放射性同位素熱能發電機

**放射性同位素熱能發電機**（英語：**Radioisotope Thermoelectric Generator**），簡稱 **RTG** 或 **RITEG**，是一種核電池，它使用一組熱電偶通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程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（或更低）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信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。計畫負責人為伯特倫・C・布蘭克博士。

美國發射到太空的第一台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 - 費魯埃岩 (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太空載具的電源，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 號太空人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，使用成熟核反應爐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。

除太空載具外，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 台仍在使用。據報導，到 2007 年底，這一數字降到僅 9 台。1966 年 6 月 1 日，土墩實驗室與核燃料與設備公司 (NUMEC) 合作，開始實施心臟起搏器計畫。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接在散熱片，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發電。

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接，並且兩個連接點的溫度不同，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。

## 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:

1. 它的半衰期必須足夠長，以便在合理的時間內以相對恆定的速率釋放能量。給定的每次釋出能量 (功率) 與半衰期成反比，半衰期為兩倍且每次衰變能量相同的同位素將以每摩爾一半的速率釋放能量。因此，放射性同位素熱能發電機所用放射性同位素的典型半衰期為幾十年，儘管半衰期較短的同位素可用於特殊用途。
2. 對於航太用途，每單位質量和體積 (密度) 的燃料必須能產生大量的能量。除非有尺寸限制，密度和重量對於陸地用途並不重要。如果已知放射性衰變前後的輻射能量或質量損失，衰變能可被計算出來。每次衰變釋放的能量與每摩爾的發電量成正比。α 衰變釋放的能量通常是鍶 - 90 或銫 - 137β 衰變的 10 倍。
3. 輻射必須易於吸收和轉化為熱輻射的類型，最好是 α 輻射。β 輻射可通過韌致輻射的二次輻射，散發出大量的伽馬射線 / X 射線輻射，因此需要加重屏蔽。同位素不能產生大量的伽馬射線、中子輻射或一般通過其他衰變模式或衰變鏈導致的貫穿輻射。

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 的屏蔽要求最低。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屏蔽，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，這可以通過氧 16 的氣相交換法來實現。常規批量產出的二氧化鈽 238 沉澱為氫氧化物顆粒，表明在常規基礎上的大批量生產能實現氧 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，如沒有必需的屏蔽措施，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 通過伴有少量 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 是一種高產量的核分裂廢料，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，屏蔽要求也比鈽 - 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，可以假設一台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 通過衰變鏈產物產生的穿透輻射比鈽 238 更多，需要更厚的屏蔽保護層。在放射性同位素熱能發電機中屏蔽要求屬於第三低：次於鈽 238 和釙 210。在當前全球鈽 238 短缺的情況下，歐洲太空總署正在研究將鋂 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布可用於發電。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，即運行 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性能下降，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。

### 多任務放射性同位素熱電發生器

美國太空總署正在開發一種多任務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。這意味著一台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。美國國家航空暨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，航太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，這也是航太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運行時的溫度。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通過這種方法提供能量，但半衰期過短的同位素則不可行。少數太空核反應爐也採用了熱離子技術，但核反應爐通常太重，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。通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。美國太空總署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，它通過自由活塞式斯特林引擎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，經多年測試運行，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運行數十年而無需維護。機械振動可通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通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台處於穩定運行狀態的系統 (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，這二台系統被假定為組件。

熱效率表達符 ηth，由以下公式得出：

　
: $\eta _{\text{th}}={\frac {\text{Desired Output}}{\text{Required Input}}}={\frac {W'_{\text{out}}}{Q'_{\text{in}}}}$

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：

　
: $\Delta E'^{\text{sys}}=Q'_{\text{in}}+W'_{\text{in}}-Q'_{\text{out}}-W'_{\text{out}}\,$

假設系統在穩定狀態下運行，則 $W'_{\text{in}}=0\,$ ,

　
: $W'_{\text{out}}=Q'_{\text{in}}-Q'_{\text{out}}\,$

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:

　
: $\eta _{\text{II}}={\frac {\eta _{\text{th}}}{\eta _{\text{th,rev}}}}$

在此 ηth,rev 為卡諾效率，由:

　
: $\eta _{\text{th}}=1-{\frac {T_{\text{heat sink}}}{T_{\text{heat source}}}}$

其中：Theat sink 為外部溫度 (已測量到多任務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 是多任務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)。這使得多任務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。由於記錄保存不善，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，它們的屏蔽保護層已被剝離，其中兩人因背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 台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。儘管有放射性污染危險，它們中的一些金屬外殼還是已被金屬拾荒者剝去。

### 放射性污染

放射性同位素熱能發電機存在放射性污染風險：如果裝有燃料的容器泄漏，放射性材料可能會造成環境污染。

對於太空載具而言，主要關切的是，如果在太空載具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，在太空載具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污染事故的可能性。在發射後最初的 3.5 分鐘內，3 台發電機中的一台或多台 (或 129 台放射性同位素加熱器) 發生放射性泄漏事故的概率估計為 1/1400；接下來進入軌道後的泄漏概率為 1/476；在此之後，意外泄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污染的事故 (如太空載具未能到達軌道)，則放射性同位素熱能發電機實際造成污染的概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，而核武器和核反應爐中使用的鈽 - 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。

任何一種同位素髮出的 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，在那裡同位素將被匯集並濃縮。

#### 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太空載具事故：

1. 第一次是 1964 年 4 月 21 日發生的衛星發射失敗，美國「子午儀 5BN3」導航衛星未能進入軌道，在重返至馬達加斯加以北上空時燒毀。它的斯納普 9A 型同位素熱能發電機中 17000 居里 (630 太貝克) 的金屬鈽燃料在南半球大氣層中燒毀，數月後在該地區檢測到了微量鈽 - 238。這一事件導致美國國家航空暨太空總署安全委員會要求未來發射的放射性同位素熱能發電機必須完整地返回地球，這反過來又影響了管道型同位素熱能發電機的設計。
2. 第二次是「雨雲 B1 號」氣象衛星，其運載火箭在 1968 年 5 月 21 日發射後不久因軌道不穩定而被下令摧毀。從范登堡空軍基地發射的斯納普 9A 型同位素熱能發電機中含有相對惰性的二氧化鈽，五個月後在聖巴巴拉海峽海底完好無損地被收回，沒有發現環境污染。
3. 1969 年，第一輛月球車任務的發射失敗，在俄羅斯大片地區撒落了釙 - 210 。
4. 1970 年 4 月，阿波羅 13 號任務失敗，意味著艙登月艙將攜帶一台放射性同位素熱能發電機返回大氣層，並在斐濟上空燒毀。它所攜帶的這台斯納普 27 型同位素熱能發電機中含有 44500 居里 (1650 太貝克) 的二氧化鈽，裝在著陸器腿上的一個石墨桶中，在重入地球大氣層時被完好地保存下來，正如事先規劃的路徑，軌道的安排使它能夠落入在太平洋湯加海溝 6-9 公里深的海底。大氣和海水取樣沒有發現鈽 - 238 污染，證實了該燃料桶在海床上完好無損的假設。預計該燃料桶中的燃料至少還有 10 個半衰期 (即 870 年)。美國能源部已進行了海水測試，並確定設計用於抵禦重返大氣層的石墨外殼是穩定的，不會發生鈽泄漏。隨後的調查發現，該地區的自然背景輻射沒有增加。阿波羅 13 號事故代表了一種極端的情況，因為飛船從地月軌道空間 (地球大氣層與月球之間的區域) 返回時的速度極高。這次事故驗證了新一代放射性同位素熱能發電機的設計是高度安全的。
5. 1996 年，俄羅斯發射了火星 96，但未能離開地球軌道，數小時後又重返大氣層。太空載具上的兩台同位素熱能發電機總共攜帶了 200 克鈽，並被認為能按設計要求在重返過程中倖存下來。現在估計它們跌落在範圍為 320 公里長 ×80 公里寬，東北 - 西南走向的橢圓形區域的某處，該橢圓區的中心位於智利伊基克以東 32 公里處。

1965 年，一台名為斯納普 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程自動站供電，該站主要收集中國火箭測試基地的遙測數據。總共有 7 件設備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屏蔽層出現缺陷。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。

### 與裂變反應爐的比較

放射性同位素熱能發電機與裂變反應爐使用極不同的核反應方式。

核動力反應爐 (包括用於太空的小型反應爐) 在鏈式反應中進行受控裂變，反應速率可以通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，甚至爆炸或核熔毀。

放射性同位素熱能發電機中不會發生鏈式反應，熱能是通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，並且不可能通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毀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，則仍有放射性污染的風險。

## 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。在這种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<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 年提交給美國國家航空暨太空總署，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國家航空暨太空總署提出的「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運行時間延長至 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、地球通信提供電力，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通過放射性衰變來提供動力，其特點是將熱能轉換為電能，但為了進一步了解具體情況，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台 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。

\*\* 山毛櫸 5 型或布克反應爐是一個快速增殖反應爐，它使用基於半導體的熱電偶將熱量直接轉化為電能，不是真正的放射性同位素熱能發電機。

\*\*\* 斯納普 10A 型並非真正的放射性同位素熱能發電機，它使用濃縮鈾燃料，氫化鋯作為慢化劑，液態鈉鉀合金冷卻劑，用鈹反射體激活或停止反應爐為熱電轉換系統供熱的方式來發電。

\*\*\*\* 不是真正的放射性同位素熱能發電機，先進斯特林放射性同位素發電機 (ASRG) 是一台使用放射性同位素供熱來運行的斯特林發電裝置 (見斯特林放射性同位素發電機)。

### 陸地型

## 另請參閱

* 鹼性金屬熱電轉換器
* 核電池
* 射線電池
* 千瓦級 (採用斯特林技術的千功率級反應爐)
* 光電核電池
* 放射性同位素加熱器
* 核輔助電力系統
* 放射性同位素
* 斯特林放射性同位素發電機
* 熱離子轉換器
* 數百瓦級放射性同位素熱能發電機

## 參考文獻

**Notes**

## 外部連結

* 美國國家航空暨太空總署放射性同位素動力系統網站–放射性同位素熱能發電機 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室簡報，用放射性同位素動力系統擴展疆界 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）— 提供了放射性同位素熱能發電機資訊和一個較長介紹的連結
* 太空觀點：「卡西尼號」放射性同位素熱能發電機之爭
* 斯特林放射性同位素發電機 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 能源部捐資 – 好的連結 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 愛達荷國家實驗室 - 放射性同位素熱能發電機製造商
* 愛達荷國家實驗室多任務放射性同位素熱能發電機頁面，帶有基於照片的「虛擬觀賞」 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）