之地不仅仅局限于太空。在高山、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。

据原子能院的官网文章介绍,第一颗“国产”同位素电池的各项指标均超过了预期要求,研制全过程安全无误,功率为百毫瓦级。这将保证中国首次将核能用于航天器。据悉,为了保证着陆器的能源供应,嫦娥三号就是使用了这种原子能电池(RTG同位素电池)。


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