核動力航天器,安全隱患還是發展趨勢?(一)

提到核動力航天器,很多人都會覺得很恐怖,萬一掉下來發生核洩漏怎麼辦啊?而另外一些人覺得,只有核動力才能帶來航天器的革命,才能掀開航天新篇章。那麼核動力航天器現在發展到什麼階段了,到底核動力會對人類產生威脅?還是以後都會用核動力?下邊來介紹一下航天器使用核動力的情況。

一、核動力航天器的核動力類型

談到核動力,很多人首先想到的是核動力航母,利用核反應堆發電推動航母前進。於是很多人認為核動力航天器也是這樣的原理。甚至有人認為核動力航天器是利用原子彈或氫彈爆炸的推力推動火箭或飛船前進。那麼真實的核動力航天器是利用什麼樣的核動力呢?

本文將介紹4種航天器常用的核動力方式:同位素熱源、同位素電池、核反應堆電源和核推進技術。今天主要介紹前兩種。

1. 同位素熱源RHU

很多人只知道核電站和原子彈是利用鈾235的核裂變來產生能量的,或者是鈈239的核裂變。其實鈾235和鈈239都是放射性同位素,每一種元素都有一種以上的同位素,有些同位素是穩定同位素,有些同位素是放射性同位素。

放射性同位素都有半衰期(有一半變成其他同位素所用的時間),有的半衰期長,有的半衰期短。像鈾238的半衰期長達45億年,鈾235是7億年,鈈239是2.41萬年,也有一些同位素半衰期非常短,比如一些人造同位素半衰期連0.001秒都不到(你一眨眼這種同位素就沒有了,甚至還有很多更短的)。

核動力航天器,安全隱患還是發展趨勢?(一)

一般半衰期越短的同位素單位時間內放出的能量越多,輻射也越多,對人的危害也就越大。相應的,半衰期短的同位素,只需要很少就可以放出足夠多的熱量供航天器使用,但半衰期太短也不行,太短的話,還沒開始使用,能量已經釋放完了。目前使用最多的是鈈238同位素,這種同位素的半衰期是87.7年,釋放的能量比較合適,使用壽命也比較長。

同位素熱源(RHU),就是把同位素衰變釋放的熱量收集起來為航天器提供熱量,防止航天器被凍壞。要知道太空中的溫度經常在零下100度以下,不注意保暖的話,航天器很容易被凍壞。尤其是深空探測器和月球、火星探測器。

核動力航天器,安全隱患還是發展趨勢?(一)

我國嫦娥三號月球探測器的著陸器和巡視器都使用了同位素熱源,保障探測器在月球過夜的時候不被凍壞,這也是我國第一次在航天器上使用同位素熱源。美國和蘇聯的很多航天器也都使用了這種熱源。

核動力航天器,安全隱患還是發展趨勢?(一)

需要說明的是,這種同位素熱源,功率很小,不能給航天器提供電力和動力,只能提供最低程度的保暖。

2.同位素電池(RTG)

與同位素熱源一樣利用同位素衰變放出的熱量,不過同位素電池要把這些熱量轉化成電能,供航天器使用。這類電池利用溫差發電或斯特林發電技術,把核衰變產生的熱量轉換成電能。這個電能功率是很小的,只有幾瓦到幾十瓦。不過美國人通過多個並聯的方式,製作出了285瓦的GPHS-RTG裝置,這是目前地球上最先進的同位素電源之一,應用到了Galileo木星探測器(2個)、“尤利西斯號”(Ulysses)太陽極區探測器(1個)、Cassini土星探測器(3個)和New Horizons冥王星探測器(1個)。通過這個數據我們可以看到,美國作為超級大國,在航天科技上是處於遙遙領先的地位的。

核動力航天器,安全隱患還是發展趨勢?(一)

GPHS-RTG

核動力航天器,安全隱患還是發展趨勢?(一)

有人會說了,中國能不能造一個這樣的電源應用到我們的航天器上呢?很遺憾地說,暫時還不能,我們還在探索研究階段。另外鈈238這種同位素,地球上沒有天然的,全部是人工製造,現有的90%以上都是美國人使用了。前些年美國的鈈238都是從俄羅斯購買,現在美國人也開始自己造了。造這種同位素需要特殊的核反應裝置,目前只有美俄能批量生產。

小結一下,本次介紹了各種核動力航天器上使用最廣泛的兩種核裝置,全是利用半衰期較短的放射性同位素主要是鈈238來產生能量。簡單說明一下,這種核能方式跟核電站完全不一樣,核電站和後面要提到的核反應堆電源都是利用核裂變,而同位素電池利用的是核衰變。核裂變比較劇烈不容易控制,不留神容易出大事故。核衰變不受人的控制,也不受環境的影響,但是在太空中核衰變的裝置要比裂變裝置安全穩定得多,可以長時間使用。

(加個小插曲,很多人不瞭解核衰變和核裂變的區別,很擔心開採鈾礦的工人的安全。其實剛才已經說過,鈾的半衰期是很長的,相對來說,少量接觸鈾礦石對人類來說是安全的。澳大利亞很多人生活在鈾礦上幾代人都沒什麼問題。但是如果鈾被提純,或者鈾礦石中含有放射性更強的鐳或者釙就會比較危險了,居里夫人就是提取鐳和釙的過程中防護不當得了白血病。另外南京有一位工人撿到了一條放射源鏈子,造成嚴重燒傷,也是放射性比較強的同位素銥192造成的。本文提到的鈈238其實放射性就很強,因此萬一使用同位素電池的航天器掉下來,落在你家附近,那就很危險了。至於鈾235和鈈239只有在發生核裂變的時候才會顯示出真正的毀滅性威力。)

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