指將核能轉換成電能並供給太空飛行器或電推力火箭使用的設備和系統的總稱。
基本介紹
- 中文名：空間核電力裝置
- 外文名：space nuclear power unit)
特點
它具有重量輕、體積小、抗輻射能力強、壽命長及視窗利用率高等特點，且在遠離太陽的星際航行中也能套用，因而除了在外空探測和月球基地活動方面是不可缺少的以外，在全球通訊、海洋軍事偵察、空間雷射和粒子束武器以及用電火箭推進進行轉移軌道等方面都有著潛在的優越性。是用於宇航領域有發展前途的先進電力裝置。
類型
空間核電力裝置可分為放射性同位素和核反應堆兩類。前者利用放射性同位素的射線被物質吸收產生熱能，並通過熱-電轉換設備獲得電力；後者則是利用核燃料在反應堆中裂變產生熱能，並將其轉換為電力。
同位素電力裝置所使用的同位素要求能發射易於被物質吸收的、能量高的α射線，而貫穿性強的γ射線儘可能地少，以減少輻射禁止材料及其重量；同時，要具有與太空飛行器壽命相適應的半衰期。在空間套用中常選用鈽-238，它的半衰期86.4年，比熱功率0.58W/g。其他放射性同位素，如釙-210、鎇-242、鈰-144、銫-137、鍶-90等，也可做成同位素電力裝置，但很少用於空間。這些放射性同位素不存在於自然界中，皆由人工生產，價格昂貴，因而功率不可能很大，單機功率水平一般在千瓦級以下。而幾千瓦以上的大功率、壽命可達10年的空間核電力裝置，則以核反應堆為熱源的電力系統為主。
空間核反應堆電力裝置是一種集熱源、熱電轉換、排熱於一體的電力裝置。前蘇聯的TOPAZ-1裝置(參見彩圖插頁第 頁 圖)是其最成功的例子。
將熱能轉換成電能有兩種方式：動態轉換和靜態轉換。動態轉換與地面發電方式相似，如早期研製的液態金屬蘭金(Rankine)循環、使用惰性氣體工質的布雷頓(Brayton)循環以及在70年代後更受青睞的斯特林(Stirling)循環等。這種方式轉換效率高，但由於在空間機械長期高速旋轉、無重力汽-液兩相分離和材料高溫相容性等問題難以解決，因而一直沒有付之實施。靜態轉換沒有轉動機械，熱能通過某種材料或器件直接轉換為電能。這種轉換類型有：溫差熱電偶轉換、熱離子轉換以及鹼金屬熱電(AMTE)轉換等，其最大缺點是熱電轉換效率低，一般只有百分之幾。
在宇宙真空中，餘熱排放只能採用熱輻射的方法。排放餘熱的熱輻射器一般是電力裝置中體積最大的部件。在熱源、電力轉換、熱輻射器之間熱能的傳輸，對於低功率可用固體(石墨、金屬等)直接進行熱傳導；對於幾千瓦以上的電力裝置，常採用液態金屬強迫流動迴路或“熱管”傳輸熱能。
發展概況
空間核電力裝置的發展代表著一個國家的軍事能力和高新技術水平。美國於1961年首先發射了一顆載有同位素核電力裝置(SNAP-3B7，溫差熱電轉換，電功率2.7W，電力裝置總重2.1kg)的導航衛星(子午儀-4A)。1965年又首先發射了一顆裝備了核反應堆電力裝置(SNAP-10A，矽鍺半導體溫差熱電偶轉換，功率533W，電力裝置總重436kg)的衛星。由於控制系統的電源故障，工作了43天就關閉了，並轉移到4000年軌道壽命的高軌道，屆時其放射性劑量水平將衰變到允許的安全值以下。至1999年，美國發射的核電力裝置，除SNAP-10A外，其他均為放射性同位素裝置。其中約9種型號38個裝置，多用於導航衛星、登月、行星探測等。
前蘇聯著重發展空間核反應堆電源。經過約半個世紀的努力，至1989年，先後在海洋軍事偵察衛星等方面使用核反應堆電源約35個，除兩個熱離子轉換堆主要用於對其進行空間實驗外，其餘皆為溫差熱電偶轉換。
安全性問題
空間核電力裝置的使用安全性是人們甚為關心的問題。1964年以來，美國在空間核電力裝置使用方面發生過三次事故：1964年一個SNAP-9A由於未能進入軌道而墜毀於印度洋上空，大量的鈽-238散落在大氣中；1968年美國的一顆氣象衛星發射失敗，兩個裝置落入美國加州沿岸的太平洋中，經打撈，同位素的包封完好，放射性物質沒有外泄；1970年“阿波羅13”飛船由於操作失靈，所攜帶的3.6 kg的鈽-238墜入斐濟島附近的南太平洋中，至今對該地域的空氣和水進行監測，沒有發現放射性的物質泄漏。前蘇聯在使用核反應堆電力裝置方面，據知也曾出現過三次事故；影響最大的一次是1978年1月“宇宙-954”事故，所帶的反應堆向1000年高軌道轉換失敗而進入大氣層焚燒，墜落到加拿大的東北部，帶有放射性的殘骸及碎片散落在600km範圍內，經收集處理後，其後果未見重大影響；1982年“宇宙-1402”裝置發射失敗，按預定安全措施在大西洋南部上空粉碎燒毀，反應堆的放射性物質經大氣稀釋後的劑量水平低於國際放射防護委員會規定的許可值；1988年“宇宙-1900”發生事故，由於改進了事故條件下反應堆電力裝置的解體、分散及在大氣中摩擦粉碎燒毀等技術，稀釋後的大氣放射性水平低於允許值，其後果沒有引起人們的更多注意。1978年，聯合國外空和平利用委員會(COPUOP)建立了它的科技小組，討論國際空間核能源的發展和安全問題。1981年後，該委員會委託其法律小組制定關於空間使用核動力的條例，但聯合國尚未形成法律條文。
