美国太空“核复兴”开端:NASA的火星探测器,首次由美国本土制造的钚提供动力

2015年,美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)近30年来首次在美国生产了钚燃料。现在它正在飞往另一个星球。

美国太空“核复兴”开端:NASA的火星探测器,首次由美国本土制造的钚提供动力

上个月末,美国国家航空航天局(NASA)成功发射了新的火星车 “毅力号”,其将在火星上执行寻找远古生命迹象的任务。这是该机构迄今为止最大、最自主的火星探测器。这也是美国第一个完全由钚反应堆提供动力的火星车。

“毅力号”火星车——由钚-238作为“核动力”

“毅力号 “的核心是一个啤酒桶大小的小型 “核电池”,其被称为放射性同位素热电发电机(Radioisotope Thermoelectric Generator,简称RTG)。与地球上发电的核反应堆不同的是,RTG不需要启动或维持裂变反应来发电。它们甚至没有任何活动部件。相反,它们被动地收集钚-238衰变产生的自然热量,并将其转化为电能。它们可以可靠地为航天器提供数十年的能量和热量——上世纪70年代末发射的两枚以钚为动力的“旅行者号”探测器至今仍在星际空间进行传输,并且已经成为美国国家航空航天局(NASA) 20多项深空任务的首选动力源。

为什么会选用钚-238呢?

-238是钚的一种独特的同位素,主要通过α辐射衰变来实现,正因为如此,它会产生了大量的热量。“橡树岭国家实验室的钚供应项目经理罗伯特·威姆(Robert Wham)表示,该实验室现在负责为NASA制造这种材料。”对于像毅力号这样的小型航天器来说,你不需要给它核裂变能量。你只需给他热衰变即可。”

“毅力号”只是第二个以核能作为其主要电能来源的火星探测器。NASA的前三个漫游车——“探索者号”、“勇气号”和“机遇号”——都使用太阳能发电,但这意味着当电池板上积累了足够多的灰尘时,它们将面临完全失去电力的风险。从2012年抵达火星的 “好奇号 “开始,NASA的工程师们改用核能作为漫游车的主要能源。考虑到当时美国用于太空任务的核燃料储备正在减少,而且美国没有一个能够制造更多核燃料的设施,所以这是一个大胆的选择。

钚-238在ORNL的放射性同位素工程开发中心的热室中处理
钚-238在ORNL的放射性同位素工程开发中心的热室中处理

美国的核储备稀缺问题——令其太空探索事业进退两难

-238并不是用于核武器(那是它的姊妹同位素钚-239)。但随着20世纪80年代末冷战的结束,美国停止生产所有类型的钚,以遵守裁军协议定书。威姆(Wham)认为:”大部分钚-238来自萨凡纳河(Savannah River)基地,当时那里是一个国防设施,而不是美国国家实验室。”他指的是南卡罗来纳州的一个基地,此前美国核武器的大部分材料都是在那里生产的。如今,萨凡纳河遗址是地球上污染最严重的地方之一,原因是这些活动产生的核废料埋在了这里。

当美国停止各类钚的生产后,其给NASA留下了几十公斤的钚-238的储备,以供未来所有任务之用。然而,这储备数量并不多,光是 “毅力号”探测车就使用了近5公斤的钚。到了某个时候,这个库存必然会用完;美国国家科学院2009年的一份报告预测,美国所拥有的钚仅够再进行几次深空任务。

这就给美国留下了几个令人难以接受的选择:

1、放弃对外太阳系的探索

2、从国外购买钚

3、或者在国内重新开始制造钚

最终,NASA决定自己杠下了——美国本土制造钚-238的重任

“好奇号 “在2011年发射时,其核电池中的钚来自俄罗斯。这对美国来说似乎并不是一件光彩的事情——在美国标志性的太空任务中使用俄罗斯燃料——但更重要的是,这也让NASA暴露在地缘政治的变化沧桑之中。几年前,克里姆林宫违背了向NASA提供钚的协议,直到重新谈判购买协议。与此同时,负责监督美国所有核燃料制造的美国能源部(Department of Energy),多年来一直在游说美国国会拨款重启其国内本土钚的生产。当时的想法是由美国宇航局(NASA)和能源部平摊费用成本,但每次议员们都拒绝了这一请求。

在机器人接管之前,橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人员会在这个手套箱里手工压制钚-238的颗粒。

在机器人接管之前,橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人员会在这个手套箱里手工压制钚-238的颗粒。

由于对钚短缺的担忧不断加剧——俄罗斯也在减少钚的数量,NASA的决策者们决定由该机构将自己承担这笔费用。自2011年以来,NASA几乎承担了在田纳西州的橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)生产钚的全部成本。这项投资很快就得到了回报。到2015年,橡树岭的化学家们在美国生产出了近30年来的第一个钚-238样品。与此同时,该实验室还投入巨资建立了自动化生产系统,使其能够生产出足够的钚来满足NASA未来的需求。但即使有机器人的参与,生产钚-238也是很费力的,而且除了橡树岭实验室,还需要涉及另外两个国家实验室。

增强型多任务放射性同位素热电发生器

核电池的制造过程

1、这个过程的第一步,是爱达荷国家实验室的研究人员将-237(本身是一种放射性金属氧化物)送到田纳西州,在那里,自动机器将其压成铅笔橡皮大小的颗粒。

2、接下来,52个这样的颗粒被堆叠成金属棒,其被称为“靶子”,并被放置在橡树岭或爱达荷国家实验室的核反应堆中,在那里它们被中子轰击,以此产生钚。

3、经过几个月的冷却后,钚被运到新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室。之后通过另一台机器将小的钚颗粒压成棉花糖大小的大颗粒。

4、然后,它们被安置在一个由铱制成的外壳中,铱是一种几乎坚不可摧的金属,其可以防止漫游车在发射时,万一发生事故时有效地防止放射性污染

5、最后,装甲钚被运送到爱达荷国家实验室,其先将32个颗粒装入漫游车的核电池,然后再安装到车上。

虽然现阶段困难重重,但此次“毅力号”将是其“核复兴”的一个开端

如今,橡树岭实验室年产钚的目标是每年3.5磅,而威姆(Wham)和他的同事们计划在2020年中期达到这一里程碑式的目标,但现在只生产了大约一半。威姆(Wham)对此表示:”我们所做的只是确保有足够的材料,为未来10到20年NASA的任何事情提供动力。”

“毅力号”火星车是NASA第一个使用美国国家实验室生产的新钚-238的任务,但其肯定不会是最后一个。未来的核动力深空任务,比如在土星最大的卫星土卫六表面寻找生命的 “蜻蜓号 “任务,也将使用这条新生产线。而随着NASA正致力于为核动力火箭和月球发电厂启动小型反应堆,“毅力号 “的发射很可能标志着美国太空核复兴的开始。[GolevkaTech]

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