嫦娥三号探测器将采用核动力推进 技术不逊美国
这是嫦娥三号月球探测器，包括着陆器和月球车，是中国研制的第一个在外天体上软着陆的航天器。新华社
中国的嫦娥三号月球探测器将很快发射，以便能够在月球上过夜。嫦娥三号需要很长的时间来抵御严寒带来的巨大挑战。为了突破这个困难，中国的嫦娥三号将携带一个核动力电池(一种核动力装置)升空。如果成功，中国将成为继美国和俄罗斯之后世界上第三个将核能应用于太空探索的国家。
那么，什么是核电池？它的功能是什么？世界上核能电池的研究和用途是什么？为什么中国的嫦娥三号月球探测器需要核电池？
核能不仅是由核裂变产生的，也是由核衰变产生的。
提到核能，核能，人们甚至会马上想到核电厂、核潜艇；直接与核反应堆等“大家伙”联系在一起。事实上，这是一个误解。
核能目前广泛用于通过受控的核裂变反应获得能量，从而获得动力、热能和电能。利用受控核裂变反应获取能量的原理是，当裂变材料(如铀-235)在受控条件下发生核裂变时，核能将以热的形式释放出来，用于驱动蒸汽机、直接提供动力或连接发电机发电。核能每年为人类提供所需能量的7%，或所需电能的15.7%。
然而，核能和核能不仅仅是由核反应堆进行的核裂变反应产生的。核衰变反应释放的能量。核能电池是基于核衰变反应。核衰变反应远不如裂变强烈(不受控制的裂变就是核爆炸)，释放的能量也远不如裂变巨大。然而，衰变释放的能量不可忽视。例如，当钚238衰变时，表面温度可达到500至600摄氏度，这足以使钚金属块呈现热红色。
在日本福岛核事故中，救援人员需要快速重建受损堆芯冷却系统的原因是为了获取核燃料衰变产生的热量。否则，高温会熔化金属保护壳，造成严重的核泄漏。
什么是核电池
核电池(也称为原子能电池或放射性同位素发电装置)是指那些将放射性同位素衰变产生的能量转化为电能的装置。核电池也称为同位素电池。(注:同位素是指具有相同质子数和不同中子数的原子。例如，氪和氘是彼此的同位素。核素是指具有一定数量质子的原子，是一种特定的原子。例如，氘或氘是一种核素。同一元素的不同核素是彼此的同位素。)
同样，同位素电池利用同位素材料衰变过程中产生的能量释放的热量进行热电转换。其设备名称RTG(放射性同位素热电发电机)是“放射性同位素热电发电机”一词的缩写。
核细胞通过半导体传感器将钚238和铀238(放射性同位素)衰变过程中辐射(发射粒子α、β和γ)释放的热能转化为电能。目前，核电池已经成功地用作航天器的电源。(它也用于医用心脏起搏器和一些特殊的军事用途)。2012年8月7日，美国发射的好奇号探测器成功抵达火星，其核电池寿命为14年。
核电池的类型和性能
根据所提供的电压，核电池可分为两种类型:高压型(数百到数千伏)和低压型(几十毫伏-1V左右)。根据能量转换机制，可分为九种类型(直接转换型和间接转换型)。更具体地，它包括直接充电核电池、气体电离核电池、辐射伏特效应能量转换核电池、磷光光电核电池、热致光电核电池、温差核电池、热离子发射核电池、电磁辐射能量转换核电池、热机转换核电池等。)。目前，温差核电池和热机转换核电池被广泛使用。核电池的实质性进展始于20世纪50年代。由于其体积小、重量轻、使用寿命长，其能量和速度不受外界环境的温度、化学反应、压力和电磁场的影响，可以在较大的温度范围和恶劣的环境下工作。
据了解，当放射性物质衰变时，带电粒子可以释放出来，如果使用得当，可以产生电流。核电池有一定的稳定性。通常不稳定(即放射性)的原子核在发射粒子和能量后会衰变并变得更加稳定。核电池是利用放射性物质衰变释放能量的原理制成的。核电池以前已经用于军事或航空领域，但是电池的尺寸通常非常大。过去，电池研发的一个主要困难是电池的尺寸经常大于产品本身，以提高性能。
由美国密苏里大学计算机工程系的全载万教授领导的研究小组已经成功地缩小了“核电池”的体积，这种电池体积小但功率大。他们的核电池仅略大于一便士(直径1.95厘米，厚度1.55毫米)，但其输出能量远高于普通化学电池，其功率输出高达普通化学电池的100万倍。
核能电池的另一个吸引人之处是，与普通电池相比，核能电池具有更长的使用寿命。提供电能的同位素工作时间很长，可能长达5000年。在不久的将来，只需要一枚硬币大小的核电池就可以让你的手机保持5000年不充电。
在太空领域，核能经常在航天器上以这些“微型电池”的方式使用。特别是在外太空星球探测领域，因为太空探测器远离太阳，很难利用太阳能电池的能量，所以必须使用核能。因此，核动力卫星在探索外层行星中占有重要地位。
美国航天器使用的核电池的历史
自上世纪中叶以来，美国在先锋号探测器10和11、旅行者号探测器1和2以及木星和土星探测器中使用同位素热电发电机作为能源。正是由于核能的使用，美国的“旅行者1号”行星探测器在世界卫星航行历史上创造了辉煌的记录。目前，它是离地球最远的(飞行约200亿公里)和最快的人造卫星。飞到太阳系边缘花了36年。
同位素热电发生器使用钚238放射性同位素作为热源，用于美国的“子午线”导航卫星(低地球轨道导航卫星系列)。也被称为海军导航卫星系统，英文缩写是NNSS。其主要功能是为核潜艇和各种水面舰艇等提供高精度间歇二维定位。用于海上石油勘探和海洋测量定位、陆地用户定位和大地测量等。从1960年4月到1980年代初，发射了30多枚火箭。当美国在1964年4月发射“子午线”导航卫星时，故障卫星携带的放射性同位素源被烧毁，钚238散布在大气中并扩散到全世界。后来，特殊的石墨被用作同位素源的外壳以防止燃烧。)、“林肯”试验卫星(早在1965年，美国林肯试验卫星就使用钚238放射性同位素作为同位素热电发生器的热源)和“雨云”卫星(是美国试验气象卫星系列的第二代。从1964年8月到1978年10月，发射了7枚火箭。余云卫星的任务是测试新的气象观测仪器和探测方法。在美国于1965年发射的一颗军事卫星上，一个反应堆热电发电机被用作动力源。然而，由于电源调节器的故障，它只工作了43天。1968年5月，当“雨云”气象卫星发射失败时，核动力源落入圣巴巴拉海峡并被打捞上来。).
前苏联航天器对核电池的使用
众所周知，前苏联从1967年到1982年总共发射了24颗核动力卫星，所有这些卫星都属于海洋监视卫星。这颗卫星有一个热离子反应堆，燃料是浓缩铀235，核能为5-10千瓦。然而，核能并不用于驱动卫星。它只利用放射性元素衰变时释放的热量，通过热电偶发电，为卫星上的设备供电。这些核动力卫星大多在200多公里的低轨道上工作。在完成任务后，核反应堆模块与卫星体分离，将小型火箭推进到大约1000公里的轨道，这可以持续600年。
1978年1月24日，苏联的“宇宙”954号核动力卫星发生故障。核反应堆模块未能自然上升和下降。出土的放射性卫星碎片散落在加拿大，造成严重污染。1983年1月，核动力卫星“宇宙”1402也发生了类似的故障。当核反应堆模块在南大西洋上空重返大气层时被完全摧毁。
随着美国和苏联之间的太空竞赛冷却下来，人类探索深空的步伐也放慢了。因为核电池在低地球轨道上，它们的性价比低于太阳能电池。此外，钚238目前主要在俄罗斯生产，燃料来源的限制也阻碍了核能电池的发展和应用。
美国第一个核动力驱动的火星飞行器
然而，近年来，由于大型航天国家深空探测的发展，核电池得到了广泛应用。例如，美国国家航空航天局的“好奇号”火星探测器(“火星科学实验室”)是第四个从地面和汽车大小遥控的美国火星探测器。这也是人类建造的第一辆核动力漫游者。美国的“好奇号”火星探测器搭载了六辆重量为900公斤的火星车，以及火星车的核动力装置。这是一个重约45公斤的核电池，含有4.8公斤钚-238，产生140瓦的能量，可以保证好奇号至少14年的核动力系统。在这里，核能以“小型化”的方式使用。
“好奇号”探测器降落在火星上，目前正在偏远的红色土地上探索。对于“非专业的太空爱好者”来说，从外观上区分“好奇号”和它的前身，如“勇气号”和“机遇号”，实际上比想象要简单得多。在《好奇号》中，长期以来被视为宇宙飞船象征的“翅膀”:太阳能电池翅膀已经消失了。折叠通常的“翅膀”的目的是飞得更远。此外，随着人类继续向深空移动，航天器将变得越来越依赖核能。
中国发展核电迈出大步
月亮绕着地球旋转，周期为27.32166，正好是恒星月，所以我们看不到月亮的背面。这种现象，我们称之为“同步旋转”，几乎是卫星世界的普遍规律。由于月亮的自转和公转需要28天，“月夜”将持续14天(月亮日也有14天)。由于月亮每半个月在白天和黑夜之间交替，温差高达300℃，即零下150到180度。天气太冷了，月球车上的所有仪器都会被冻掉。普通电池无法应对。现在使用的各种先进的蓄电池、锂电池、氢电池和各种电池对我们来说都是无用的。长期承受巨大的温差是对中国月球探测器的一大挑战。迫使我们想出新的方法，我们的国家开发了自己的原子能电池。欧阳自远院士说，我们的月球车实际上同时使用太阳能和核能作为能源。在黑暗的月亮里，温度骤降到零下100摄氏度以上。为了防止车载仪器结冰，休眠的月球车必须依靠核电池的能量来保持温暖并与地面保持联系。但是一旦新的一天到来，太阳能电池可以驱动月球车再次工作。
中国第一个放射性同位素电池于1971年3月12日在中国科学院上海核研究所诞生。它使用钋210作为燃料，输出功率为1.4瓦，热功率为35.5瓦。它还进行了模拟空间应用的地面试验。随着中国核电厂数量的增加，从乏燃料后处理中提取的镎237原材料的逐渐积累为后来钚238电池的开发提供了物质基础。
欧阳自远院士表示，近年来，中国在发展自己的核电方面取得了长足的进步。中国月球车携带的核电池是在中国原子能科学研究所的领导下开发的。
从中国原子能研究院的官方网站上可以看出，从2004年起，该研究院正式开始研究和开发用于空间应用的同位素电池。到2006年，中国将开发第一个钚238同位素电池。2008年，它通过了专家组的评估。这种电池的成功研制填补了我国长期以来在这一研究领域的空白，标志着我国核电系统研究的重要一步。
核能电池的使用不仅限于太空。在高山、深海、北极和南极，甚至在人体内，它随处可见。用于心脏起搏器的核电池仅重40克，体积小，可使用10年。病人解除了频繁开胸手术的痛苦。在极地、岛屿、高山、沙漠、深海和其他条件恶劣、交通不便的地方，RTG是展示其才能的地方。无人自动气象站、浮标和灯塔、地震观测站、飞机导航信标、微波通信中继站和海底电缆中继站都可以使用免维护、长寿命的RTG电源。
根据原子能研究所官方网站的文章，第一个“国产”同位素电池的所有指标都超过了预期要求。整个开发过程安全无误，功率为100毫瓦。这将确保中国首次将核能用于航天器。据报道，嫦娥三号用这种原子能电池(RTG同位素电池)来保证着陆器的能量供应。
中国第一个实用的核电池将与嫦娥三号一起软着陆在月球上，并用于嫦娥三号着陆器和登月舱。这种原子能电池可以连续工作30年。有了它，我们就不怕晚上月亮的温度骤降到零下150度到180度。它可以完全保证探测器上的仪器不会被冰冻损坏。为了防止车载仪器结冰，夜间睡觉的月球车可以通过核电池释放的热量来隔热。但是一旦新的一天到来，太阳能电池可以取代核电池，并重新驱动月球车。
对嫦娥三号来说，核电池中的钚金属238相当于一个热源。这个热源对嫦娥三号的隔热至关重要，嫦娥三号将在月球环境中生存。热电转换器释放的热量和产生的电流完全满足嫦娥三号的能源需求。虽然它的能力不足以发射火箭，但它可以用于小规模的电力供应，以支持嫦娥三号运载的月球车的低速运动。支持嫦娥三号的设备正常工作；支持嫦娥三号与地球之间的通信。
嫦娥三号并不比好奇号差。
嫦娥三号并不比好奇号差！主要来自以下比较:
第一艘宇宙飞船嫦娥三号和好奇号所使用的核能是目前核能小型化的最高成就，尽管尚不清楚好奇号是否直接将核能转化为动能或如何转化。与好奇号相比，嫦娥三号绝对不逊色。此外，嫦娥三号比好奇号小，它的发电厂可能更小。核电厂的比较无非是小型化的程度。
第二，好奇号必须能够承受登陆火星时产生的高温，但是嫦娥三号必须能够承受月球表面几百摄氏度的温差。嫦娥比嫦娥更引人注目。面对高温，所有发射火箭的国家都面临这个问题。此外，好奇号在火星着陆时没有暴露在相对较高的温度下。宇宙飞船返回地球时的温度比它在火星着陆时高得多。然而，嫦娥却非常引人注目，与300摄氏度的温差和零下100多度的低温作斗争，这是中国的第一次。
第三，嫦娥三号和好奇号着陆都是软着陆，都是用火箭发动机向后推。这里必须说，美国对好奇号有更好的制度设计，因为好奇号更重，火星有更大的引力。然而，这是一个击退火箭的问题。此外，火箭的推力不是大问题，我们可以做到。
第四，在行星上着陆是不同的。事实上，登陆月球和火星的难度并没有太大的不同，而且火箭的大小也不高。只要你达到第二宇宙的速度，挣脱地球的束缚，然后关掉引擎，同时保持匀速飞行，就可以实现。事实上，中国已经有火箭达到第二宇宙的速度。至于着陆点，好奇号和嫦娥三号都是提前选定的。他们是在火星上着陆还是在月球上着陆没有多大区别。它们都是由地面人员遥控的(我们已经有了自己的深空空间站和网络。).距离也不是问题(嫦娥二号已经超过了到火星的距离)。
第五，据欧阳自远院士称，钚238是美国好奇号和中国月球车的核燃料。钚238的半衰期超过80年。这段时间足够钚238维持电池几十年。
虽然“国产”同位素电池的功率仍远不及140瓦左右的“好奇号”电池，但一旦第一款国产同位素电池研制成功，将突破同位素发电的主要技术难题。在未来，如果我们想做高功率，我们只需要增加钚238的使用。
因此，嫦娥三号不应该低于好奇号！
核动力卫星有两种核动力源
核动力卫星是使用核能的人造卫星。由于核动力源具有较长的使用寿命和可靠的性能，它可以提供较大的功率。因此，与太阳能电池电源相比，它对环境有很强的适应性。由于卫星外没有大面积的太阳能电池翼，所以在低轨道飞行时，大气阻力很小。在空间战争中使用核能可以提高卫星的生存能力。因此，核动力源适用于一些军用卫星和行星探测器。然而，核能的使用受到安全的限制，因为卫星坠毁会污染大气和地球。
卫星核动力源有两种类型:放射性同位素热电发电机和核反应堆动力源。前者的功率更小，只有几十到几百瓦。后者具有更高的功率，可以达到几千瓦到几十千瓦。据报道，中国正在开发和准备发射一颗搭载太空反应堆的核动力卫星。核动力卫星的地面试验可能在2015年左右完成。到2020年，这种卫星的设计方案可以基本确定。2025年，中国将发射第一颗太空核反应堆驱动的卫星，并进行在轨测试。
在我们的宇宙飞船中使用核电池是非常重要的。
核能电池将在中国未来的深空探测计划中扮演越来越重要的角色，比如火星和金星探测。核能电池甚至更重要。在深空，航天器只能依靠太阳能和核能。此外，随着航天器离太阳越来越远，它接收的阳光越弱，太阳能电池板的发电能力越低，就越需要使用核能。从而保证飞机的能量供应
核电池不仅不受光的影响，还会忽略其他恶劣的外部环境，如真空、极冷、极热、宇宙辐射等。核电池使飞机能够基本上“免疫”恶劣的环境。
此外，核电电源使用寿命长(工作时间长)，性能可靠，能提供较大功率。有许多优点和广阔的应用前景。
事实上，今年12月初，中国第一台搭载核动力装置的月球车“嫦娥三号”成功运行，将标志着中国成为继美国和俄罗斯之后第三个实现核能在空间探索中应用的国家。(文/田进航天科技工作者谈徐)