放射性同位素熱電機

放射性同位素熱能發電機，簡稱--或--，是一種核電池，它使用一組熱電偶透過塞貝克效應將合適放射性材料衰變所釋放的熱能轉換成電能，這種發電機沒有活動部件。放射性同位素熱能發電機已被用作人造衛星、太空探測器以及無人值守的遠端設施如蘇聯在北極圈內建造的一系列燈塔的電源。在燃料電池、蓄電池或發電機無法長時間經濟地提供數百瓦電力的情況下，以及在太陽能電池不實用的地方，這種發電機通常是最理想的無需維護型電源，但它的安全使用要求在裝置使用期結束後很長一段時間內對放射性同位素進行嚴格管理。製造也非常麻煩，需要使用核反應爐的廢料進行合成，因此，放射性同位素熱能發電機的成本，往往限制了它們在罕見或特殊場合下的應用。歷史.放射性同位素熱能發電機是1954年由土墩實驗室(Mound Laboratories)兩位科學家“肯·喬丹”(Ken Jordan)和“約翰·伯登”(John Birden)所發明，2013年兩人均入選國家發明家名人堂。1957年1月1日，喬丹和伯登與美國陸軍訊號部隊簽訂了一份放射性材料和熱電偶研究合同(R-65-8- 998 11-SC-03-91)，這些材料和熱電偶適用於將釙-210產生的熱能直接轉換為電能。20世紀50年代末，位於俄亥俄州邁阿密斯堡的土墩實驗室根據與美國原子能委員會簽訂的合同，開發出了放射性同位素熱能發電機。專案負責人為伯特倫·C·布蘭克博士。美國發射到太空的第一臺放射性同位素熱能發電機是1961年搭載在海軍子午儀衛星(Transit satellite)上，由96克金屬鈽-238驅動的核輔助電力系統(斯納普3B型)；而最早在陸地上的應用案例之一，則是1966年美國海軍在阿拉斯加無人居住的小島-費魯埃巖(Fairway Rock)的使用，直到1995年，該地點都一直在使用。放射性同位素熱能發電機的常見應用是作為太空航天器的電源，核輔助電力系統(SNAP)裝置主要應用在遠離太陽，太陽能電池板不起作用地方的探測器上，如先驅者10號、先驅者11號、旅行者1號、旅行者2號、伽利略號、尤利西斯號、卡西尼號、新視野號、火星科學實驗室等。該發電機也曾用於驅動兩輛海盜號著陸器，以及阿波羅12號到17號宇航員安放在月球上的科學實驗裝置(斯納普27型)。由於阿波羅13號登月因故障半途中止，它的放射性同位素熱能發電機沉落在湯加海溝附近的南太平洋中。放射性同位素熱能發電機還應用在氣象(Nimbus)、導航(Transit)和實驗(LES)衛星上。相較之下，使用成熟核反應堆的太空飛行器則只屬少數：僅有蘇聯的雷達型海洋監視系列衛星(RORSAT)和美國的SNAP-10A衛星。除航天器外，前蘇聯還建造了數千座由放射性同位素熱能發電機供電的無人值守燈塔和導航信標。美國空軍使用放射性同位素熱能發電機主要為位於阿拉斯加的“Top-ROCC”和“SEEK IGLOO”監視雷達系統的遙感站供電。在過去，小型“鈽電池”(非常小的由鈽238供電的放射性同位素熱能發電機)被用於心臟起搏器中，以確保非常長的“電池壽命”。截至2004年，大約有90臺仍在使用。據報道，到2007年底，這一數字降到僅9臺。1966年6月1日，土墩實驗室與核燃料與裝置公司(NUMEC)合作，開始實施心臟起搏器專案。當認識到火化過程中放射性熱源不會完好無損時，該項計劃於1972年被取消，因為無法完全確保這些裝置不會與使用者的遺體一起火化掉。設計.從核技術標準看，放射性同位素熱能發電機的設計原理很簡單：主要部件是一隻堅固的放射性物質(燃料)容器，將熱電偶插入容器壁中，每支熱電偶的外端連線在散熱片，燃料的放射性衰變產生熱量，燃料和散熱器之間的溫差使熱電偶產生髮電。熱電偶是一種利用帕爾帖-塞貝克效應將熱能直接轉換為電能的熱電效應裝置。它由兩種都能導電的金屬(或半導體)製成，如果在一個閉合迴路中它們相互連線，並且兩個連線點的溫度不同，則將會在迴路中產生流動電流。通常將大量熱電偶串聯在一起可產生更高的電壓。根據麻省理工學院的唐爽和崔瑟豪斯夫人提出的“”， 提高電子-空穴的非對稱性、增加有效帶隙、帶邊對齊等方法在大多數半導體材料中均可以提高熱電機中發電材料系統的能源轉換率。通常也可附件材料奈米化的方法，但該方法更適合運用於低載流子濃度的熱電發電材料體系。這種改良後的放射性同位素熱電機常用於人造衛星、無人航天器、潛艇中。燃料.同位素選擇標準.放射性同位素熱能發電機中使用的放射性物質必須具備以下幾種特性:前兩項標準將整個核素表內可能的燃料限制在原子數為30以下的同位素上。鈽-238、鋦-244和鍶-90是最常被引用的候選同位素，其他同位素如釙-210、鉕-147、銫-137、鈰-144、釕-106、鈷-60、鋦-242、鋂-241和銩等也都被研究過。鈽238.鈽-238的半衰期為87.7年，合理的功率密度為每克0.57瓦，以及特別低的伽馬射線和中子輻射水平。鈽238的遮蔽要求最低。只有三種候選同位素符合最後一項標準(並非所有以上列出的同位素)，而且僅需厚度小於25毫米的鉛板就可隔離輻射，而鈽238(這三種中最好的)的需求量小於2.5毫米，並且在許多情況下鈽238在放射性同位素熱能發電機中不需要遮蔽，因為套管本身就足夠了。鈽238以二氧化鈽(PuO2)的形式成為放射性同位素熱能發電機使用最普遍的燃料。然而，富氧的天然二氧化鈽以~23x103個/秒/克的輻射率釋放出鈽-238中子，相較於金屬鈽-238，這一輻射率相對偏高。不含輕元素雜質的金屬鈽-238釋出~2.8x103個/秒/克，這些中子是鈽-238自發裂變產生的。金屬和氧化物輻射率的不同主要歸因於α反應，即中子與氧化物中的氧-18和氧-17發生的反應。以天然形式存在的氧-18正常量為0.204%，而氧-17的正常量為0.037%。二氧化鈽中氧-17和氧-18含量的減少將會使氧化物的中子輻射率大大降低，這可以透過氧16的氣相交換法來實現。常規批次產出的二氧化鈽238沉澱為氫氧化物顆粒，表明在常規基礎上的大批次生產能實現氧16的交換。高溫焙燒過的二氧化鈽238微球成功交換了氧16，顯示無論二氧化鈽238以前的熱處理如何，都會發生交換。1966年在土墩實驗室的心臟起搏器研究中發現，含有正常氧氣的二氧化鈽中子輻射率降低了五倍，部分原因是土墩實驗室從1960年起生產穩定同位素的經驗。對於大熱源的生產，如沒有必需的遮蔽措施，這一過程將被禁止。與本節討論的其他三種同位素不同，鈽238必須經過專門合成，作為核廢料產品它並不充裕。目前，只有俄羅斯保持了高產量，而美國在2013年至2018年間，總產量不超過50克(1.8盎司)。美國相關機構希望以每年300到400克(11到14盎司)的產量生產這種材料。如果這一計劃得到資助，其目標將是建立自動化和規模化處理線，以便到2025年平均每年產量可達到1.5千克(3.3磅)。鍶90.鍶-90曾被前蘇聯使用於陸地型放射性同位素熱能發電機中，鍶90透過伴有少量γ射線的β輻射逐步衰減。雖然它的28.8年的半衰期比鈽238短得多，但其衰變能也較低，功率密度為0.46瓦/克。由於其能量輸出較低，因此它產生的溫度低於鈽238，導致發電機效率較低。鍶90是一種高產量的核裂變廢料，以低廉的價格大量供應。釙210.美國原子能委員會在1958年首次製造的一些同位素熱能發電機原型中曾使用過釙-210。這種同位素由於其高衰變率，產生出驚人的功率密度(純釙210的輻射率達140瓦/克)，但由於它138天的極短半衰期，使其用途有限。半克釙210就可達到攝氏500°(華氏900°)以上的高溫。由於釙-210是一種純α射線放射體，不發射明顯的伽馬或X射線輻射，因此，遮蔽要求也比鈽-238低。鋂241.鋂-241是一種潛在的候選同位素，其半衰期比鈽238更長：鋂241的半衰期為432年，可以假設一臺裝置可提供數世紀的電源，但鋂241的功率密度僅為鈽238的1/4，且鋂241透過衰變鏈產物產生的穿透輻射比鈽238更多，需要更厚的遮蔽保護層。在放射性同位素熱能發電機中遮蔽要求屬於第三低：次於鈽238和釙210。在當前全球鈽238短缺的情況下，歐洲空間局正在研究將鋂241作為同位素熱能發電機的燃料。2019年，英國國家核實驗室宣佈可用於發電。與鈽238相比，它的一個優勢是作為核廢料產物，幾乎是純淨的同位素。為5–50瓦電放射性同位素熱能發電機設計的鋂241原型發電機預計功率可達2-2.2 瓦電/千克，在這一功率範圍內與鈽238發電機相當。壽命跨度.大多數放射性同位素熱能發電機都使用半衰期為87.7年的鈽238為燃料，因此，使用這種材料的發電機每年輸出功率將下降1–0.51/87.74或0.787%。這方面的一個示例是旅行者探測器上使用的數百瓦級放射性同位素熱能發電機。截止2000年，即執行23年後，該發電機內的放射性物質功率下降了16.6%，即輸出功率只為初始功率的83.4%；從開始時的470瓦功率，經過這一段時間後，降至392瓦。此外，旅行者號發電機另一相關的功率損失因素是將熱能轉換為電能的雙金屬熱電偶效能下降，發電機目前的工效處於其原始總功率的67%水平上，而非預期的83.4%。到2001年初，“旅行者1號”和“旅行者2號”的同位素熱能發電機發電量將分別降至315瓦和319瓦。多工放射性同位素熱電發生器.美國航天局正在開發一種多工放射性同位素熱電發生器(MMRTG)，其中熱電偶將由方砷鈷礦物(skutterudite)，一種鈷砷化物(CoAs3)製成，與目前基於碲的設計相比，它可作用於更小溫差下。這意味著一臺類似的同位素熱能發電機在任務開始時會多提供25%以上的電能，而在17年後至少會增加50%以上。美國太空總署希望在下一個新疆界任務中使用這種設計。效率.放射性同位素熱能發電機使用熱傳導將放射性物質的熱量轉化為電能。熱電模組，雖然非常可靠和持久，但效率非常低，從未達到10%以上的效率，大部分同位素熱能發電機的工效在3-7%之間。迄今為止，航天任務中的熱電材料包括矽鍺合金、碲化鉛和銻碲化物、鍺及銀(TAGS)等。目前利用其他技術提高熱能發電效率的研究業已完成，實現更高的效率意味著只需更少的放射性燃料就可產生出同樣的電能，因此發電機的總重量會更輕，這也是航天發射成本需考慮的一項至關重要的因素。熱離子轉換器-一種基於熱離子輻射原理的能量轉換裝置，其效率可達到10–20%之間，但要求的溫度高於標準同位素熱能發電機執行時的溫度。一些釙210熱能發電機原型已使用了熱離子技術，其他極有可能的放射性同位素也可以透過這種方法提供能量，但半衰期過短的同位素則不可行。少數太空核反應堆也採用了熱離子技術，但核反應堆通常太重，無法在大多數太空探測器上使用。“熱光伏電池”(Thermophotovoltaic cell)的工作原理與太陽能電池相同，只是它們將熱表面輻射的紅外線光而不是可見光轉化為電能。熱光伏電池的效率比熱電模組(TEMs)稍高，並且可以覆蓋在其上，有可能使效率倍增。透過電加熱器模擬帶有放射性同位素發電機的系統已經證明其效率可達到20%，但還沒有用放射性同位素進行過測試。一些理論上的熱光伏電池設計效率高達30%，但這些還沒有出產或證實。熱光伏電池和矽材料的降解速度比金屬材料快，尤其是在電離輻射環境下。動態發電機可提供超過同位素熱能發電機四倍轉換效率的電能。美國航天局和能源部一直在開發稱之為斯特林放射性同位素發電機(SRG)的下一代放射性同位素燃料發電機，它透過自由活塞式斯特林發動機與線性交流發電機耦合，將熱量轉化為電能。斯特林發電機樣機的平均效率為23%，進一步提高發電機冷、熱端之間的溫度比還可獲得更高的效率。在試驗裝置中，使用非接觸運動機件、抗疲勞彎曲軸承以及無潤滑和密封環境，經多年測試執行，沒有表現出明顯的退化損耗。實驗結果表明，斯特林放射性同位素發電機可連續執行數十年而無需維護。機械振動可透過實施動態平衡或使用雙反向運動活塞來消除。斯特林放射性同位素發電系統的應用範圍可涵蓋深空、火星和月球探測及其它科學探索任務。斯特林放射性同位素發電機效率的提升可透過熱力學特性的理論比較來證明，如下所示。計算過程已被簡化且沒考慮所用同位素半衰期較長而導致的熱功率輸入衰減因素。該分析的假設前提是在實驗過程中所觀察到的兩臺處於穩定執行狀態的系統(所用數值見下表)。這兩種發電機都可簡化為熱引擎，以便比較它們對應卡諾效率的發電效率。除熱源和散熱片外，這二臺系統被假定為元件。熱效率表達符ηth，由以下公式得出：formula_1這裡的上撇符 ( ' ) 表示時間導數。按照熱力學第一定律的常規形式，功率表達為：formula_2假設系統在穩定狀態下執行，則formula_3,formula_4則可計算出ηth為11瓦/ 200瓦= 5.5% (斯特林放射性同位素發電機為140瓦/ 500瓦= 28%)。另外，第二定律效率，表示為ηII由以下公式得出:formula_5在此ηth,rev為卡諾效率，由:formula_6其中:Theat sink為外部溫度(已測量到多工放射性同位素熱能發電機(MMRTG)為510 K，而斯特林放射性同位素發電機則為363 K)，Theat source是多工放射性同位素熱能發電機燃料芯的溫度，假設為823 K(斯特林放射性同位素發電機為1123 K)。這使得多工放射性同位素熱能發電機的第二定律效率為14.46%，而斯特林放射性同位素發電機為41.37%)。安全性.偷盜.放射性同位素熱能發電機中含有的放射性物質屬危險品，甚至可以用於惡意目的。它們對真正的核武器幾乎沒有用處，但仍可應用於“髒彈”。前蘇聯用鍶-90(鍶90)建造了許多無人值守燈塔和導航信標。它們非常可靠，提供了穩定的電源，但大多數都沒有保護措施，甚至沒有圍欄或警告標誌。由於記錄儲存不善，一些設施的位置已經不為人所知。有一次，一名小偷曾打開了放射性隔間；而在另一起案例中，喬治亞察倫吉哈區的三名伐木工發現了兩隻陶瓷裝同位素熱能發電機熱源，它們的遮蔽保護層已被剝離，其中兩人因揹負熱源後被嚴重輻射燒傷而住院治療。最終，這些設施被回收並隔離。俄羅斯境內大約有1000臺這樣的放射性同位素熱能發電機，所有這些發電機都早已超過所設計的10年使用期限。大多數發電機可能已不再工作，需要被拆除。儘管有放射性汙染危險，它們中的一些金屬外殼還是已被金屬拾荒者剝去。放射性汙染.放射性同位素熱能發電機存在放射性汙染風險：如果裝有燃料的容器洩漏，放射性材料可能會造成環境汙染。對於航天器而言，主要關切的是，如果在航天器發射或隨後接近地球的過程中發生事故，有害物質可能會釋放到大氣中。因此，在航天器和其他地方使用有害物質已引起爭議。但目前同位素熱能發電機桶的設計不太可能會出現這種情況。例如，1997年發射的卡西尼-惠更斯探測器的環境影響研究充分評估了任務各階段發生汙染事故的可能性。在發射後最初的3.5分鐘內，3臺發電機中的一臺或多臺(或129臺放射性同位素加熱器)發生放射性洩漏事故的機率估計為1/1400；接下來進入軌道後的洩漏機率為1/476；在此之後，意外洩漏的可能性急劇降至百萬分之一以下。假如在發射階段發生了可能造成汙染的事故(如航天器未能到達軌道)，則放射性同位素熱能發電機實際造成汙染的機率估計約為十分之一。 但最終發射圓滿成功，“卡西尼-惠更斯號”順利到達了土星。這些同位素熱能發電機中所用鈽-238的半衰期為87.74年，而核武器和核反應堆中使用的鈽-239的半衰期為24110年。半衰期較短的結果是鈽-238的放射性約為鈽-239的275倍(即17.3居里(640吉貝克)/克比0.063居里(吉貝克)/克)。例如，3.6千克鈽-238每秒發生的放射性衰變次數與1噸鈽-239相同。由於兩種同位素的放射性致病率幾乎完全相同，因此，鈽-238的毒性是鈽-239的275倍。任何一種同位素發出的α輻射都不會穿透皮膚，但如果吸入或攝入鈽，它可以照射內臟，尤其危險的是骨骼，其表面可能吸收同位素，以及肝臟，在那裡同位素將被彙集並濃縮。事故.已經發生過幾起涉及放射性同位素熱能發電機供電的航天器事故：1965年，一臺名為斯納普19C型的放射性同位素熱能發電機在印度楠達德維山山頂附近丟失。當時它們被安放在山頂附近的岩石中，面臨暴風雪。原本安裝後為中情局遠端自動站供電，該站主要收集中國火箭測試基地的遙測資料。總共有7件裝置包被雪崩捲入山谷中的冰川，再也沒被找到，很可能已被融化的冰川粉碎。因此鈽238鋯合金燃料氧化了冰川下以羽流形式移動的土壤顆粒。蘇聯很多為燈塔和信標提供電力的"貝塔M型"(Beta-M)放射性同位素熱能發電機，已成為“失控”的輻射源。其中一些裝置為獲取廢金屬而被非法拆除(導致鍶-90源完全暴露)、另一些已落入海洋或因設計不當或物理損壞使遮蔽層出現缺陷。美國國防部降低威脅合作計劃表示擔心，"貝塔M型"(Beta-M)放射性同位素熱能發電機材料可被恐怖組織用來製造髒彈。與裂變反應堆的比較.放射性同位素熱能發電機與裂變反應堆使用極不同的核反應方式。核動力反應堆(包括用於太空的小型反應堆)在鏈式反應中進行受控裂變，反應速率可以透過中子吸收控制棒來調節。因此功率可以根據需要而變化，或完全關閉(幾乎)以進行維護，但需謹慎避免危險的高功率水平下的不受控操作，甚至爆炸或核熔燬。放射性同位素熱能發電機中不會發生鏈式反應，熱能是透過自發的放射性衰變產生的，其速率不可調節且穩定下降，並只取決於同位素燃料的數量及其半衰期。在同位素熱能發電機中，熱能的產生不能隨需求變化，也無法在不需要時關閉，並且不可能透過降低功耗來節省更多的能量。因此，可能需要輔助電源(如可充電電池)來滿足用電高峰的需求，而且還必須始終提供足夠的冷卻，包括在太空任務發射前和飛行早期階段。放射性同位素熱能發電機不可能出現像核熔燬或核爆炸那樣的驚人事故，但一旦火箭爆炸，或裝置在重返大氣層時解體，則仍有放射性汙染的風險。亞臨界倍增同位素熱能發電機.由於鈽-238的短缺，目前提出了一種亞臨界反應輔助的新型放射性同位素熱能發電機。在這種放射性同位素熱能發電機中，放射性同位素的α衰變也被用於含有合適元素如鈹的α-中子反應中，這樣就產生了長壽型的中子源。由於系統在接近但小於1的臨界狀態下工作，即有效中子倍增因子Keff&lt;1，從而實現了亞臨界倍增，增加了背景中子並從裂變反應中產生出能量。儘管放射性同位素熱能發電機中產生的裂變數量非常少(它的伽馬輻射可以忽略不計)，但由於每次裂變反應釋放的能量是每次α衰變的30倍以上(200兆電子伏特，而非6兆電子伏特)，因此可以獲得10%的能量增益，這意味著每次任務對鈽238的需求量會減少。這一想法於2012年提交給美國太空總署，以加入每年一度的恩斯皮爾(NSPIRE)競賽，2013年又轉交愛達荷州國家實驗室進行可行性研究，但基本要素仍未改變。星際探測器用同位素熱能發電機.放射性同位素熱能發電機已被建議應用於實際的星際先驅任務和星際探測器上，這方面的一個示例是美國太空總署提出的“創新型星際探測器”(2003年至今)提案。2002年，為該類任務提出了使用鋂241的放射性同位素熱能發電機，它可將星際探測器的任務執行時間延長至1000年，因為從長期來看，能量輸出下降的速度比鈽慢。在這項研究中也檢驗了可應用於同位素熱能發電機的其他同位素，考察了諸如瓦/克、半衰期及衰變產物等特性。1999年的一項星際探測器提案建議使用三種先進的放射性同位素能源(ARPS)。放射性同位素熱能發電機的電能可為科學儀器、地球通訊提供電力，一項任務曾提議使用電力來為離子推力器提供動力，稱這種方法為“放射性同位素電力推進”(REP)。靜電增強型放射性同位素熱源.已提出的一種基於自感應靜電場的放射性同位素熱源功率增強方法，根據提出者的說法，使用的測試源已實現高達10%的提增幅度。型號.常規的放射性同位素熱能發電機是透過放射性衰變來提供動力，其特點是將熱能轉換為電能，但為了進一步瞭解具體情況，在此包括了一些在概念上有所變化的系統。太空核電力系統.已知的探測器/核動力系統及結局。核動力系統面臨著各種各樣的結局，例如，阿波羅飛船的斯納普27型同位素熱能發電機被留在了月球上。其他一些探測器也有小型放射性同位素加熱器，如每架火星探測車都有一臺1瓦的放射性同位素加熱器。探測器使用了不同數量的材料，例如火星科學實驗室攜帶的“好奇號”火星車上就有4.8千克二氧化鈽-238，而卡西尼號探測器上則有32.7千克。