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美为深空探测囤积放射性能源物质

归档日期:06-20       文本归类:放射性衰变      文章编辑:爱尚语录

  钚生产工作十分困难。所有人都想当然地以为它就在那里,并一直在那里。生活要比这更复杂一些。

  橡树岭国家实验室的一个“辐射室”,钚就在这里被制备。图片来源:Alexandra Witze

  Ken Wilson透过一扇黄色玻璃窗,凝视着另一边的杂乱瓶子和化学设备。在这样一个“辐射室”工作是Wilson的日常职责,他是美国田纳西州橡树岭国家实验室顶尖的原子能技术工程师。通过机械臂,他开始抓起这些瓶子,打开瓶盖,并将液体倒入另一个容器。

  最终,Wilson会将这些液体倒入一种深棕色液体中。这种液体就是钚-238浓缩液:一种高放射性同位素,Wilson在做的就是对它进行提纯。而钚-238的终极目标是宇宙深处,其衰变产生的热量将为美国宇航局(NASA)的空间项目提供能量,例如未来的火星探测器和计划前往太阳系外的宇宙飞船等。

  这批钚-238将让NASA如释重负,因为越来越多的人担忧这种物质将要耗尽。自然界中不存在这种同位素,因此它必须在原子反应堆中制造。但1988年美国的主要供给源关闭,能源部(DOE)旗下的南卡罗来纳州萨瓦那河工厂停止生产钚-238,作为逐步淘汰核武器计划的一部分。4年之后,DOE开始从俄罗斯采购少量的钚-238,但采购活动最后也停止了。

  结果是,NASA目前只有35公斤的钚-238,无法满足火星项目的需要。在2013年年底,情况更糟,当时的预算紧缩致使NASA取消了一个开发放射性同位素能源的项目。

  这也是Wilson在橡树岭进行提纯工作的原因。从去年开始,NASA每年支付给DOE 5000万美元恢复其长期失速的钚-238制作能力。这是一项艰巨的工作,“钚生产工作十分困难。所有人都想当然地以为它就在那里,并一直在那里。生活要比这更复杂一些。”约翰斯霍普金斯大学行星学家Ralph McNutt说。他正在参与NASA内部开发用于空间项目的原子能源的研究。

  首台放射性同位素动力设备出现于上世纪50年代末和60年代初的美苏空间项目中。从1961年发射的海军导航卫星到2011年的“好奇”号火星探测器,美国在27个空间项目中使用了放射性同位素动力设备。

  所有这些设备都遵循着相同的基本原理:随着同位素的衰变,放射性会加热两种金属或半导体的结合点。多亏热电效应这会产生电流,飞行器能够用来为设备提供能源,或将能量储存在电池里。更小的放射性同位素设备也能让探针在寒冷的宇宙中保持温度。

  之所以选择钚-238,部分原因是每克物质能产生大量的能量,另外也更安全:它只释放出相对容易防护的粒子。

  目前,NASA更倾向于设计一个核动力源多任务放射性同位素热电机(MMRTG),在任务开始时能使用4.8千克二氧化钚产生2000瓦热量和110瓦电能。钚-238的半衰期是87.7年,能在数十年里产生能量,但产出会随着时间而减少。

  拥有35千克二氧化钚的NASA似乎有能力发展核动力航天器。但这些储备时间已久,目前能满足NASA不到一半的能量需求。考虑到进化中的行星项目时间周期较长,并且保证钚的持续供应存在挑战,该机构远没有目前表现得这样走运。

  NASA将使用约5公斤二氧化钚作为计划2020年发射的新火星探测器的“发电机”。而未来的太阳系外任务将需要更多的“发电机”。

  与DOE的新合约将首次为NASA提供稳定的钚-238供给。DOE的目标是,到2021年,每年生产1.5千克二氧化钚,这些氧化物能转化为1.1千克钚-238。该局行星科学部门副主任David Schurr表示,这样一来,NASA将有足够燃料在10年里维持两个任务。“在未来20年可预见项目上,我们可能会更好。”他说。

  生产线新生产线在爱达荷国家实验室启动,该实验室主要从核反应堆乏燃料中提取同位素镎-237。然后,这些镎被送往橡树岭。在阿巴拉契亚山区的一个秋日的早上,橡树开始换上红色和橘黄色的外衣,这让人们很容易忘记这里曾辉煌的原子能历史。但不会太久,穿过老旧铀浓缩工厂和废弃警戒塔的通往实验室的路又会“热闹起来”。

  辐射管理者Chris Bryan望着一个看起来像室内游泳池的东西,展示着一个微型化的反应堆堆芯组合的物理模型。它被安装在一个直径2.4米、镶有许多小孔的铍圆筒上。在反应堆运行前,Bryan将把装满镎的铝管插到这些小洞中,以便其与堆芯充分接触。Bryan 解释道,“我们正试着将尽可能多的镎挤入一个有限的体积内”。

  NASA也在寻找方法,以便从现有的钚中提取更多能量。其喷气推进实验室材料工程师Jean-Pierre Fleurial领导的研究小组正试图建造热电偶该设备能从钚的放射性衰变中发电。通过将目前用于热电偶的铅基材料更换为钴锑材料,Fleurial小组在放射开始时获得的能量将至少多25%。

  直到去年,NASA还致力于开发空间斯特林发动机,该设备利用1/4的钚就能产生与MMRTG相同的能量。斯特林变流器有时类似高科技蒸汽机:钚衰变产生的热量驱动氦气膨胀,反过来推动活塞发电。一个土卫六项目曾计划使用斯特林技术,但由于经费限制,NASA于2013年11月取消了该计划。

  如果NASA需要钚为人类空间探索提供能量,所有的这些努力还不够。该机构目前正计划将宇航员送上小行星或更远的深空,这需要的能量将比少量钚-238产生的能量大得多。Schurr表示,如果一个行星项目可能需要300~900瓦能量,人类深空探索则需要更大的飞船,同样也需要数万瓦的能量。明年年初将发布的一份NASA内部报告估计了空间核动力的需求,它指出,可能需要一个类似于裂变反应堆的自持能量源。

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