[科普中國]-同位素源

概念

同位素源又稱放射性核素源，是一種能發(fā)射電離輻射的物質(zhì)。常用的放射性核素源有：60Co和137Cs(γ輻射源)，239pa、210po、226Ra和222Rn(α輻射源)，以及90Sr-90Y(β輻射源)。

60Coγ輻射源是使用最廣泛的放射性核素源，由反應(yīng)堆制得，可以有很高的比活度，射線穿透性強(qiáng)，適用于氣體、液體和固體的輻射化學(xué)研究及產(chǎn)品輻射加工。

為適于工業(yè)應(yīng)用，放射性核素源可加工成各種形狀(如柱狀、板狀等)。

應(yīng)用放射性同位素?zé)嵩丛诤教烊蝿?wù)中的應(yīng)用空間探測器進(jìn)行深空探測時(shí)，隨著太陽距離的增加，所接收到的太陽輻射熱流急劇下降，并且空間熱環(huán)境異常惡劣(如月球上長達(dá)14個(gè)地球日無光照、180℃低溫的月夜)，導(dǎo)致采用常規(guī)的電源系統(tǒng)(太陽電池陣+蓄電池)和熱控系統(tǒng)已無法滿足探測器的生存需求。在這種情況下，核能源成為深空探測的首選。放射性同位素?zé)嵩?Radioisotope Heat Unit，RHU)和放射性同位素電源(Radioiso—tope Thermoelectric Generator，RTG)用于空間探測的研究工作始于20世紀(jì)50年代后期，當(dāng)時(shí)美國啟動(dòng)了“空間核輔助電源”(SNAP)計(jì)劃，蘇聯(lián)也開展了相關(guān)的研究。其后幾十年中，RHU/RTG多次被成功地應(yīng)用于月球和行星際探測。美國擁有世界上最先進(jìn)的研制、應(yīng)用RTG的技術(shù)。中國的嫦娥三號(hào)探測器將使用RHU，實(shí)現(xiàn)著陸器和巡視器的月夜生存。

RTG是一種利用溫差電材料的塞貝克效應(yīng)，直接將放射性同位素衰變所釋放的熱能轉(zhuǎn)換成電能的靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置。它主要由RHU、溫差電轉(zhuǎn)換器及散熱殼體三部分組成。與傳統(tǒng)的化學(xué)電源、太陽電池相比，RTG不受太陽光和其他環(huán)境條件的影響，工作壽命長，可靠性高，不僅可為空間探測器提供電能，還可為探測器的熱控系統(tǒng)提供熱能，是月球及太陽系行星際探測的理想電源。要實(shí)現(xiàn)核技術(shù)在航天中的應(yīng)用，必須解決RHU/RTG在應(yīng)用過程中的可靠性和意外事件中的安全性。1

反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性同位素?zé)嵩床牧蠎?yīng)用放射性同位素溫差發(fā)電器(RTG)是一種通過半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件將放射性同位素產(chǎn)生的衰變熱轉(zhuǎn)換為電能的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)化發(fā)電裝置，也稱為放射性同位素電池、同位素電池、核電池，在美國、俄羅斯等國已實(shí)際應(yīng)用。這種電源發(fā)電能力一般在幾mW到1kW之間，具有體積小、能量密度大、壽命長、無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、高度可靠、不受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，能夠在無法利用太陽能的情況下工作，是一種重要的、有時(shí)甚至是稀缺的深空探測電源，例如，用于火星上進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)的飛行任務(wù)，還在深海探測器、遠(yuǎn)海地區(qū)燈塔、航標(biāo)燈、邊遠(yuǎn)地區(qū)無人測量站等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。23

同位素溫差發(fā)電器的發(fā)熱體由放射性同位素?zé)嵩床牧现瞥桑毡椴捎?38Pu。238Pu具有半衰期(87.7a)較為適中、較高的功率密度(2.8 W/cm3)、屬于α放射體(α粒子約占100%，γ光子所占比例很小，γ/a比為10-5，α粒子能量為5.499 MeV)、較輕的輻射屏蔽(α易于屏蔽)等輻射特性。這些特性決定了238Pu是一種較為理想的放射性同位素?zé)嵩床牧希虼?，被制作成放射性同位素?zé)嵩磸V泛應(yīng)用在深空探測等領(lǐng)域。4