01同位素核電源概述
同位素電源中應(yīng)用最成功的是同位素溫差電池（Radioisotope Thermoelectric Generator，簡稱RTG），它利用同位素衰變產(chǎn)生熱能，利用熱電偶將熱能轉(zhuǎn)換為電能，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點。其熱電轉(zhuǎn)換效率介于4%～8%之間，電輸出功率從數(shù)瓦到數(shù)百瓦不等，下圖所示為一種典型的空間應(yīng)用同位素溫差電池的原理和結(jié)構(gòu)。
 
RTG的工作原理和典型結(jié)構(gòu)圖

钚-238在衰變的過程中會釋放出一個氦-4原子核（α粒子），因此钚-238的衰變又被稱為α衰變。α粒子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽�使�?238達到五六百攝氏度，溫差元件將這種熱量轉(zhuǎn)換為電能。
RTG是一種利用溫差電材料的塞貝克效應(yīng)（在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在回路中將出現(xiàn)電流，稱為熱電流）將放射性同位素衰變產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器件。其主要包含3個主要的功能單元：同位素?zé)嵩础�溫差電組件和散熱器。RTG在空間應(yīng)用中一方面利用其輸出的電能為探測器供電，一方面將余熱為熱控系統(tǒng)提供熱能，以確保探測器在極低溫度環(huán)境下生存。
 
美國用RTG的空間任務(wù)

截止2019年底，美國已在過去的30多個空間飛行任務(wù)中使用了將近50個RTG，其中，有35個RTG應(yīng)用于18次的美國航空航天局(NASA)的任務(wù)，沒有1次是由于RTG的原因造成任務(wù)失敗。所有的RTG全部采用Pu-238作為放射性同位素，其RTG的輸出電功率從2.7～300W，質(zhì)量從2kg到56kg不等，電池最高熱電效率已達6.7%，最高質(zhì)量比功率已達5.36W/kg，最高的在軌運行壽命接近40年。上圖顯示了美國空間用RTG的任務(wù)概況。

02“毅力號”的同位素核電源系統(tǒng)
美國在所有的空間應(yīng)用工程中均選擇Pu-238作為熱源核素，早期采用金屬Pu-238，后經(jīng)過多年的研究和應(yīng)用過程的優(yōu)化，最終采用PuO2陶瓷形式，并制成標(biāo)準(zhǔn)的通用熱源形式(General Propose Heat Source，簡稱GPHS)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
 
GPHS模塊結(jié)構(gòu)

GPHS熱源是首個采用模塊化設(shè)計的同位素?zé)嵩矗�每個模塊包含2個熱源單體，每個單體有2個PuO2芯塊，芯塊由銥合金封裝，模塊的最外層為再入大氣熱保護層(Aeroshell)，保證整個模塊在遇到意外時的安全性。
 
钚-238粉末原料和钚-238陶瓷芯塊

2003年6月，美國能源部（DOE）為滿足NASA火星實驗室（MSL）的需求，確定了多用途同位素溫差電池（簡稱MMRTG）的研制任務(wù)，任務(wù)由Aerojet Rocketdyne和Teledyne Energy Systems合作承擔(dān)。要求MMRTG既能適應(yīng)真空環(huán)境，又能適應(yīng)地外天體的大氣環(huán)境。
2011年11月26日首個MMRTG作為“好奇號”火星探測器的主電源發(fā)射成功，2012年8月6日“好奇號”在火星表面安全著陸，開始了火星表面巡視探測之旅。“好奇號”的MMRTG采用8個模塊化通用熱源GPHS，溫差電材料采用PbTe/TAGS，初期輸出功率125W，熱電轉(zhuǎn)換效率6.4%，質(zhì)量比功率2.8W/kg，其結(jié)構(gòu)如下圖。
 
MMRTG剖面圖

“毅力號”的MMRTG與“好奇號”結(jié)構(gòu)類似，采用8個GPHS模塊，并且擁有14年的工作壽命，它使火星車在較大的緯度和高度范圍內(nèi)具有更大的機動性，使科學(xué)家能夠最大限度地提高管理火星車科學(xué)儀器的能力，為工程師在火星車的操作方面提供了很大的靈活性。“毅力號”MMRTG的技術(shù)參數(shù)如下。
圖表：“毅力號”MMRTG基本參數(shù)
參數(shù) 數(shù)值
GPHS模塊 8個
熱電材料 PbTe/TAGS
熱電偶數(shù)量 768個
直徑 64cm
長度 66cm
重量 45kg
熱源 4.8kgPuO2
初始電功率 110W
壽終電功率 72W
初始熱電轉(zhuǎn)換效率 6%左右
負(fù)載電壓 30V
翅片根溫度 157℃
資料來源：調(diào)研整理
電源通過接口固定在火星車尾部，每個電源模塊的內(nèi)部燃料都被幾層保護材料包圍，其中包括用于導(dǎo)彈鼻錐的堅韌材料，這些材料旨在使電源在重新進入大氣層時能夠承受激烈條件。此外，放射性同位素燃料以陶瓷形式制造，可防止破碎成細(xì)小的碎片，從而減少了危險物質(zhì)可能被空氣傳播或攝入的機會。如果“毅力號”發(fā)射時發(fā)生事故，則暴露的個體可以接受的最大估計計量為210毫雷姆。
 
“毅力號”火星車結(jié)構(gòu)及核電源位置

“毅力號”MMRTG由兩個主要元素組成：一個包含Pu-238的熱源和一個熱電偶，該熱電偶可以發(fā)電，可長期在太空中運行而不會發(fā)生故障。熱電偶的原理涉及兩塊板，每塊板均由不同的導(dǎo)電金屬制成。將這兩個板連接在一起以形成閉合電路，同時將兩個結(jié)保持在不同的溫度下會產(chǎn)生電流。這些結(jié)對中的每對都形成一個單獨的熱電偶。
 
“毅力號”MMRTG的結(jié)構(gòu)

在MMRTG中，Pu-238的自然衰變會產(chǎn)生熱量，然后將熱量傳遞到這些結(jié)點之一，而另一個結(jié)點保持不加熱，并被太空環(huán)境或行星大氣冷卻。熱電偶通過利用熱側(cè)和冷側(cè)之間的溫差來發(fā)電。MMRTG設(shè)計使用了PbTe/TAGS熱電偶，其中TAGS材料是結(jié)合碲（Te）、銀（Ag）、鍺（Ge）和銻（Sb）的材料。
 
PbTe/TAGS熱電偶結(jié)構(gòu)

電源系統(tǒng)還包括兩個鋰離子可充電電池，以滿足火星車的峰值需求。NASA表示，在火星車進行科學(xué)運算期間，電力需求可以達到900瓦，電池將在用電高峰時為火星車供電。同時MMRTG產(chǎn)生的能量中有94％左右是余熱，這將有助于在火星表面的低溫下使火星車的內(nèi)部電子設(shè)備保持溫暖。
 
 
MMRTG實物及在“毅力號”上的安裝狀態(tài)

橡樹嶺國家實驗室為NASA火星車提供熱源材料和硬件，洛斯阿拉莫斯國家實驗室純化并封裝Pu-238，然后，愛達荷州國家實驗室組裝、測試并確保電源的最終交付。為確保有足夠的Pu-238供應(yīng)，橡樹嶺實驗室于2013年重新啟動了Pu-238的生產(chǎn)，并對生產(chǎn)過程的一部分進行了自動化處理，使該實驗室每年可生產(chǎn)多達400克Pu-238，按照計劃2025年將達到年產(chǎn)1.5千克的目標(biāo)。“毅力號”是第一個使用橡樹嶺實驗室生產(chǎn)的Pu-238的NASA任務(wù)。
下一個由INL組裝和測試的MMRTG將為“蜻蜓”旋翼機著陸任務(wù)提供動力，該任務(wù)將探索土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六，計劃于2026年發(fā)射。INL的太空核動力和同位素系統(tǒng)小組也越來越多地參與用于核熱推進和裂變表面能應(yīng)用的太空反應(yīng)堆。

03同位素核電源的未來發(fā)展趨勢
自1961年SNAP3B-RTG實現(xiàn)了RTG空間首次應(yīng)用以來，其發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段，如下圖所示。
 
美國RTG的發(fā)展階段

雖然美國一直致力于尋找溫差電換能技術(shù)的替代者，并且對用斯特林換能技術(shù)的斯特林同位素發(fā)電器進行了大量的地面驗證試驗，原先有資料報道計劃在火星實驗室項目實現(xiàn)ASTG的首次應(yīng)用，但最終還是使用了MMRTG。
目前來看對于未來的深空探測任務(wù)，MMRTG還是首選，在2010年10月，NASA發(fā)布《DRAFT SPACE POWER AND ENERGY STORAGRE ROAD MAP》提到的同位素電源系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)有3個方面：
◆在滿足長壽命要求的條件下，提高換能器系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率。
◆同位素電源系統(tǒng)需要承受5000g的沖擊問題。
◆Pu-238的嚴(yán)重短缺問題。
同時也提出了未來的RTG的研究目標(biāo)是熱電轉(zhuǎn)換效率達到10%～15%；質(zhì)量比功率達到10～15W/kg；壽命15年。NASA還提出了(Advanced Radioisotope Thermoelectric Generator-ARTG)計劃，計劃除了提出以通用熱源為設(shè)計基礎(chǔ)進行先進同位素溫差電池概念設(shè)計外，還將開發(fā)先進的高溫體系Zintl及納米SiGe作為熱電轉(zhuǎn)換材料。