太空核能装置 这个可以有

科技频道来源：北京日报 2017年11月29日 11:14 A-A+
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　　据新华社日前消息，俄罗斯国家航天公司发起研制用激光给在轨卫星充电的“轨道核电站”，遭到质疑。而事实上，在太空中核能已经得到了广泛的应用，并有望在未来成为太空探测的核心动力来源。

　　化学能、太阳能 都有局限性

　　无论是载着宇航员遨游太空的载人飞船，还是各类卫星、探测器等无人飞行器，都装配了不少电子设备，稳定而充足的电能供应是航天器正常工作的基本条件。

　　早期的航天器，大都使用化学电池作为电能来源。这些化学电池的基本原理和我们日常生活中使用的干电池、手机电池等基本一致，能够持续供电的时间不长。当电池的电能耗尽时，由于无处充电，航天器便不得不停止工作。我国的“东方红一号”卫星仅在太空中工作了28天，就是受到了电池电量的限制。

　　现如今的航天器，在轨道上工作时大都会伸展出一个形似翅膀的装置。比如我们熟知的神舟飞船，在尾部的推进舱上就有一对这样的“翅膀”。航天器的这个“翅膀”是太阳能电池帆板，它的作用不是用来飞行，而是用来将太阳能转化成电能。随着太阳能技术的不断进步，太阳能帆板的供电效率越来越高，已经成为了在地球附近工作的航天器的主要电能来源。虽然太阳能取之不尽、用之不竭，但如果要像飞掠冥王星的“新视野”号和飞出太阳系的“旅行者”号那样出一趟太空远门，太阳能就不足以支撑航天器工作了。随着与太阳距离的增加，太阳光将越来越弱，太阳能帆板产生的电能也会越来越少。

　　其实，太阳发出光和热所需的能量，都来自于太阳内部的核反应。目前，人类已经掌握了利用核反应发电的技术，建立了不少核电站，将核能转换为我们日常生活中所需的电能。在太空中，核能同样已经得到了广泛的应用，并有望在未来成为太空探测的核心动力来源。

　　同位素热电池 深空探测的主流电源

　　航天器对电源的要求，除了能提供稳定的供电外，还要求它体积小、重量轻，能够在较长的时间内可靠工作，不出故障。为了实现这一要求，美国和苏联分别选择了两条不同的技术路线：当时，苏联人将地面核电站使用的核反应堆小型化，装上了卫星，功能强悍。而美国人则更偏爱安全可靠、结构简单的同位素热电池。

　　同位素热电池的原理并不复杂，其基本构造和一个煤炉相似。同位素热电池一般是圆柱状，圆柱中间是核燃料，能够通过自发的衰变反应产生热量，像是一块块正在燃烧的蜂窝煤。而同位素热电池之所以能够将核燃料放出的热转换成电能，是因为包裹核燃料的电池外壁不一般。这种被称为“热电偶”的外壁装置，由一些特殊的半导体材料制成。当热电偶两侧的温度不一样时，它就能向外发电，将热能转换为电能。这种由温差产生电压的现象被称为“塞贝克效应”，是以发现它的德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克命名的。随着核燃料的衰变持续进行，同位素热电池内部和外部的温差就能持续存在，从而能通过热电偶产生稳定的电能。

　　自然界中，能够产生自发衰变的同位素有很多，究竟选择哪一种来当作同位素热电池的核燃料也有着一些讲究。第一，这种元素的衰变速度不能太快。衰变太快的元素，在短时间内就会将自己的能量大部分释放，不能长期支持航天器工作。第二，单位质量的核燃料产生的能量必须足够多，这样航天器只需携带少量核燃料就能满足需要，从而可以将更多的重量用来搭载执行任务的有效载荷。第三，核燃料衰变时辐射出的射线类型要尽可能的容易被热电偶吸收。

　　科学家们按照这三条标准筛选一番后，钚238脱颖而出，成为目前航天同位素热电池使用最多的核燃料。钚238的半衰期有87.7年，每克钚238释放能量的功率为0.54瓦，能够满足前两条要求。更难能可贵的是，钚238在衰变时，产生的辐射几乎都是热电偶容易吸收的α射线，而不怎么产生穿透力比较强，又不容易被热电偶吸收的β射线。这样，钚238在衰变时的辐射几乎都能被热电偶本身吸收，从而不用在RTG外部设置额外的屏蔽层，来阻挡β射线对其他设备的辐射危害。

　　钚238的来源较少，制备工艺又比较复杂，因此成本高、产量低。目前，美国全国一年仅能生产1.5千克钚238。但由于其优良的性质，至今难以找到能全面替代它的其他同位素。

　　1961年6月29日，世界上第一颗核动力航天器“子午仪”4A军用导航卫星发射并成功在轨运行，其使用的同位素热电池输出功率仅为2.6瓦。之后，同位素热电池技术蓬勃发展，除了前文提到的“新视野”号和“旅行者”号外，不久前完成任务、坠入土星的“卡西尼”号探测器，环游木星的“伽利略”号探测器，着陆火星表面的“好奇”号火星车等，也都使用了同位素热电池供电。它们使用的同位素热电池已经可以输出几百瓦到一千瓦左右的功率。

　　除了供电外，同位素热电池有时也会利用发电的“余热”，做一个真正的“炉子”来给太空极寒中的航天器“供暖”，使航天器上的仪器设备不被冻坏。在电影《火星救援》的情节中，主角马特·达蒙也曾经冒险挖出一个废弃的同位素热电池放在火星车中，来给自己取暖。

　　空间核反应堆 大功率航天电源

　　同位素热电池虽然优点很多，但也有其固有缺陷。一方面，其电能转换效率较低，一般只有低于10%的辐射能被转换成了电能。另一方面，其输出的最高功率一般在一千瓦左右，对于电能需求更大的航天器便无能为力了。而且，随着核燃料的消耗，同位素热电池的输出功率还会不断下降。

　　苏联在上世纪六十年代也成功设计制造了同位素热电池电源，但也许是战斗民族天生渴望功率更强悍的电源，苏联使用核能电源的航天器几乎都采用了空间核反应堆。空间核反应堆像是一个缩小版的核电站，也是通过核燃料的链式裂变反应来加热物质，产生蒸汽推动汽轮发电机发电。它同样也可以通过插拔控制棒的方式来控制反应堆的运行。和地面上一般使用水蒸气推动汽轮机不同，空间核反应堆使用的一般都是金属蒸汽的蒸汽机。上世纪六十年代，苏联成功研制出了BES-5空间核反应堆，输出功率为3千瓦，后来又研制了输出功率为6千瓦的TOPAZ反应堆。

　　在苏联人成功推进空间核反应堆技术的同时，一不小心也制造了第一起大规模太空核事故。BES-5反应堆被大量装配于“雷达型海洋监视卫星”（RORSAT）上。这种卫星的轨道高度只有250公里，用来给地球做快速“扫描”以监视美国海军的动向。当一颗RORSAT卫星即将到达工作寿命时，它会将其搭载的核反应堆弹射到950公里高的“丢弃轨道”上。在那里，废弃的核反应堆将始终飘在太空之中，避免对地球造成核污染。而余下的卫星本体则会在失去动力后，在大气阻力的作用下坠入地球。然而，1978年1月24日，代号为“宇宙954”的一颗失控的RORSAT卫星没能正常将反应堆弹射到“丢弃轨道”上，而是带着核反应堆一起落入地球，将放射性核燃料散布在加拿大的国土上。加拿大政府不得不动用了大量人力物力，寻找和清除散布在数千平方英里范围内的放射性原料。为此，加拿大还和苏联打起了国际官司，要求苏联赔偿604.1万美元的经济损失。在这之后，苏联对RORSAT卫星的设计进行了改造，在反应堆上加装了备用推进装置，在主推进装置失效时仍能让反应堆正常进入丢弃轨道。同时，面对潜在的空间核事故风险，美国总统卡特签署命令，禁止在地球附近工作的美国航天器使用核能。

　　使用核裂变的核反应堆虽然存在着这样的风险，但却是目前在空间利用核能高效大量产能的唯一来源。未来，要发射动力更强大、飞行性能更强的核动力火箭，还要依赖空间核反应堆。目前，技术上论证的比较充分的核动力火箭方案主要有两种。第一种为热核火箭，利用核反应堆产生的热量，将来自燃料箱的液氢加热到将近一万摄氏度的温度后喷出，以强大的气流推动火箭。此时，液氢并不像现在使用的火箭那样充当燃料，而只是充当产生动量的推进剂。据测算，在携带相同重量的推进剂时，这种火箭的运载能力将比现在使用的化学燃料火箭提高一倍。另外一种更先进有效的核火箭方案，则是将新兴的电推进技术和核技术结合在一起的核能电推火箭。这种火箭首先利用核能产生的热量，将液氢等推进剂电离到等离子体态。其后，再利用核反应堆发出的电能，用电磁力加速等离子体，产生巨大的推力。由于等离子体在电磁力的作用下可以加速到极高速度，甚至接近光速，因此这种火箭可以很快获得足够的动量和能量，加速到星际旅行所需的速度。