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核能電池-未來高效能源的新方向

時間:2017-11-09 點擊次數:158
摘要:2008年11月2日,美國鳳凰號火星登陸器發出了最后的信號。由于鳳凰號著陸地點的光照出現季節性減少,不足以為太陽能電池充電,加上突如其來的一場沙塵暴,鳳凰號電量耗盡,時間比預計提前了3周。不過,對于剛剛登陸火星的好奇號探測車來說,則不會出現諸如鳳凰號的厄運...
2008年11月2日,美國“鳳凰”號火星登陸器發出了最后的信號。由于“鳳凰”號著陸地點的光照出現季節性減少,不足以為太陽能電池充電,加上突如其來的一場沙塵暴,“鳳凰”號電量耗盡,時間比預計提前了3周。不過,對于剛剛登陸火星的“好奇”號探測車來說,則不會出現諸如“鳳凰”號的厄運。這主要是因為“好奇”號的電力是由一臺“放射性同位素熱電發生器”(縮寫為RTG)提供,RTG本質上是一塊核電池。該電池的設計使用壽命為14年,不但比太陽能電池耐久,也不會像太陽能電池那樣受火星塵埃的影響,可為重達一噸的“好奇”號提供充足電力。
“好奇”號的核電池由兩部分組成:一個裝有钚238二氧化物的熱源和一組固體熱電偶。熱電偶是一種半導體,可以將钚238衰變產生的熱能轉化為電能。因為同位素衰變時釋放的能量大小和釋放速度不受外界環境的溫度、化學反應、壓力、電磁場的影響,所以在要求高功率、長壽命、運行環境惡劣的供電領域,核電池是絕佳的選擇。特別是當航天器遠離太陽或位于星球表面上,難以靠太陽能電池長時間供電時,核電源是唯一的選擇。
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正在火星表面執行任務的“好奇”號
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好奇”號的組成
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好奇”號上的放射性同位素熱電發生器電池特寫
在月球的漫漫長夜里,月表溫度可低至-170℃。這時普通電池都無法工作,核能成為最理想的選擇。太空核電池的研發始于1958年的美國。1961年美國發射了近地軌道導航衛星“子午儀-4A”,該衛星首次配備了RTG。該電池外形接近球體,直徑約12.5厘米,重約2千克。個頭雖小,它所提供的電力卻相當于一塊重300千克的鎳-銅電池。“子午儀-4A”衛星在太空運行了十多年,大大超過原來的設計壽命。1969至1972年間,共有五塊放射性同位素電池被五次“阿波羅”任務的宇航員帶上月球,為月震儀、磁強儀、熱流計、重力計和太陽風測定儀等多種儀器提供電能。1969年,蘇聯的“月球車1號”登上月球,這臺重達756千克的無人探月車使用11千克的放射性同位素釙210作為燃料(可輸出800瓦功率)來抵御月夜的嚴寒。“月球車1號”設計壽命為三個月,實際工作了近一年時間。
因為核反應的復雜性,為了保證安全,需要對核電池進行大量苛刻的環境試驗。包括模擬火箭發射和著陸環境的沖擊振動試驗、模擬再入大氣層的高溫試驗、模擬海水長期浸泡的腐蝕試驗等。四十年來,RTG已為許多太空任務提供動力,保持著良好的工作業績。即便是在那些距離地球極其遙遠、環境惡劣的考察任務中(如飛至太陽系邊緣的先驅者號和旅行者號、飛向木星的伽利略號、探測太陽極區的尤利西斯號、飛向土星的卡西尼號、飛向冥王星新視野號等)RTG也從未出現過故障。
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核電池內部結構圖
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核電池研制過程中要進行大量苛刻的環境試驗
中國第一塊放射性同位素電池于1971年3月12日誕生于中科院上海原子核所,以釙210為燃料,輸出電功率為1.4瓦,熱功率35.5瓦,并進行了模擬太空應用的地面試驗。隨著我國核電站數量的增加,由乏燃料后處理提取镎237原料的逐漸積累,為今后開發钚238電池提供了物質基礎。從2004年開始,中國原子能科學研究院啟動了太空同位素電池的研發,2006年該院研制出我國第一顆钚238同位素電池。目前我前在核電池的最新進展消息是,我國將于2013年發射“嫦娥三號”探測器在月球進行軟著陸并施放的月球車將安裝我國最新的核電池。前不久月球探測工程首席科學家歐陽自遠院士接受媒體采訪時透露,中國月球車將配備核電池來幫助月球車進行“冬眠”,等到太陽再次在月面上升起時,電池自動重啟,月球車開始進入工作狀態,這樣的核電池可持續工作30年。
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中國自行設計的核電池將應用“嫦娥三號”探測器上
核電池的用武之地不僅僅局限于太空。高山、深海、南北極乃至人體中到處可以找到它的影蹤。心臟起搏器用的核電池重量僅40克,體積很小,壽命可達十年。病人免除了經常做開胸手術的痛苦。在極地、海島、高山、沙漠、深海等條件惡劣、交通不便的地方都是RTG的大顯身手之地。自動無人氣象站、浮標和燈塔、地震觀察站、飛機導航信標、微波通訊中繼站、海底電纜中繼站等都可以使用免維護、長壽命的RTG供電。僅俄羅斯的北極海岸地區就有386個使用鍶90的RTG運行,為導航設施供電。使用同位素電池的收音機和個人電子設備也已經出現。
現在,核電池正向效率更高、比功率更大、安全性更強的方向發展,它不但能幫助人類遨游太空、暢游海洋,還會走進日常生活給我們帶來諸多便利。

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