一块核电池遨游太空半世纪

    出品：科普中国

    制作：寒木钓萌

    监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　火星上的机遇号探测器，花边新闻可真不少，原因是NASA不断放出新闻，今天说它遇到沙尘暴，得不到足够的阳光导致电力不足，怠工；过段时间又说它正在获得越来越多的阳光，但是，因为太阳能面板上的尘埃太多需要清除，怠工……

　　瞧，这就是太空探索使用太阳能的局限，那么，如果使用核能呢？

　　最成功的典范

　　一想到外太空的能源获取，不少人第一个想到的是外太空没有大气层遮挡，阳光猛电力足。但是，如果我们仔细分析，在宇宙探索上，核能实在是要比太阳能优越得多！

　　从各行星上看太阳的视角大小对比

　　上图是太阳系各大行星的视角大小对比，可以看见，在火星上还好一些，太阳并不比从地球看上去小多少，但是如果想在探索土星、天王星、海王星还有矮行星冥王星的时候使用太阳能，不是说不可以，而是难度实在是太大了，几乎没有可行性。

　　怎么办？难道人类的太空探索只能局限于水星、金星和火星？显然，这是不可能的，而此时，核能的使用已经不再是一个可选方案，它是一个必选方案。

　　实际情况也如此：

　　探索土星的“卡西尼－惠更斯号”上使用了核电池

　　探索冥王星的“新视野号”也使用了核电池

　　除了以上探测器，使用核电池的探测器还有旅行者1号、旅行者2号、尤利西斯号，还有好奇号火星车等等。

　　旅行者1号1977年9月5日发射升空，至今已飞行38年多。2015年，旅行者1号距离地球超过199亿千米，这相当于地球到太阳的133倍。如果你从旅行者1号上看太阳，你会发现，太阳的亮度已经跟一个普通的星星没什么区别了。此时，旅行者1号周围是一片黑暗的太空，无法获取太阳能，所以，如果我们把希望寄托在太阳上，就会使我们的宇宙探索只能局限于太阳系中的一个小范围。

　　按照NASA的说法，旅行者1号已经离开太阳系，信号虽然以光速传播，但从旅行者1号上传到地球也需要18个半小时，即使如此，它也还在不断地为人类送来太阳系边缘的信息，这种状态将持续到2025年，直到它上面的核电池不再工作。

　　从1977到2025年，这期间足足48年，接近半个世纪，如此漫长的工作时间，除了核电池，还有什么电池能代替它呢？目前没有。

　　核电池与核电站的区别

　　核电站发电，核电池也发电，两者有何区别？

　　区别一：

　　核电站的反应堆，里面主要进行的是裂变反应，也就是在一个中子的轰击下，铀235分裂成两个中等大小的原子核，并放出两到三个中子。

　　而核电池主要使用钚238，通过钚238的自身衰变，放出阿尔法粒子并产生热量。这热量被用来发电。

　　图为钚238

　　图为钚238

　　钚是第94号元素，它是自然界中天然存在的质量最重的元素，比铀还要重。其稳定的同位素是钚244，半衰期大约是八千万年。

　　而钚238的半衰期为87.74年，衰变时释放阿尔法粒子，同时放出大量热，这使得即使它的量很少，钚238在某些条件下也能自燃。

　　钚能自燃，这使它看起来就像一块还在发光的余烬。

　　1千克钚238的热功率相当于一个570瓦功率的电炉，且持续时间以数十年计，从不间断。

　　好奇号上采用的核电池，也是利用钚-238，在任务初期可以在任何状况下稳定地提供大约125瓦的功率输出，而14年后功率还可以保持在100瓦左右。

　　区别二：

　　核电站中裂变产生的热，是通过冷却剂循环把热量带出来，接着冷却剂加热第二回路的水，产生高温蒸气冲击汽轮机并发电。而核电池是采用热电效应来发电。

　　我们先来演示一下热电效应：

　　上图中的两个杯子，左面的装着冷水，右边的一会儿加入热水。

　　把热水倒入右边的杯子中

　　电风扇开始转动了

　　金属中都有自由电子，而自由电子具有的能量和速度各不同，什么因素能决定电子的能量和速度？热是一个重要的因素之一，当金属导体的两端有温度差异时，电子更容易从热的那一端扩散到冷的那一端，形成电压，这就是热电效应。

　　热电效应示意图

　　图为“卡西尼－惠更斯号”上的核电池，1997年10月升空的“卡西尼－惠更斯号”，携带有3块核电池，核电池燃料为钚238，它被制成二氧化钚的陶瓷压块，1997年时可提供880瓦的功率，十多年后，也就是2010年，“卡西尼－惠更斯号”上的核电池还能提供670瓦的功率。

　　图为旅行者1号上的核电池，中间暗红色的部件为二氧化钚。

　　图为宇航员艾伦•宾从阿波罗12号上取出的核电池的画面。

　　实际上，从阿波罗12号，一直到阿波罗17号都使用了核电池，型号为SNAP-27。

　　被遗弃在月球上的核电池SNAP-27，其使用了3.8千克的钚238，热能功率达1480瓦，转化的电功率为73瓦。

　　核电池热电转化率不是很高，然而，核电池也不光只可以用来发电，尤其是在月球上，长达半个月的黑夜，其温度可达零下两百多摄氏度。而核电池提供的热能可以使航天器上的某些敏感部件经受住低温的考验。

　　另外，前段时间上映的电影《火星救援》，里面的男主角也是在火星上挖出了之前埋在火星上核电池取暖，这才得以开车远行的。

　　左起第一个为机遇号火星车，第二个像一个玩具车，它是探路者号，中间为工程师，最右边的是好奇号，好奇号没有使用太阳能面板，依靠核电池供电，你瞧它那块头。

　　核电池让好奇号拥有充足的能量，使它得以发射激光融化岩石以供研究。

　　图为好奇号上的核电池

　　从1961年核能第一次应用于太空，到现在已有半个多世纪，如今，人类在太空探索中正越来越多地利用核能。在未来，人类若想在太空探索上取得更多的进步，或者说若想冲出太阳系，遨游并探索外面的精彩宇宙，那么核技术和核能是一个必选的方案。

　　也许这就是事实，靠山吃山离不开山，靠海吃海离不了海。

　　摆脱不了对太阳光的依赖，又怎能沐浴在另一颗恒星的光芒下？