[科普中國]-放射性同位素?zé)嵩?

基本原理

放射性同位素會(huì)自發(fā)的發(fā)生衰變，根據(jù)衰變時(shí)釋放的粒子不同，可分為α衰變，β衰變，γ衰變?nèi)N。α衰變產(chǎn)生的是氦原子核，帶2個(gè)單位的正電荷；β衰變產(chǎn)生的是電子，γ衰變產(chǎn)生高能的電磁波，即γ射線。1

放射性同位素在衰變產(chǎn)生的粒子與原子相碰撞，使得粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為體系的熱能。有些同位素有很高的熱功率密度，可以把它作為熱源使用。把這些適合用作熱源的放射性同位素采用適當(dāng)?shù)姆绞椒庋b起來便成為放射性同位素?zé)嵩?。這樣的熱源在空間探測，特別是深空探測領(lǐng)域有其它能源不可替代的優(yōu)勢。

特點(diǎn)放射性同位素?zé)嵩吹奶攸c(diǎn)：

1、壽命長

空間用同位素?zé)嵩匆话悴捎肞u-238，它的半衰期是87.1年，也就是說，87.1年以后，它的熱功率才減弱到初始值的一半，因此可以數(shù)年甚至數(shù)十年的為其它設(shè)備提供熱源。

2、功率密度大，質(zhì)量小，體積小

由于放射性同位素衰變的熱功率密度很大，如238PuO2熱功率密度為0.406 W/g，再采用緊湊的屏蔽層和源盒，可以制成功率密度大，質(zhì)量小，體積小的熱源，這樣的熱源對空間探測尤為有利。第一臺(tái)用于空間技術(shù)的238PuO2同位素?zé)嵩礈夭畎l(fā)電器(SNAP-3B)直徑約為12.5cm，高13.7cm，重2.Ikg，但它所提供的電能卻相當(dāng)于一臺(tái)重300kg的鎳鉻電池所提供的電能。

3、熱功率穩(wěn)定，性能可靠

空間用放射性同位素?zé)嵩匆话悴捎镁哂羞m當(dāng)半衰期的同位素，這樣，在整個(gè)工作期限內(nèi)，熱功率變化不是很明顯。如Pu-238，其5年內(nèi)熱功率的變化只減小了4%。此外，同位素的衰變是由同位素本身的性質(zhì)決定，不受外界影響，因而能夠產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的熱量，也因此具有很高的可靠性。

4、運(yùn)行溫度高

同位素?zé)嵩吹倪\(yùn)行溫度一般指不會(huì)帶來放射性泄露或者源盒損壞的運(yùn)行溫度。采用適當(dāng)?shù)耐凰鼗瘜W(xué)形勢和源盒材料可以使同位素?zé)嵩催\(yùn)行在一個(gè)比較高的溫度范圍內(nèi)。238PuO2在高溫下是高度化學(xué)惰性的燃料形式并且有很高的熔點(diǎn)，因此其運(yùn)行溫度也可以高達(dá)1500K，這樣產(chǎn)生的熱的品質(zhì)也就相對較高。

常用的放射性同位素目前共有1300多種放射性同位素可作為熱源，但為了滿足同位素?zé)嵩吹囊?，必須對其進(jìn)行篩選。首先要排除半衰期小于100天和大于100年的，這樣就只剩下100多種可用的同位素。其次，要排除功率密度低于0.1W/g的或者屏蔽困難放射性危害過大(如γ放射源)，這樣下來只有30多種適用于放射性同位素?zé)嵩?。然后再根?jù)成本和物理化學(xué)性質(zhì)，再確定幾種最可行的同位素。

下表列出了8種最可行的同位素。

|| || 8種實(shí)用的放射性同位素

在這8種可行的同位素中，實(shí)際應(yīng)用的最多的是钚-238(Pu-238)和鍶-90 (Sr-90)兩種。美國能源部研究的SNAP系列空間用放射性同位素溫差發(fā)電器基本上都采用Pu-238作為同位素?zé)嵩矗鳶r-90在作為地面用的同位素?zé)嵩粗袘?yīng)用較為廣泛。2

基本結(jié)構(gòu)同位素?zé)嵩吹脑O(shè)計(jì)要求其在惡劣的環(huán)境中有足夠的安全性(即不發(fā)生破損和放射性物質(zhì)泄漏)，此外還必須保證其質(zhì)量，體積和成本的合理可行。同位素?zé)嵩纯赡艹惺艿牧煞譃槿悾簾釠_擊力，機(jī)械沖擊力和化學(xué)作用力。同位素燃料的設(shè)計(jì)首先必須滿足其燃料源盒能夠承受可能發(fā)生的這些作用力而不發(fā)生源盒破損。

實(shí)踐證明，應(yīng)用高強(qiáng)度的特種合金作為夾層及外殼的三層圓柱狀封裝容器能確保燃料的絕對密封。對于Pu-238源，其衰變產(chǎn)生的粒子在燃料中凝結(jié)成氦氣，因此在燃料封裝時(shí)，要考慮燃料盒的內(nèi)壓問題，并留夠保存氦氣的空間。此外，還必須考慮燃料與封裝材料的相容性問題。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，美國SNAP計(jì)劃設(shè)計(jì)了多種類型的同位素?zé)嵩础＿@些熱源有兩種類型，即兩層和三層結(jié)構(gòu)的熱源。兩層結(jié)構(gòu)的熱源，其外層既是強(qiáng)度部件也要求有很好的環(huán)境適應(yīng)性。三層結(jié)構(gòu)的熱源把各層的功能分開；內(nèi)層有很好的燃料相容性，中間層有很高的機(jī)械強(qiáng)度，外層有很好的環(huán)境相容性。2

應(yīng)用放射性同位素?zé)嵩催M(jìn)一步通過熱電轉(zhuǎn)換裝置可將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這就是“放射性同位素電池”。放射性同位素電池主要應(yīng)用于宇宙飛行和空間探索、海洋工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。放射性同位素電池造價(jià)雖然十分昂貴，但目前認(rèn)為它是一種良好的空間電源，它經(jīng)常處在與太陽能電池相竟?fàn)幍臓顟B(tài)。美國在人造衛(wèi)星、宇宙飛船、月面科學(xué)實(shí)驗(yàn)站和行星探測器等空間開發(fā)中多次使用放射性同位素電池。在海洋工程中，全世界已投入了數(shù)百合放射性同位素電池，目前它已應(yīng)用于海上燈塔和海面航標(biāo)、海下聲納發(fā)生器和海底微波中繼站中，還可作為游動(dòng)氣象站和潛水衣加熱器的電源。它比采用太陽能電池可靠，不受波浪和氣候影響，使用壽命長。2

研究進(jìn)展放射性同位素?zé)嵩床粌H為溫差發(fā)電器提供熱源，在空間技術(shù)中，也用作為探測器電子設(shè)備提供熱量以保證電子設(shè)備正常工作。隨著近年來新一輪的太空探測的發(fā)展，放射性同位素?zé)嵩匆灿辛撕艽蟮陌l(fā)展。為提高放射性同位素?zé)嵩吹倪\(yùn)行溫度，以滿足新的使用要求，當(dāng)前的同位素?zé)嵩粗鸩讲捎冒差w粒，然后采用石墨矩陣熱壓成燃料塊。這樣的燃料組件核心溫度可達(dá)1500~2400K。能夠滿足多種新發(fā)展起來的溫差發(fā)電器為探測器提供電源。

此外，為了滿足不同功率要求的溫差發(fā)電器，放射性同位素?zé)嵩匆舶l(fā)展成為組合模塊式。如美國能源部為其國家宇航局(NASA)研制的通用模塊式同位素?zé)嵩淳褪沁@種模式。這種熱源能夠根據(jù)任務(wù)的不同進(jìn)行模塊的組合，從而得到滿足功率要求的熱源。

放射性同位素?zé)嵩丛谏羁仗綔y領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，但在國內(nèi)的研究還基本是空白，開展這方面的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究對我國航天事業(yè)的發(fā)展有重要的意義。隨著我國星際飛行探測事業(yè)的發(fā)展，核能將成為越來越重要的動(dòng)力源，同位素溫差發(fā)電器等都將獲得很大發(fā)展。2