储存在NASA 肯尼迪航天中心的同位素热电源，用于NASA的火星科学实验室任务。

■本报见习记者 池涵

今年年初嫦娥四号在中继星“鹊桥”的通信支持下，实现了人类首次月背着陆。在漆黑的月背，无法用太阳能电池供电，而燃料电池和储能设备也无法长期供能。在深空、深海、月背等恶劣环境下，只有核能才能为仪器设备供给能源。

同位素热/电源（RTG）即是利用放射性同位素衰变过程中释放的能量为仪器供热或供电的装置，具有寿命长、不需维护、性能稳定、可靠性高、适用范围广且不受外界环境影响等优点。

在日前举行的中国核学会2019年学术年会上，中国原子能科学研究院副总工程师兼同位素所所长罗志福报告了目前同位素热/电源的研究热点及其在我国深空探测中应用的现状。

第三个使用同位素热/电源的国家

据介绍，同位素热/电源在航天领域的应用始于1961年，美国海军的一颗导航卫星携带一颗装有96克钚238的同位素电源，在轨道上稳定运行了15年以上，显示了同位素电源超长的寿命和强大的可靠性。

于是，在接下来的几十年中，美国为包括阿波罗11号登月飞船、伽利略号木星探测器、卡西尼号土星探测器在内的多个航天器，以及极地工作站、灯塔、深海装置等设施研制了多个型号的同位素热/电源，总热功率达到数万瓦。最多一次，伽利略号一口气携带了120个同位素热/电源，每个热功率为1瓦。寿命最长的如旅行者1号携带的同位素电源，已工作超过40年。

罗志福表示，苏联和俄罗斯在1965年首次使用钋210同位素电源作为军事卫星星载设备的电源以来，也开发了钋210、钚238、锶90等多个谱系的同位素热/电源，并于2012年、2018年为我国嫦娥三号、四号探测器研制了钚238热源，保证了探测器在月夜的生存，并使我国成为了继美、俄之后第三个使用同位素热/电源的国家。

可以说，同位素热/电源已经成为了航天大户们在太空居家旅行的必备“暖手宝”和“充电宝”。

“透氦阻钚”

罗志福指出，同位素热/电源在设计上要兼顾大比功率、高安全性、高转换效率以及高可靠性等方面。

“比功率是同位素热/电源的关键参数。”罗志福说，比功率大意味着热源能量充沛。此前，美国工程应用电源最大比功率能达到5.23 We/kg。为了实现大比功率，要选择合适的同位素。钚238的比功率比较大，半衰期也比较长，取得的成本也比较低，适合完成数年到数十年的任务。

然而，钚238的α衰变会产生氦气，引起源芯肿胀、碎裂，带来安全隐患。故其包壳要采用多孔材料排出氦气，而这样又可能释放出极毒放射性物质钚238。

因此，必须要用整体气孔联通，而局部结构复杂，孔型、孔径、走向不一致的多孔材料在包壳实现“透氦阻钚”。研制时还需考虑气孔对颗粒的截流而导致透气功能丧失，技术实现极具挑战。

提高转换效率是研制同位素电源的又一个难题，更高的转换效率意味着更低的成本。罗志福介绍，目前使用SiGe的热电转换材料转换效率最高只有6.6%。这方面要求研究人员进一步探究热电材料规律，找到更高效且耐辐照的热电材料。

据了解，下一代采用方钴矿的热电转换装置效率有望较之前提高25%。

经得起火烧，耐得住高压

作为应用核能的装置，安全性和可靠性必然是同位素热/电源设计制造的重中之重。罗志福指出，研究人员对同位素热源安全性和可靠性设计的考虑极为严苛。

首先，源芯应该选择性质稳定的二氧化钚陶瓷，耐高温、耐腐蚀、不挥发、不溶于海水，也不与内层包壳材料反应，即便包壳损坏也能维持形态。

此外，美、俄在测试同位素热源安全性和可靠性时都设想了多种极端意外情况。例如，发射场发生火灾，导致火箭“出师未捷身先死”，直接爆炸。这种情况下要求同位素热源直接掉入火箭燃料中，直至燃料烧尽而不发生泄漏。另一种极端事件是火箭在高空爆炸，同位素热源要经得起高温烧蚀后以1100摄氏度高温、90米/秒的高速撞击坚硬岩石，而不发生泄漏。

此外，由于钚238的高活度、极毒放射性，要求建立可靠的操作流程和应急预案，最大限度规避风险，确保安全。

“同位素热/电源将核能的应用从裂变能拓展到衰变能，并推动了后处理技术的发展。”罗志福在对同位素热/电源的研究进行总结时表示，“其研制工作是一个复杂的系统工程，还有大量科学和技术问题有待多学科协同解决。”