漫長的月夜，加之近310℃的晝夜溫差，沒有空氣，人類要在月球上生存十分困難。能長期進行自動觀察的儀器成為人類了解月球的“千里眼”。無疑，儀器的能源供給是件大事。

據(jù)媒體報道，去年年底發(fā)射的“嫦娥四號”同位素能源供給實現(xiàn)了新突破：采用同位素溫差發(fā)電與熱電利用相結合的供能方式。

這是一種什么樣的能源技術？有何獨到之處？科技日報記者就此專訪了我國同位素能源專家、中國原子能科學研究院同位素研究所研究員蔡善鈺。

衰變能為太空探索提供自持能源

“同位素熱源和同位素電源統(tǒng)稱為同位素能源。這類能源來自放射性同位素衰變時產生的‘衰變能’”。蔡善鈺告訴記者，衰變能與裂變能、聚變能，構成了核能利用三大途經。

與裂變能、聚變能相比，衰變能能量要小得多，但用于月球探測和深空探索卻有獨到之處：無需依靠外來能源，能長期、自持、可靠地提供動力，且對環(huán)境具有良好的適應能力。

迄今為止，人類已發(fā)現(xiàn)118種元素，每一種元素有不同數(shù)量同位素，其中穩(wěn)定同位素276種，放射性同位素3000余種。

但蔡善鈺說，若按照具有較長半衰期、較高功率密度、較輕屏蔽質量、較小生物毒性和較低生產成本等原則進行篩選，可作為能源燃料的放射性同位素不過十余種。根據(jù)衰變特性，同位素熱源大致可分成α、β和γ熱源三類。

α熱源的最大特點是所需的屏蔽材料質量小，可大大降低火箭發(fā)射費用，最適合空間應用。20世紀發(fā)射至太空的同位素能源，燃料大多選用釙-210和钚-238，后者占絕大多數(shù)。

“釙-210比功率高,但半衰期短，適用于示范裝置或短期航天任務；钚-238比功率較低，但半衰期長，可用于長期航天任務?！辈躺柒暯忉?。

同位素熱源成月球上儀器的“暖寶寶”

放射性同位素的衰變能可轉變?yōu)楣饽堋崮芎碗娔堋?/p>

蔡善鈺告訴記者，放射性同位素衰變時發(fā)射的高速帶電粒子與物質相互作用，當動能被阻止或吸收后，周圍物質如包裹放射性同位素的容器溫度會升高，衰變能即轉變?yōu)闊崮堋?/p>

同位素熱源內部為同位素燃料做成的源芯，外部為密封源芯的燃料盒，可直接被應用。如蘇聯(lián)先后發(fā)射的“月球車-1 號”“月球車-2號”均安置有800瓦釙-210熱源，專門為月面觀察儀器建立恒溫環(huán)境；美國早期發(fā)射的月面科學試驗站使用了2臺15瓦钚-238熱源，供月震儀保溫用。

我國于2013年發(fā)射的“嫦娥三號”月球探測器，在著陸器和月球車內均安置有钚-238，以確保儀器倉內溫暖如春，搭載的儀器安然度過月夜。一旦陽光照射，儀器借助太陽能電池，重新活躍起來。

蔡善鈺告訴記者，與同位素熱源相比，同位素電源還需要直接或間接地通過熱電轉換器（換能器），進一步將同位素衰變產生的熱能轉變?yōu)殡娔?。正因如此，同位素電池除了同位素熱源，還包括換能器。目前在空間應用最成熟且已實用化的換能器，為同位素溫差發(fā)電器，其優(yōu)點是無運動部件、發(fā)電安全可靠，但熱電轉換效率只有4%—8%。作為換能器的一種，動態(tài)轉換可提高熱電轉換效率，但因為有運動部件，制造難度大。

“可以預計，我國日益豐富的航天活動必將對空間核電源提出更多需求，空間核電源的研制成果也將為我國航天事業(yè)發(fā)展提供更廣闊空間。”蔡善鈺在展望同位素能源前景時說。

我國第一個钚－238同位素電池已在中國原子能科學研究院誕生了，同位素電池的研制成功填補了我國長期以來在該研究領域的空白，標志著我國在核電源系統(tǒng)研究上邁出了重要的一步。

同位素電池是利用放射性同位素衰變過程釋放的熱能，通過熱電偶轉換成電能，具有尺寸小、重量輕、性能穩(wěn)定可靠、工作壽命長、環(huán)境耐受性好等特點，能為空間及各種特殊、惡劣環(huán)境條件下的高空、地面、海上和海底的自動觀察站或信號站等提供能源。同位素電池在美、俄等國已實際應用，用于航天器的能源供應。

隨著我國空間探測的進一步發(fā)展（包括“登月計劃”的啟動）以及未來深空探測的需求，為我國航天器提供穩(wěn)定、持久的能源已提到議事日程上來，作為迄今為止航天器儀器、設備最理想供電來源的同位素電池成為航天技術進步的重要標志，掌握同位素電池制備的一系列關鍵技術并具備自主研制生產能力顯得尤為重要。

2004年，原子能院同位素所承擔了“百毫瓦級钚－238同位素電池研制”任務，在兩年時間里要完成總體設計和一系列相關工藝研究，研制出樣品。

同位素所和協(xié)作單位并按制定的研究方案開展了大量的模擬實驗、示蹤實驗、熱實驗等工作。最終檢測表明電池性能完全達到了技術指標要求，輻射防護檢測的各項指標均符合國家安全要求。中國第一個钚－238同位素電池誕生了。

我國第一個钚－238同位素電池的研制成功是我國在核電源系統(tǒng)研究領域的重大突破，為繼續(xù)探索、開發(fā)空間能源打下了堅實的基礎。

同位素電源是什么

“放射性同位素電池”簡稱同位素電池（Nuclear battery 或Atomic battery)。由放射性同位素的衰變能轉換為電能的機制有十幾種，如“放射性同位素溫差發(fā)電器(Radioisotope thermoelectric generator,簡稱RTG)、“輻射伏特效應”、“衰變耦合磁共振”、“往復式震蕩懸臂梁”、“熱離子發(fā)射”、“衰變能-光能-電能”等。

放射性同位素溫差發(fā)電器是美國科學家于1956年元月16日研制成功，是第一個成功的同位素電池。立即用于美國各種航天器載設備的供電，減輕發(fā)射重量、確保設備連續(xù)工作，是美國航天居于領先地位的關鍵技術和產品。這種溫差發(fā)電器是由一些性能優(yōu)異的半導體材料，如碲化鉍、碲化鉛、鍺硅合金和硒族化合物等，把許多材料串聯(lián)起來組成。另外還得有一個合適的熱源和換能器，在熱源和換能器之間形成溫差才可發(fā)電。

放射性同位素電池的熱源是放射性同位素。它們在蛻變過程中會不斷以具有熱能的射線的形式，向外放出比一般物質大得多的能量。這種很大的能量有兩個令人喜愛的特點。一是蛻變時放出的能量大小、速度，不受外界環(huán)境中的溫度、化學反應、壓力、電磁場的影響，因此，核電池以抗干擾性強和工作準確可靠而著稱。另一個特點是蛻變時間很長，這決定了放射性同位素電池可長期使用。放射性同位素電池采用的放射性同位素來主要有鍶－90（Sr－90，半衰期為28年）、钚－238（Pu－238，半衰期 89.6年）、釙－210（Po-210半衰期為138.4天）等長半衰期的同位素。將它制成圓柱形電池。燃料放在電池中心，周圍用熱電元件包覆，放射性同位素發(fā)射高能量的α射線，在熱電元件中將熱量轉化成電流。

放射性同位素電池的核心是換能器。目前常用的換能器叫靜態(tài)熱電換能器，它利用熱電偶的原理在不同的金屬中產生電位差，從而發(fā)電。它的優(yōu)點是可以做得很小，只是效率頗低，目前熱利用率只有10%～20%，大部分熱能被浪費掉。

在外形上，放射性同位素電池雖有多種形狀，但最外部分都由合金制成，起保護電池和散熱的作用；次外層是輻射屏蔽層，防止輻射線泄漏出來；第三層就是換能器了，在這里熱能被轉換成電能；最后是電池的心臟部分，放射性同位素原子在這里不斷地發(fā)生衰變并放出熱量。

來源：科技日報，有刪改