放射性同位素熱源

放射性同位素熱源是利用放射性同位素的衰變熱為熱電轉換裝置或者電子設備保溫提供熱源。

基本介紹

• 中文名：放射性同位素熱源
• 外文名：radioisotopic heat source
• 原理：元素衰變
• 特點：壽命長、功率大
• 常用元素：鈽、鍶等
• 套用：太空領域等

基本原理

放射性同位素會自發的發生衰變，根據衰變時釋放的粒子不同，可分為α衰變，β衰變，γ衰變三種。α衰變產生的是氦原子核，帶2個單位的正電荷；β衰變產生的是電子，γ衰變產生高能的電磁波，即γ射線。

放射性同位素在衰變產生的粒子與原子相碰撞，使得粒子的動能轉換為體系的熱能。有些同位素有很高的熱功率密度，可以把它作為熱源使用。把這些適合用作熱源的放射性同位素採用適當的方式封裝起來便成為放射性同位素熱源。這樣的熱源在空間探測，特別是深空探測領域有其它能源不可替代的優勢。

特點

放射性同位素熱源的特點：

1、壽命長

空間用同位素熱源一般採用Pu-238，它的半衰期是87.1年，也就是說，87.1年以後，它的熱功率才減弱到初始值的一半，因此可以數年甚至數十年的為其它設備提供熱源。

2、功率密度大，質量小，體積小

由於放射性同位素衰變的熱功率密度很大，如²³⁸PuO₂熱功率密度為0.406 W/g，再採用緊湊的禁止層和源盒，可以製成功率密度大，質量小，體積小的熱源，這樣的熱源對空間探測尤為有利。第一台用於空間技術的²³⁸PuO₂同位素熱源溫差發電器(SNAP-3B)直徑約為12.5cm，高13.7cm，重2.Ikg，但它所提供的電能卻相當於一台重300kg的鎳鉻電池所提供的電能。

3、熱功率穩定，性能可靠

空間用放射性同位素熱源一般採用具有適當半衰期的同位素，這樣，在整個工作期限內，熱功率變化不是很明顯。如Pu-238，其5年內熱功率的變化只減小了4%。此外，同位素的衰變是由同位素本身的性質決定，不受外界影響，因而能夠產生持續穩定的熱量，也因此具有很高的可靠性。

4、運行溫度高

同位素熱源的運行溫度一般指不會帶來放射性泄露或者源盒損壞的運行溫度。採用適當的同位素化學形勢和源盒材料可以使同位素熱源運行在一個比較高的溫度範圍內。²³⁸PuO₂在高溫下是高度化學惰性的燃料形式並且有很高的熔點，因此其運行溫度也可以高達1500K，這樣產生的熱的品質也就相對較高。

常用的放射性同位素

目前共有1300多种放射性同位素可作為熱源，但為了滿足同位素熱源的要求，必須對其進行篩選。首先要排除半衰期小於100天和大於100年的，這樣就只剩下100多種可用的同位素。其次，要排除功率密度低於0.1W/g的或者禁止困難放射性危害過大(如γ放射源)，這樣下來只有30多種適用於放射性同位素熱源。然後再根據成本和物理化學性質，再確定幾種最可行的同位素。

下表列出了8種最可行的同位素。

8種實用的放射性同位素

同位素	半衰期（年）	比功率（W/g）	熔點（℃）	主要輻射類型
鍶-90	28	0.93	770	β、少量γ
銫-137	30	0.26	28	β、γ
鈰-144	0.78	25	800	β、少量γ
鉕-147	2.5	0.36	1300	β、少量γ
釙-210	0.38	141	254	α
鈽-238	87.1	0.55	640	α
鋦-242	0.45	121	950	α
鋦-244	18	2.8	950	α

在這8種可行的同位素中，實際套用的最多的是鈽-238(Pu-238)和鍶-90 (Sr-90)兩種。美國能源部研究的SNAP系列空間用放射性同位素溫差發電器基本上都採用Pu-238作為同位素熱源，而Sr-90在作為地面用的同位素熱源中套用較為廣泛。

基本結構

同位素熱源的設計要求其在惡劣的環境中有足夠的安全性(即不發生破損和放射性物質泄漏)，此外還必須保證其質量，體積和成本的合理可行。同位素熱源可能承受的力可分為三類：熱衝擊力，機械衝擊力和化學作用力。同位素燃料的設計首先必須滿足其燃料源盒能夠承受可能發生的這些作用力而不發生源盒破損。

實踐證明，套用高強度的特種合金作為夾層及外殼的三層圓柱狀封裝容器能確保燃料的絕對密封。對於Pu-238源，其衰變產生的粒子在燃料中凝結成氦氣，因此在燃料封裝時，要考慮燃料盒的內壓問題，並留夠保存氦氣的空間。此外，還必須考慮燃料與封裝材料的相容性問題。

根據以上設計要求，美國SNAP計畫設計了多種類型的同位素熱源。這些熱源有兩種類型，即兩層和三層結構的熱源。兩層結構的熱源，其外層既是強度部件也要求有很好的環境適應性。三層結構的熱源把各層的功能分開；內層有很好的燃料相容性，中間層有很高的機械強度，外層有很好的環境相容性。

套用

放射性同位素熱源進一步通過熱電轉換裝置可將熱能轉變為電能，這就是“放射性同位素電池”。放射性同位素電池主要套用於宇宙飛行和空間探索、海洋工程、生物醫學等領域。放射性同位素電池造價雖然十分昂貴，但目前認為它是一種良好的空間電源，它經常處在與太陽能電池相竟爭的狀態。美國在人造衛星、宇宙飛船、月面科學實驗站和行星探測器等空間開發中多次使用放射性同位素電池。在海洋工程中，全世界已投入了數百合放射性同位素電池，目前它已套用於海上燈塔和海面航標、海下聲納發生器和海底微波中繼站中，還可作為遊動氣象站和潛水衣加熱器的電源。它比採用太陽能電池可靠，不受波浪和氣候影響，使用壽命長。

研究進展

放射性同位素熱源不僅為溫差發電器提供熱源，在空間技術中，也用作為探測器電子設備提供熱量以保證電子設備正常工作。隨著近年來新一輪的太空探測的發展，放射性同位素熱源也有了很大的發展。為提高放射性同位素熱源的運行溫度，以滿足新的使用要求，當前的同位素熱源逐步採用包覆顆粒，然後採用石墨矩陣熱壓成燃料塊。這樣的燃料組件核心溫度可達1500~2400K。能夠滿足多種新發展起來的溫差發電器為探測器提供電源。

此外，為了滿足不同功率要求的溫差發電器，放射性同位素熱源也發展成為組合模組式。如美國能源部為其國家宇航局(NASA)研製的通用模組式同位素熱源就是這種模式。這種熱源能夠根據任務的不同進行模組的組合，從而得到滿足功率要求的熱源。

放射性同位素熱源在深空探測領域有著廣泛的套用前景，但在國內的研究還基本是空白，開展這方面的基礎和套用研究對我國航天事業的發展有重要的意義。隨著我國星際飛行探測事業的發展，核能將成為越來越重要的動力源，同位素溫差發電器等都將獲得很大發展。