[科普中国]-放射性同位素热源

基本原理

放射性同位素会自发的发生衰变，根据衰变时释放的粒子不同，可分为α衰变，β衰变，γ衰变三种。α衰变产生的是氦原子核，带2个单位的正电荷；β衰变产生的是电子，γ衰变产生高能的电磁波，即γ射线。1

放射性同位素在衰变产生的粒子与原子相碰撞，使得粒子的动能转换为体系的热能。有些同位素有很高的热功率密度，可以把它作为热源使用。把这些适合用作热源的放射性同位素采用适当的方式封装起来便成为放射性同位素热源。这样的热源在空间探测，特别是深空探测领域有其它能源不可替代的优势。

特点放射性同位素热源的特点：

1、寿命长

空间用同位素热源一般采用Pu-238，它的半衰期是87.1年，也就是说，87.1年以后，它的热功率才减弱到初始值的一半，因此可以数年甚至数十年的为其它设备提供热源。

2、功率密度大，质量小，体积小

由于放射性同位素衰变的热功率密度很大，如238PuO2热功率密度为0.406 W/g，再采用紧凑的屏蔽层和源盒，可以制成功率密度大，质量小，体积小的热源，这样的热源对空间探测尤为有利。第一台用于空间技术的238PuO2同位素热源温差发电器(SNAP-3B)直径约为12.5cm，高13.7cm，重2.Ikg，但它所提供的电能却相当于一台重300kg的镍铬电池所提供的电能。

3、热功率稳定，性能可靠

空间用放射性同位素热源一般采用具有适当半衰期的同位素，这样，在整个工作期限内，热功率变化不是很明显。如Pu-238，其5年内热功率的变化只减小了4%。此外，同位素的衰变是由同位素本身的性质决定，不受外界影响，因而能够产生持续稳定的热量，也因此具有很高的可靠性。

4、运行温度高

同位素热源的运行温度一般指不会带来放射性泄露或者源盒损坏的运行温度。采用适当的同位素化学形势和源盒材料可以使同位素热源运行在一个比较高的温度范围内。238PuO2在高温下是高度化学惰性的燃料形式并且有很高的熔点，因此其运行温度也可以高达1500K，这样产生的热的品质也就相对较高。

常用的放射性同位素目前共有1300多种放射性同位素可作为热源，但为了满足同位素热源的要求，必须对其进行筛选。首先要排除半衰期小于100天和大于100年的，这样就只剩下100多种可用的同位素。其次，要排除功率密度低于0.1W/g的或者屏蔽困难放射性危害过大(如γ放射源)，这样下来只有30多种适用于放射性同位素热源。然后再根据成本和物理化学性质，再确定几种最可行的同位素。

下表列出了8种最可行的同位素。

|| || 8种实用的放射性同位素

在这8种可行的同位素中，实际应用的最多的是钚-238(Pu-238)和锶-90 (Sr-90)两种。美国能源部研究的SNAP系列空间用放射性同位素温差发电器基本上都采用Pu-238作为同位素热源，而Sr-90在作为地面用的同位素热源中应用较为广泛。2

基本结构同位素热源的设计要求其在恶劣的环境中有足够的安全性(即不发生破损和放射性物质泄漏)，此外还必须保证其质量，体积和成本的合理可行。同位素热源可能承受的力可分为三类：热冲击力，机械冲击力和化学作用力。同位素燃料的设计首先必须满足其燃料源盒能够承受可能发生的这些作用力而不发生源盒破损。

实践证明，应用高强度的特种合金作为夹层及外壳的三层圆柱状封装容器能确保燃料的绝对密封。对于Pu-238源，其衰变产生的粒子在燃料中凝结成氦气，因此在燃料封装时，要考虑燃料盒的内压问题，并留够保存氦气的空间。此外，还必须考虑燃料与封装材料的相容性问题。

根据以上设计要求，美国SNAP计划设计了多种类型的同位素热源。这些热源有两种类型，即两层和三层结构的热源。两层结构的热源，其外层既是强度部件也要求有很好的环境适应性。三层结构的热源把各层的功能分开；内层有很好的燃料相容性，中间层有很高的机械强度，外层有很好的环境相容性。2

应用放射性同位素热源进一步通过热电转换装置可将热能转变为电能，这就是“放射性同位素电池”。放射性同位素电池主要应用于宇宙飞行和空间探索、海洋工程、生物医学等领域。放射性同位素电池造价虽然十分昂贵，但目前认为它是一种良好的空间电源，它经常处在与太阳能电池相竟争的状态。美国在人造卫星、宇宙飞船、月面科学实验站和行星探测器等空间开发中多次使用放射性同位素电池。在海洋工程中，全世界已投入了数百合放射性同位素电池，目前它已应用于海上灯塔和海面航标、海下声纳发生器和海底微波中继站中，还可作为游动气象站和潜水衣加热器的电源。它比采用太阳能电池可靠，不受波浪和气候影响，使用寿命长。2

研究进展放射性同位素热源不仅为温差发电器提供热源，在空间技术中，也用作为探测器电子设备提供热量以保证电子设备正常工作。随着近年来新一轮的太空探测的发展，放射性同位素热源也有了很大的发展。为提高放射性同位素热源的运行温度，以满足新的使用要求，当前的同位素热源逐步采用包覆颗粒，然后采用石墨矩阵热压成燃料块。这样的燃料组件核心温度可达1500~2400K。能够满足多种新发展起来的温差发电器为探测器提供电源。

此外，为了满足不同功率要求的温差发电器，放射性同位素热源也发展成为组合模块式。如美国能源部为其国家宇航局(NASA)研制的通用模块式同位素热源就是这种模式。这种热源能够根据任务的不同进行模块的组合，从而得到满足功率要求的热源。

放射性同位素热源在深空探测领域有着广泛的应用前景，但在国内的研究还基本是空白，开展这方面的基础和应用研究对我国航天事业的发展有重要的意义。随着我国星际飞行探测事业的发展，核能将成为越来越重要的动力源，同位素温差发电器等都将获得很大发展。2