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解密核電池:一塊用半世紀(jì),遨游宇宙全靠它?

發(fā)布時(shí)間:2016-03-15 責(zé)任編輯:xuyiming

【導(dǎo)讀】40多年前,美國(guó)人登月時(shí)曾把5塊核電池扔在月球上,至今,這些核電池仍在發(fā)熱。目測(cè)下一個(gè)登月的地球人估計(jì)就是咱們中國(guó)人了,開(kāi)句玩笑話,到時(shí),我國(guó)航天員可以把它們撿來(lái)暖腳。沒(méi)錯(cuò),今天本文要說(shuō)的就是核電池。它非常毒,但人類已經(jīng)離不開(kāi)它,尤其是在太空探索上。為什么呢?咱們從“機(jī)遇號(hào)”這家伙說(shuō)起。
 

  
話說(shuō),火星上的“機(jī)遇號(hào)”探測(cè)器,花邊新聞可真不少,原因是NASA不斷放出新聞,今天說(shuō)它遇到沙塵暴,得不到足夠的陽(yáng)光導(dǎo)致電力不足,怠工;過(guò)段時(shí)間又說(shuō)它正在獲得越來(lái)越多的陽(yáng)光,但因?yàn)樘?yáng)能面板上的塵埃太多需要清除,怠工……

瞧,這就是太空探索使用太陽(yáng)能的局限,那么,如果使用核能呢?

最成功的典范

一想到外太空的能源獲取,不少人第一個(gè)想到的是外太空沒(méi)有大氣層遮擋,陽(yáng)光猛電力足,但是,如果我們仔細(xì)分析,在宇宙探索上,核能實(shí)在是要比太陽(yáng)能優(yōu)越得多!


  
上圖是從各大行星上觀看太陽(yáng)時(shí),太陽(yáng)的視角大小對(duì)比??梢钥匆?jiàn),在火星上還好一些,太陽(yáng)并不比從地球看上去小多少,但是如果想在探索土星、天王星、海王星還有冥王星的時(shí)候使用太陽(yáng)能,不是說(shuō)不可以,而是難度實(shí)在是太大了,幾乎沒(méi)有可行性。

怎么辦?難道人類的太空探索只能局限于水星、金星和火星?顯然,這是不可能的,而此時(shí),核能的使用已經(jīng)不再是一個(gè)可選方案,它是一個(gè)必選方案。

實(shí)際情況也如此:

探索冥王星的“新視野號(hào)”也使用了核電池

  
除了以上探測(cè)器,使用核電池的探測(cè)器還有旅行者1號(hào)、旅行者2號(hào)、尤利西斯號(hào),還有好奇號(hào)火星車等等。

旅行者1號(hào)1977年9月5日發(fā)射升空,至今已飛行38年多。2015年,旅行者1號(hào)距離地球超過(guò)199億千米,這相當(dāng)于地球到太陽(yáng)的133倍。

如果您能從旅行者1號(hào)上看太陽(yáng),您會(huì)發(fā)現(xiàn),太陽(yáng)的亮度已經(jīng)跟一顆普通的星星沒(méi)什么區(qū)別了。此時(shí),旅行者1號(hào)周圍是一片黑暗的太空,無(wú)法獲取太陽(yáng)能。

按照NASA的說(shuō)法,旅行者1號(hào)已經(jīng)離開(kāi)太陽(yáng)系。信號(hào)雖然以光速傳播,但從旅行者1號(hào)上傳到地球也需要18個(gè)半小時(shí),即使如此,它也還在不斷地為人類送來(lái)太陽(yáng)系邊緣的信息,這種狀態(tài)將持續(xù)到2025年,直到它上面的核電池不再工作。

從1977到2025年,這期間足足48年,接近半個(gè)世紀(jì),如此漫長(zhǎng)的工作時(shí)間,除了核電池,還有什么電池能代替它呢?目前沒(méi)有。

核電池與核電站的區(qū)別

核電站發(fā)電,核電池也發(fā)電,兩者有何區(qū)別?

區(qū)別一:
 

  
核電站的反應(yīng)堆,里面主要進(jìn)行的是裂變反應(yīng),也就是在一個(gè)中子的轟擊下,鈾235分裂成兩個(gè)中等大小的原子核,并放出兩到三個(gè)中子。
 

  
核電池主要使用钚238,通過(guò)钚238的自身衰變,放出阿爾法粒子 ,并產(chǎn)生熱量,這熱量被用來(lái)發(fā)電。
 

钚238的氧化物:二氧化钚

钚238

  
钚是第94號(hào)元素,它是自然界中天然存在的質(zhì)量最重的元素,比鈾還要重,其穩(wěn)定的同位素是钚244,半衰期大約是八千萬(wàn)年,微量存在于自然界。

而钚238的半衰期為87.74年,衰變時(shí)釋放阿爾法粒子,同時(shí)放出大量熱,這使得即使它的量很少,钚238在某些條件下也能自燃。
 

钚能自燃,這使它看起來(lái)就像一塊還在發(fā)光的余燼。(圖片來(lái)自美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)

  
1千克钚238的熱功率相當(dāng)于一個(gè)功率為570瓦的電爐,且持續(xù)時(shí)間以數(shù)十年計(jì),從不間斷。

例如,好奇號(hào)上采用的核電池,也是利用钚-238,在任務(wù)初期可以在任何狀況下穩(wěn)定地提供大約125瓦的功率輸出,而14年后功率還可以保持在100瓦左右。

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區(qū)別二:
 

  
核電站中裂變產(chǎn)生的熱,是通過(guò)冷卻劑循環(huán)把熱量帶出來(lái),接著冷卻劑加熱第二回路的水,產(chǎn)生高溫蒸氣沖擊汽輪機(jī)并發(fā)電。而核電池是采用熱電效應(yīng)來(lái)發(fā)電,我們先來(lái)演示一下熱電效應(yīng):
 

兩個(gè)杯子,左面的裝著冷水,右邊的一會(huì)兒加入熱水

把熱水倒入右邊的杯子中,然后……

電風(fēng)扇開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)了。

  
金屬中都有自由電子,而自由電子具有的能量和速度各不同。

那么,什么因素能決定電子的能量和速度?熱是一個(gè)重要的因素之一,當(dāng)金屬導(dǎo)體的兩端有溫度差異時(shí),電子更容易從熱的那一端“擴(kuò)散”到冷的那一端,從而形成電壓,這就是熱電效應(yīng)。
 

熱電效應(yīng)簡(jiǎn)單示意圖

“卡西尼-惠更斯號(hào)”上的核電池

  
1997年10月升空的“卡西尼-惠更斯號(hào)”,攜帶有3塊核電池,燃料為钚238,它被制成二氧化钚的陶瓷壓塊,1997年時(shí)可提供880瓦的功率,十多年后,也就是2010年,該核電池還能提供670瓦的功率。
 

圖為旅行者1號(hào)上的核電池,中間暗紅色的部件為二氧化钚。

  
圖為登月宇航員艾倫·賓從阿波羅12號(hào)上取出核電池的畫面。實(shí)際上,從阿波羅12號(hào),一直到阿波羅17號(hào)都使用了核電池,型號(hào)為SNAP-27。
 

  
這是被遺棄在月球上的核電池SNAP-27,使用了3.8千克的钚238,熱能功率達(dá)1480瓦,轉(zhuǎn)化的電功率為73瓦。

核電池?zé)犭娹D(zhuǎn)化率不是很高,然而,核電池也不光只可以用來(lái)發(fā)電,尤其是在月球上,長(zhǎng)達(dá)半個(gè)月的黑夜,其溫度可達(dá)零下兩百多攝氏度。而核電池提供的熱能可以使航天器上的某些敏感部件經(jīng)受住低溫的考驗(yàn)。
 

  
登月時(shí),美國(guó)人把5塊核電池留在了月球表面,另一塊再入地球時(shí),落入太平洋6100米深的海溝里。

兩相對(duì)比,還是留在月球上的好。月球上沒(méi)人,等以后月球住滿人時(shí),這些核電池肯定早就衰變得差不多了。

另外,我們還可以暢想一下,下一個(gè)最可能載人登月的國(guó)家,中國(guó)可能性最大。到時(shí),我國(guó)航天員無(wú)聊的時(shí)候可把這些核電池收集起來(lái),暖腳,或者……
 

  
去年上映的《火星救援》,里面的男主角也是在火星上挖出了以前被埋在火星上核電池取暖,這才得以駕車遠(yuǎn)行的。
 

  
左起第一個(gè)為機(jī)遇號(hào)火星車,第二個(gè)像一個(gè)玩具車,它是探路者號(hào),中間為工程師,最右邊的是好奇號(hào)火星車,好奇號(hào)沒(méi)有使用太陽(yáng)能面板,依靠核電池供電,你瞧它那塊頭!
 

  
核電池讓好奇號(hào)擁有充足的能源,使它得以發(fā)射激光融化巖石以供研究。 從1961年核能第一次應(yīng)用于太空,到現(xiàn)在已有半個(gè)多世紀(jì),如今,人類在太空探索中正越來(lái)越多地利用核能。未來(lái),人類若想在太空探索上取得更多的進(jìn)步,或者說(shuō)若想沖出太陽(yáng)系,遨游并探索外面的精彩宇宙,那么核技術(shù)和核能將是一個(gè)必選的方案。

也許這就是事實(shí),靠山吃山離不開(kāi)山,靠海吃海離不了海。

擺脫不了對(duì)陽(yáng)光的依賴,又怎能沐浴在另一顆恒星的陽(yáng)光下?

 

 

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