美为深空探测囤积放射性能源物质

钚的生产非常困难。每个人都理所当然地认为它是存在的，并且一直存在。生活比这更复杂。

钚是在橡树岭国家实验室的“辐射室”中制备的。资料来源:亚历山德拉·威茨

肯·威尔逊透过黄色的玻璃窗凝视着另一边凌乱的瓶子和化学设备。在这样的“辐射室”工作是威尔逊的日常职责。他是田纳西州橡树岭国家实验室的*核能技术工程师。通过机械臂，他开始抓起瓶子，打开瓶盖，将液体倒入另一个容器。

最后，威尔逊将液体倒入深棕色液体中。这种液体是钚238浓缩物:一种高放射性同位素，威尔逊正在进行提纯。钚238的最终目标是在宇宙深处，其衰变产生的热量将为美国宇航局的太空计划提供能量，例如未来的火星探测器和计划在太阳系外旅行的宇宙飞船。

这批钚-238对美国宇航局来说将是一大解脱，因为越来越多的人担心这些材料会被耗尽。这种同位素在自然界中不存在，所以它必须在原子反应堆中制造。然而，1988年，美国的主要供应源被关闭，美国能源部位于南卡罗来纳州的萨凡纳河工厂停止生产钚-238，作为其逐步淘汰核武器计划的一部分。四年后，能源部开始从俄罗斯购买少量钚-238，但采购活动最终停止。

因此，美国宇航局目前只有35公斤钚-238，不能满足火星计划的需要。这种情况在2013年底更加糟糕，当时预算紧张导致美国宇航局取消了一个开发放射性同位素能源的项目。

这也是为什么威尔逊在橡树岭进行净化工作。自去年以来，美国航天局每年向能源部支付5000万美元，以恢复其长期停滞的钚238生产能力。这是一项困难的工作，“钚的生产非常困难。每个人都理所当然地认为它是存在的，并且一直存在。生活比这更复杂。”约翰霍普金斯大学的行星科学家拉尔夫·麦克纳特(Ralph McNutt)说。他正在参与美国国家航空航天局的太空项目原子能的内部开发。

热点区域

第一台放射性同位素动力设备出现在20世纪50年代末和60年代初的美苏太空项目中。从1961年发射的海军导航卫星到2011年的火星探测器好奇号，美国已经在27个空间项目中使用了放射性同位素动力设备。

所有这些装置都遵循相同的基本原理:当同位素衰变时，放射性加热两种金属或半导体的接合处。由于产生电力的热电效应，飞机可以被用来为设备提供动力或在电池中储存能量。更小的放射性同位素设备也能让探测器在寒冷的宇宙中保持温暖。

选择钚-238部分是因为它每克材料产生大量能量，而且更安全:它只释放相对容易保护的α粒子。

目前，美国国家航空航天局更倾向于设计一种核动力源——多任务放射性同位素热发动机(MMRTG)，该发动机在飞行任务开始时可使用4.8千克二氧化钚产生2000瓦的热量和110瓦的电能。钚238的半衰期为87.7年，可以产生几十年的能量，但其产量会随着时间的推移而减少。

拥有35公斤二氧化钚的美国国家航空航天局似乎有能力开发核动力航天器。然而，这些储备已经使用了很长时间，目前只能满足不到美国宇航局一半的能源需求。考虑到不断发展的行星项目的漫长时间和确保钚的持续供应的挑战，原子能机构远没有现在这么幸运。

美国宇航局将使用大约5公斤二氧化钚作为“发电机”，用于计划于2020年发射的新火星探测器。然而，未来的太阳系外任务将需要更多的“发电机”。

与能源部的新合同将首次为美国宇航局提供稳定的钚238供应。能源部的目标是到2021年每年生产1.5千克二氧化钚，这些氧化物可以转化为1.1千克钚-238。该机构行星科学部副主任大卫·舒尔说，美国宇航局将有足够的燃料在10年内维持两次任务。"在未来20年，我们可能会在可预见的项目上做得更好。"他说。

生产线

一条新的钚-238生产线在爱达荷州国家实验室投入使用，该生产线主要从废弃的核反应堆燃料中提取同位素镎-237。镎然后被送到橡树岭。在阿巴拉契亚山脉的一个秋天的早晨，橡树开始披上红色和橙色的外衣，这使得人们很容易忘记这里辉煌的原子能历史。但是，用不了多久，穿过老铀浓缩工厂和废弃的警卫塔，通往实验室的道路将会变得“生机勃勃”。

在橡树岭国家实验室公园，镎-237将首先被加压成橡胶大小和形状的小球。然后这些球一个接一个地滑入一个长铝管，并被运送到实验室最古老的建筑——高通量同位素反应堆。

辐射经理克里斯·布莱恩看着一个看起来像室内游泳池的地方，展示了一个微型反应堆堆芯组件的物理模型。它安装在一个直径为2.4米的铍圆柱体上，上面有许多小孔。在反应堆运行之前，布赖恩将把装满镎的铝管插入这些孔中，以便它们能与反应堆堆芯充分接触。布莱恩解释道，“我们正试图将尽可能多的镎挤压到有限的体积中。”

一旦这些管道就位，布赖恩将把整个装置放入游泳池，水将作为辐射屏障，然后打开反应堆25天。在此期间，大量中子轰击镎-237，导致镎-238迅速衰变为钚-238。

一旦该过程完成，管道将被移除，工作人员将使用带有附加保护装置的轨道小车将它们放置在下一个房间。在这里，威尔逊和他的同事透过黄色玻璃观察机器人手臂的操作。他们的工作是用硝酸溶解辐照过的小球，然后提取钚并浓缩成氧化物粉末，最终装入保护桶中。

最后，反辐射卡车将把桶运到洛斯阿拉莫斯国家实验室。在这里，这些氧化物将被压制成燃料颗粒。

当然，在这个精心设计的过程中还有许多其他阶段。首先，橡树岭国家实验室的反应堆没有足够的空间来转化所有镎-237。镎颗粒在这里制造后，其中一些将被运送到爱达荷实验室，其改进的测试反应堆将完成一些辐照工作。

现在主要工作仍在橡树岭。化学工程师罗伯特·惠姆(Robert Wham)负责计划如何安全地进行两批试验，每年生产1.5千克二氧化钚。“这里的人以前没有用过镎。我们几乎从零开始。”他说。

美国宇航局也在寻找从现有钚中提取更多能量的方法。由喷气推进实验室的材料工程师让-皮埃尔·弗莱瑞尔领导的一个研究小组正试图建造热电偶，这种热电偶可以利用钚的放射性衰变发电。通过用钴锑材料取代目前用于热电偶的铅基材料，弗莱瑞尔的团队将在辐射开始时获得至少25%的能量。

能量渴求

直到去年，美国国家航空航天局仍在致力于开发一种太空斯特林发动机，它使用1/4的钚来产生与微波加热技术相同的能量。斯特林转换器有时类似于高科技蒸汽机:钚衰变产生的热量驱动氦膨胀，进而驱动活塞发电。一个泰坦项目曾计划使用斯特林技术，但由于资金限制，美国宇航局于2013年11月取消了该计划。

这个决定招致了行星科学家的批评，比如马里兰大学的杰西卡·阳光。例如，美国宇航局最近提出的项目提案，一个低成本的“发现”级航天器，甚至不允许使用超过最低水平的加热设备的放射性同位素。

尽管美国宇航局决定取消斯特林，一个小规模的研究项目仍在继续。格伦研究中心放射性同位素动力系统项目负责人约翰·哈姆利(John Hamley)和他的同事们目前正在继续研究12种不同配置的斯特林转换器。该项目已经进行了10年，以证明活塞能够长期可靠地工作，以满足长期空间任务的需要。

如果美国宇航局需要钚为人类太空探索提供能量，所有这些努力都是不够的。该机构目前正计划将宇航员送往小行星或更深的太空，这将需要比少量钚238更多的能量。舒尔说，如果一个行星项目可能需要300-900瓦的能量，人类对深空的探索将需要一个更大的宇宙飞船和数万瓦的能量。美国宇航局将于明年初发布的一份内部报告估计了太空中对核能的需求，指出可能需要一种类似裂变反应堆的可自我维持的能源。

回到橡树岭，惠姆仍在考虑如何制备更多钚。如果有必要，他说他将使用更多的辐射室来制造更多的钚。“如果他们来找我们，想要更多的产品，我们知道怎么做。”他说。(张张)

中国科学新闻(2014-12-01第三版国际版)

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