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放射性同位素熱電機

放射性同位素熱能發電機（英語：Radioisotope Thermoelectric Generator），簡稱RTG或RITEG，是一種核電池，它使用一組熱電偶通過塞貝克效應將合適放射性材料衰變所釋放的熱能轉換成電能，這種發電機沒有活動部件。

卡西尼探測器上所使用的放射性同位素熱能發電機示意圖

放射性同位素熱能發電機已被用作人造衛星、太空探測器以及無人值守的遠程設施如蘇聯在北極圈內建造的一系列燈塔的電源。在燃料電池、蓄電池或發電機無法長時間經濟地提供數百瓦（或更低）電力的情況下，以及在太陽能電池不實用的地方，這種發電機通常是最理想的無需維護型電源，但它的安全使用要求在裝置使用期結束後很長一段時間內對放射性同位素進行嚴格管理。製造也非常麻煩，需要使用核反應堆的廢料進行合成，因此，放射性同位素熱能發電機的成本，往往限制了它們在罕見或特殊場合下的應用。

歷史 

 
卡西尼和伽利略號探測器上放射性同位素熱能發電機所用的二氧化鈈238球芯。該照片是在用石墨毯將小球保溫數分鐘，然後撤去包裹毯拍攝的。由於放射性衰變(主要是α粒子)產生的熱量，球芯呈現熾紅狀，初始輸出功率為62瓦。

放射性同位素熱能發電機是1954年由土墩實驗室(Mound Laboratories)兩位科學家「肯·喬丹」(Ken Jordan)和「約翰·伯登」(John Birden)所發明，2013年兩人均入選國家發明家名人堂[1][2]。1957年1月1日，喬丹和伯登與美國陸軍信號部隊簽訂了一份放射性材料和熱電偶研究合同(R-65-8- 998 11-SC-03-91)，這些材料和熱電偶適用於將釙-210產生的熱能直接轉換為電能。20世紀50年代末，位於俄亥俄州邁阿密斯堡的土墩實驗室根據與美國原子能委員會簽訂的合同，開發出了放射性同位素熱能發電機。項目負責人為伯特倫·C·布蘭克博士[3]。

美國發射到太空的第一台放射性同位素熱能發電機是1961年搭載在海軍子午儀衛星(Transit satellite)上，由96克金屬鈈-238驅動的核輔助電力系統(斯納普3B型)；而最早在陸地上的應用案例之一，則是1966年美國海軍在阿拉斯加無人居住的小島-費魯埃岩(Fairway Rock)的使用，直到1995年，該地點都一直在使用。

放射性同位素熱能發電機的常見應用是作為太空太空船的電源，核輔助電力系統(SNAP)裝置主要應用在遠離太陽，太陽能電池板不起作用地方的探測器上，如先驅者10號、先驅者11號、旅行者1號、旅行者2號、伽利略號、尤利西斯號、卡西尼號、新視野號、火星科學實驗室等。該發電機也曾用於驅動兩輛海盜號着陸器，以及太陽神12號到17號太空人安放在月球上的科學實驗裝置(斯納普27型)。由於太陽神13號登月因故障半途中止，它的放射性同位素熱能發電機沉落在湯加海溝附近的南太平洋中[4]。放射性同位素熱能發電機還應用在氣象(Nimbus)、導航(Transit)和實驗(LES)衛星上。相較之下，使用成熟核反應堆的太空飛行器則只屬少數：僅有蘇聯的雷達型海洋監視系列衛星(RORSAT)和美國的SNAP-10A衛星。

除太空船外，前蘇聯還建造了數千座由放射性同位素熱能發電機供電的無人值守燈塔和導航信標[5][6]。

美國空軍使用放射性同位素熱能發電機主要為位於阿拉斯加的「Top-ROCC」和「SEEK IGLOO」監視雷達系統的遙感站供電[7]。

在過去，小型「鈈電池」(非常小的由鈈238供電的放射性同位素熱能發電機)被用於心臟起搏器中，以確保非常長的「電池壽命」[8]。截至2004年，大約有90台仍在使用。據報道，到2007年底，這一數字降到僅9台[9]。1966年6月1日，土墩實驗室與核燃料與設備公司(NUMEC)合作，開始實施心臟起搏器項目[10]。當認識到火化過程中放射性熱源不會完好無損時，該項計劃於1972年被取消，因為無法完全確保這些裝置不會與使用者的遺體一起火化掉。

設計

從核技術標準看，放射性同位素熱能發電機的設計原理很簡單：主要部件是一隻堅固的放射性物質(燃料)容器，將熱電偶插入容器壁中，每支熱電偶的外端連接在散熱片，燃料的放射性衰變產生熱量，燃料和散熱器之間的溫差使熱電偶產生發電。

熱電偶是一種利用帕爾帖-塞貝克效應將熱能直接轉換為電能的熱電效應裝置。它由兩種都能導電的金屬(或半導體)製成，如果在一個閉合迴路中它們相互連接，並且兩個連接點的溫度不同，則將會在迴路中產生流動電流。通常將大量熱電偶串聯在一起可產生更高的電壓。

根據麻省理工學院的唐爽和崔瑟豪斯夫人提出的「唐-崔瑟豪斯理論」，[11][12] 提高電子-空穴的非對稱性、增加有效帶隙、帶邊對齊等方法在大多數半導體材料中均可以提高熱電機中發電材料系統的能源轉換率。通常也可附件材料納米化的方法，但該方法更適合運用於低載流子濃度的熱電發電材料體系。[13][14] 這種改良後的放射性同位素熱電機常用於人造衛星、無人太空船、潛艇中。

燃料 

同位素選擇標準

放射性同位素熱能發電機中使用的放射性物質必須具備以下幾種特性:

  1. 它的半衰期必須足夠長，以便在合理的時間內以相對恆定的速率釋放能量。給定的每次釋出能量(功率)與半衰期成反比，半衰期為兩倍且每次衰變能量相同的同位素將以每摩爾一半的速率釋放能量。因此，放射性同位素熱能發電機所用放射性同位素的典型半衰期為幾十年，儘管半衰期較短的同位素可用於特殊用途。
  2. 對於航天用途，每單位質量和體積(密度)的燃料必須能產生大量的能量。除非有尺寸限制，密度和重量對於陸地用途並不重要。如果已知放射性衰變前後的輻射能量或質量損失，衰變能可被計算出來。每次衰變釋放的能量與每摩爾的發電量成正比。α衰變釋放的能量通常是鍶-90或銫-137β衰變的10倍。  
  3. 輻射必須易於吸收和轉化為熱輻射的類型，最好是α輻射。β輻射可通過韌致輻射的二次輻射，散發出大量的伽馬射線/ X射線輻射，因此需要加重屏蔽。同位素不能產生大量的伽馬射線、中子輻射或一般通過其他衰變模式或衰變鏈導致的貫穿輻射。

前兩項標準將整個核素表內可能的燃料限制在原子數為30以下的同位素上[15]。

鈈-238、鋦-244和鍶-90是最常被引用的候選同位素，其他同位素如釙-210、鉕-147、銫-137、鈰-144、釕-106、鈷-60、鋦-242、鎇-241和銩等也都被研究過。

材料 屏蔽 功率密度(瓦/克) 半衰期(年)
鈈238 低 0.54 0.54
 
 		 87.7 87.7
 
鍶90  高  0.46 0.46
 
 		 28.8 28.8
 
釙210 低  140 140
 
  		 0.378 0.378
 
鎇241 中  0.114 0.114
 
 432 432
 

鈈238

鈈-238的半衰期為87.7年，合理的功率密度為每克0.57瓦[16]，以及特別低的伽馬射線和中子輻射水平。鈈238的屏蔽要求最低。只有三種候選同位素符合最後一項標準(並非所有以上列出的同位素)，而且僅需厚度小於25毫米的鉛板就可隔離輻射，而鈈238(這三種中最好的)的需求量小於2.5毫米，並且在許多情況下鈈238在放射性同位素熱能發電機中不需要屏蔽，因為套管本身就足夠了。鈈238以二氧化鈈(PuO2)的形式成為放射性同位素熱能發電機使用最普遍的燃料。然而，富氧的天然二氧化鈈以~23x103個/秒/克的輻射率釋放出鈈-238中子，相較於金屬鈈-238，這一輻射率相對偏高。不含輕元素雜質的金屬鈈-238釋出~2.8x103個/秒/克，這些中子是鈈-238自發裂變產生的。

金屬和氧化物輻射率的不同主要歸因於α反應，即中子與氧化物中的氧-18和氧-17發生的反應。以天然形式存在的氧-18正常量為0.204%，而氧-17的正常量為0.037%。二氧化鈈中氧-17和氧-18含量的減少將會使氧化物的中子輻射率大大降低，這可以通過氧16的氣相交換法來實現。常規批量產出的二氧化鈈238沉澱為氫氧化物顆粒，表明在常規基礎上的大批量生產能實現氧16的交換。高溫焙燒過的二氧化鈈238微球成功交換了氧16，顯示無論二氧化鈈238以前的熱處理如何，都會發生交換[17]。

1966年在土墩實驗室的心臟起搏器研究中發現，含有正常氧氣的二氧化鈈中子輻射率降低了五倍，部分原因是土墩實驗室從1960年起生產穩定同位素的經驗。對於大熱源的生產，如沒有必需的屏蔽措施，這一過程將被禁止[18]。

與本節討論的其他三種同位素不同，鈈238必須經過專門合成，作為核廢料產品它並不充裕。目前，只有俄羅斯保持了高產量，而美國在2013年至2018年間，總產量不超過50克(1.8盎司)[19]。美國相關機構希望以每年300到400克(11到14盎司)的產量生產這種材料。如果這一計劃得到資助，其目標將是建立自動化和規模化處理線，以便到2025年平均每年產量可達到1.5千克(3.3磅)[20][19]。

鍶90

鍶-90曾被前蘇聯使用於陸地型放射性同位素熱能發電機中，鍶90通過伴有少量γ射線的β輻射逐步衰減。雖然它的28.8年的半衰期比鈈238短得多，但其衰變能也較低，功率密度為0.46瓦/克[21]。由於其能量輸出較低，因此它產生的溫度低於鈈238，導致發電機效率較低。鍶90是一種高產量的核裂變廢料，以低廉的價格大量供應[21]。

釙210

美國原子能委員會在1958年首次製造的一些同位素熱能發電機原型中曾使用過釙-210。 這種同位素由於其高衰變率，產生出驚人的功率密度(純釙210的輻射率達140瓦/克)，但由於它138天的極短半衰期，使其用途有限。半克釙210就可達到攝氏500°(華氏900°)以上的高溫[22]。由於釙-210是一種純α射線放射體，不發射明顯的伽馬或X射線輻射，因此，屏蔽要求也比鈈-238低。

鎇241

鎇-241是一種潛在的候選同位素，其半衰期比鈈238更長：鎇241的半衰期為432年，可以假設一台裝置可提供數世紀的電源，但鎇241的功率密度僅為鈈238的1/4，且鎇241通過衰變鏈產物產生的穿透輻射比鈈238更多，需要更厚的屏蔽保護層。在放射性同位素熱能發電機中屏蔽要求屬於第三低：次於鈈238和釙210。在當前全球鈈238短缺的情況下[23]，歐洲太空總署正在研究將鎇241作為同位素熱能發電機的燃料[24]。2019年，英國國家核實驗室宣佈可用於發電[25]。與鈈238相比，它的一個優勢是作為核廢料產物，幾乎是純淨的同位素。為5–50瓦電放射性同位素熱能發電機設計的鎇241原型發電機預計功率可達2-2.2 瓦電/千克，在這一功率範圍內與鈈238發電機相當[26]。

壽命跨度

 
破舊不堪的前蘇聯鍶90熱能發電機

大多數放射性同位素熱能發電機都使用半衰期為87.7年的鈈238為燃料，因此，使用這種材料的發電機每年輸出功率將下降1–0.51/87.74或0.787%。

這方面的一個示例是旅行者探測器上使用的數百瓦級放射性同位素熱能發電機。截止2000年，即運行23年後，該發電機內的放射性物質功率下降了16.6%，即輸出功率只為初始功率的83.4%；從開始時的470瓦功率，經過這一段時間後，降至392瓦。此外，旅行者號發電機另一相關的功率損失因素是將熱能轉換為電能的雙金屬熱電偶性能下降，發電機目前的工效處於其原始總功率的67%水平上，而非預期的83.4%。到2001年初，「旅行者1號」和「旅行者2號」的同位素熱能發電機發電量將分別降至315瓦和319瓦[27]。

多任務放射性同位素熱電發生器

美國太空局正在開發一種多任務放射性同位素熱電發生器(MMRTG)，其中熱電偶將由方砷鈷礦物(skutterudite)，一種鈷砷化物(CoAs3)製成，與目前基於碲的設計相比，它可作用於更小溫差下。這意味着一台類似的同位素熱能發電機在任務開始時會多提供25%以上的電能，而在17年後至少會增加50%以上。美國太空總署希望在下一個新疆界任務中使用這種設計[28]。

效率

放射性同位素熱能發電機使用熱傳導將放射性物質的熱量轉化為電能。熱電模組，雖然非常可靠和持久，但效率非常低，從未達到10%以上的效率，大部分同位素熱能發電機的工效在3-7%之間。迄今為止，航天任務中的熱電材料包括矽鍺合金、碲化鉛和銻碲化物、鍺及銀(TAGS)等。目前利用其他技術提高熱能發電效率的研究業已完成，實現更高的效率意味着只需更少的放射性燃料就可產生出同樣的電能，因此發電機的總重量會更輕，這也是航天發射成本需考慮的一項至關重要的因素。

熱離子轉換器-一種基於熱離子輻射原理的能量轉換裝置，其效率可達到10–20%之間，但要求的溫度高於標準同位素熱能發電機運行時的溫度。一些釙210熱能發電機原型已使用了熱離子技術，其他極有可能的放射性同位素也可以通過這種方法提供能量，但半衰期過短的同位素則不可行。少數太空核反應堆也採用了熱離子技術，但核反應堆通常太重，無法在大多數太空探測器上使用。

「熱光伏電池」(Thermophotovoltaic cell)的工作原理與太陽能電池相同，只是它們將熱表面輻射的紅外線光而不是可見光轉化為電能。熱光伏電池的效率比熱電模組(TEMs)稍高，並且可以覆蓋在其上，有可能使效率倍增。通過電加熱器模擬帶有放射性同位素發電機的系統已經證明其效率可達到20%[29]，但還沒有用放射性同位素進行過測試。一些理論上的熱光伏電池設計效率高達30%，但這些還沒有出產或證實。熱光伏電池和矽材料的降解速度比金屬材料快，尤其是在電離輻射環境下。

動態發電機可提供超過同位素熱能發電機四倍轉換效率的電能。美國太空局和能源部一直在開發稱之為斯特林放射性同位素發電機(SRG)的下一代放射性同位素燃料發電機，它通過自由活塞式斯特林引擎與線性交流發電機耦合，將熱量轉化為電能。斯特林發電機樣機的平均效率為23%，進一步提高發電機冷、熱端之間的溫度比還可獲得更高的效率。在試驗裝置中，使用非接觸運動機件、抗疲勞彎曲軸承以及無潤滑和密封環境，經多年測試運行，沒有表現出明顯的退化損耗。實驗結果表明，斯特林放射性同位素發電機可連續運行數十年而無需維護。機械振動可通過實施動態平衡或使用雙反向運動活塞來消除。斯特林放射性同位素發電系統的應用範圍可涵蓋深空、火星和月球探測及其它科學探索任務。

斯特林放射性同位素發電機效率的提升可通過熱力學特性的理論比較來證明，如下所示。計算過程已被簡化且沒考慮所用同位素半衰期較長而導致的熱功率輸入衰減因素。該分析的假設前提是在實驗過程中所觀察到的兩台處於穩定運行狀態的系統(所用數值見下表)。這兩種發電機都可簡化為熱引擎，以便比較它們對應卡諾效率的發電效率。除熱源和散熱片外，這二台系統被假定為組件[30][31][32]。

熱效率表達符ηth，由以下公式得出：

 

這裏的上撇符 ( ' ) 表示時間導數。

按照熱力學第一定律的常規形式，功率表達為：

 

假設系統在穩定狀態下運行，則 ,

 

則可計算出ηth為11瓦/ 200瓦= 5.5% (斯特林放射性同位素發電機為140瓦/ 500瓦= 28%)。另外，第二定律效率，表示為ηII由以下公式得出:

 

在此ηth,rev為卡諾效率，由:

 

其中:Theat sink為外部溫度(已測量到多任務放射性同位素熱能發電機(MMRTG)為510 K，而斯特林放射性同位素發電機則為363 K)，Theat source是多任務放射性同位素熱能發電機燃料芯的溫度，假設為823 K(斯特林放射性同位素發電機為1123 K)。這使得多任務放射性同位素熱能發電機的第二定律效率為14.46%，而斯特林放射性同位素發電機為41.37%)。

安全性

 
放射性同位素熱能發電機通用熱源模組堆示意圖

偷盜

放射性同位素熱能發電機中含有的放射性物質屬危險品，甚至可以用於惡意目的。它們對真正的核武器幾乎沒有用處，但仍可應用於「髒彈」。前蘇聯用鍶-90(鍶90)建造了許多無人值守燈塔和導航信標。它們非常可靠，提供了穩定的電源，但大多數都沒有保護措施，甚至沒有圍欄或警告標誌。由於記錄保存不善，一些設施的位置已經不為人所知。有一次，一名小偷曾打開了放射性隔間[5]；而在另一起案例中，格魯吉亞察倫吉哈區的三名伐木工發現了兩隻陶瓷裝同位素熱能發電機熱源，它們的屏蔽保護層已被剝離，其中兩人因背負熱源後被嚴重輻射燒傷而住院治療。最終，這些設施被回收並隔離[33]。俄羅斯境內大約有1000台這樣的放射性同位素熱能發電機，所有這些發電機都早已超過所設計的10年使用期限。大多數發電機可能已不再工作，需要被拆除。儘管有放射性污染危險，它們中的一些金屬外殼還是已被金屬拾荒者剝去[34]。

放射性污染

放射性同位素熱能發電機存在放射性污染風險：如果裝有燃料的容器泄漏，放射性材料可能會造成環境污染。

對於太空船而言，主要關切的是，如果在太空船發射或隨後接近地球的過程中發生事故，有害物質可能會釋放到大氣中。因此，在太空船和其他地方使用有害物質已引起爭議[35][36]。但目前同位素熱能發電機桶的設計不太可能會出現這種情況。例如，1997年發射的卡西尼-惠更斯探測器的環境影響研究充分評估了任務各階段發生污染事故的可能性。在發射後最初的3.5分鐘內，3台發電機中的一台或多台(或129台放射性同位素加熱器)發生放射性泄漏事故的概率估計為1/1400；接下來進入軌道後的泄漏概率為1/476；在此之後，意外泄漏的可能性急劇降至百萬分之一以下[37]。假如在發射階段發生了可能造成污染的事故(如太空船未能到達軌道)，則放射性同位素熱能發電機實際造成污染的概率估計約為十分之一[38]。 但最終發射圓滿成功，「卡西尼-惠更斯號」順利到達了土星。

這些同位素熱能發電機中所用鈈-238的半衰期為87.74年，而核武器和核反應堆中使用的鈈-239的半衰期為24110年。半衰期較短的結果是鈈-238的放射性約為鈈-239的275倍(即17.3居里(640吉貝克)/克比0.063居里(吉貝克)/克[39])。例如，3.6千克鈈-238每秒發生的放射性衰變次數與1噸鈈-239相同[40]。由於兩種同位素的放射性致病率幾乎完全相同，因此，鈈-238的毒性是鈈-239的275倍。

任何一種同位素髮出的α輻射都不會穿透皮膚，但如果吸入或攝入鈈，它可以照射內臟，尤其危險的是骨骼，其表面可能吸收同位素，以及肝臟，在那裏同位素將被匯集並濃縮。

事故

已經發生過幾起涉及放射性同位素熱能發電機供電的太空船事故：

  1. 第一次是1964年4月21日發生的衛星發射失敗，美國「子午儀5BN3」導航衛星未能進入軌道，在重返至馬達加斯加以北上空時燒毀[41]。它的斯納普9A型同位素熱能發電機中17000居里(630太貝克)的金屬鈈燃料在南半球大氣層中燒毀，數月後在該地區檢測到了微量鈈-238。這一事件導致美國太空總署安全委員會要求未來發射的放射性同位素熱能發電機必須完整地返回地球，這反過來又影響了管道型同位素熱能發電機的設計。
  2. 第二次是「雨雲 B1號」氣象衛星，其運載火箭在1968年5月21日發射後不久因軌道不穩定而被下令摧毀。從范登堡空軍基地發射的斯納普9A型同位素熱能發電機中含有相對惰性的二氧化鈈，五個月後在聖巴巴拉海峽海底完好無損地被收回，沒有發現環境污染[42]。
  3. 1969年，第一輛月面步行者任務的發射失敗，在俄羅斯大片地區撒落了釙-210 [43]。
  4. 1970年4月，太陽神13號任務失敗，意味着艙登月艙將攜帶一台放射性同位素熱能發電機返回大氣層，並在斐濟上空燒毀。它所攜帶的這台斯納普27型同位素熱能發電機中含有44500居里(1650太貝克)的二氧化鈈，裝在着陸器腿上的一個石墨桶中，在重入地球大氣層時被完好地保存下來，正如事先規劃的路徑，軌道的安排使它能夠落入在太平洋湯加海溝6-9公里深的海底。大氣和海水取樣沒有發現鈈-238污染，證實了該燃料桶在海床上完好無損的假設。預計該燃料桶中的燃料至少還有10個半衰期(即870年)。美國能源部已進行了海水測試，並確定設計用於抵禦重返大氣層的石墨外殼是穩定的，不會發生鈈泄漏。隨後的調查發現，該地區的自然背景輻射沒有增加。太陽神13號事故代表了一種極端的情況，因為飛船從地月軌道空間(地球大氣層與月球之間的區域)返回時的速度極高。這次事故驗證了新一代放射性同位素熱能發電機的設計是高度安全的。
  5. 1996年，俄羅斯發射了火星96，但未能離開地球軌道，數小時後又重返大氣層。太空船上的兩台同位素熱能發電機總共攜帶了200克鈈，並被認為能按設計要求在重返過程中倖存下來。現在估計它們跌落在範圍為320公里長×80公里寬，東北-西南走向的橢圓形區域的某處，該橢圓區的中心位於智利伊基克以東32公里處[44]。
 
太陽神14號太空人安放的一台「核輔助動力系統計劃27型」同位素熱能發電機，與太陽神13號返回時丟失的熱能發電機相同。

1965年，一台名為斯納普19C型的放射性同位素熱能發電機在印度楠達德維山山頂附近丟失。當時它們被安放在山頂附近的岩石中，面臨暴風雪。原本安裝後為中情局遠程自動站供電，該站主要收集中國火箭測試基地的遙測數據。總共有7件設備包被雪崩捲入山谷中的冰川，再也沒被找到，很可能已被融化的冰川粉碎。因此鈈238鋯合金燃料氧化了冰川下以羽流形式移動的土壤顆粒[45]。

蘇聯很多為燈塔和信標提供電力的"貝塔M型"(Beta-M)放射性同位素熱能發電機，已成為「失控」的輻射源。其中一些裝置為獲取廢金屬而被非法拆除(導致鍶-90源完全暴露)、另一些已落入海洋或因設計不當或物理損壞使屏蔽層出現缺陷。美國國防部降低威脅合作計劃表示擔心，"貝塔M型"(Beta-M)放射性同位素熱能發電機材料可被恐怖組織用來製造髒彈[5]。

與裂變反應堆的比較

放射性同位素熱能發電機與裂變反應堆使用極不同的核反應方式。

核動力反應堆(包括用於太空的小型反應堆)在鏈式反應中進行受控裂變，反應速率可以通過中子吸收控制棒來調節。因此功率可以根據需要而變化，或完全關閉(幾乎)以進行維護，但需謹慎避免危險的高功率水平下的不受控操作，甚至爆炸或核熔毀。

放射性同位素熱能發電機中不會發生鏈式反應，熱能是通過自發的放射性衰變產生的，其速率不可調節且穩定下降，並只取決於同位素燃料的數量及其半衰期。在同位素熱能發電機中，熱能的產生不能隨需求變化，也無法在不需要時關閉，並且不可能通過降低功耗來節省更多的能量。因此，可能需要輔助電源(如可充電電池)來滿足用電高峰的需求，而且還必須始終提供足夠的冷卻，包括在太空任務發射前和飛行早期階段。放射性同位素熱能發電機不可能出現像核熔毀或核爆炸那樣的驚人事故，但一旦火箭爆炸，或裝置在重返大氣層時解體，則仍有放射性污染的風險。

亞臨界倍增同位素熱能發電機

由於鈈-238的短缺，目前提出了一種亞臨界反應輔助的新型放射性同位素熱能發電機[46]。在這种放射性同位素熱能發電機中，放射性同位素的α衰變也被用於含有合適元素如鈹的α-中子反應中，這樣就產生了長壽型的中子源。由於系統在接近但小於1的臨界狀態下工作，即有效中子倍增因子Keff<1，從而實現了亞臨界倍增，增加了背景中子並從裂變反應中產生出能量。儘管放射性同位素熱能發電機中產生的裂變數量非常少(它的伽馬輻射可以忽略不計)，但由於每次裂變反應釋放的能量是每次α衰變的30倍以上(200兆電子伏特，而非6兆電子伏特)，因此可以獲得10%的能量增益，這意味着每次任務對鈈238的需求量會減少。這一想法於2012年提交給美國太空總署，以加入每年一度的恩斯皮爾(NSPIRE)競賽，2013年又轉交愛達荷州國家實驗室進行可行性研究[47]，但基本要素仍未改變。

星際探測器用同位素熱能發電機

放射性同位素熱能發電機已被建議應用於實際的星際先驅任務和星際探測器上[48]，這方面的一個示例是美國太空總署提出的「創新型星際探測器」(2003年至今)提案[49]。2002年，為該類任務提出了使用鎇241的放射性同位素熱能發電機[48]，它可將星際探測器的任務運行時間延長至1000年，因為從長期來看，能量輸出下降的速度比鈈慢[48]。在這項研究中也檢驗了可應用於同位素熱能發電機的其他同位素，考察了諸如瓦/克、半衰期及衰變產物等特性[48]。1999年的一項星際探測器提案建議使用三種先進的放射性同位素能源(ARPS)[50]。

放射性同位素熱能發電機的電能可為科學儀器、地球通信提供電力[48]，一項任務曾提議使用電力來為離子推力器提供動力，稱這種方法為「放射性同位素電力推進」(REP)[48]。

靜電增強型放射性同位素熱源

已提出的一種基於自感應靜電場的放射性同位素熱源功率增強方法[51]，根據提出者的說法，使用的測試源已實現高達10%的提增幅度。

型號

常規的放射性同位素熱能發電機是通過放射性衰變來提供動力，其特點是將熱能轉換為電能，但為了進一步了解具體情況，在此包括了一些在概念上有所變化的系統。

太空核電力系統

參見：太空核能

已知的探測器/核動力系統及結局。核動力系統面臨着各種各樣的結局，例如，太陽神飛船的斯納普27型同位素熱能發電機被留在了月球上[52]。其他一些探測器也有小型放射性同位素加熱器，如每架火星探測車都有一台1瓦的放射性同位素加熱器。探測器使用了不同數量的材料，例如火星科學實驗室攜帶的「好奇號」火星車上就有4.8千克二氧化鈈-238[53]，而卡西尼號探測器上則有32.7千克[54]。

名稱和型號 探測器及台數 最大輸出值  放射性
同位素 		所用燃料量(千克) 質量(千克) 功率/質量(發電 瓦/千克)
電力(瓦) 熱能(瓦)
多任務型
MMRTG		 火星科學實驗室/好奇號火星車和毅力號/火星2020火星車 110 c. 2000 鈈238 c. 4 <45 2.4
通用型
GPHS		 卡西尼號(3)、新視野號(1)、伽利略號(2)、尤利西斯號(1) 300 4400 鈈 238 7.8 55.9–57.8[55] 5.2–5.4
數百瓦級
MHW		 林肯實驗衛星8/9號、旅行者1號(3)、旅行者2號(3) 160[55] 2400[56] 鈈238 c. 4.5 37.7[55] 4.2
斯納普3B型
SNAP-3B		 子午儀4A號衛星(1) 2.7[55] 52.5 鈈238 ? 2.1[55] 1.3
斯納普9A型
SNAP-9A		 子午儀5BN1/2號衛星(1) 25[55] 525[56] 鈈238 c. 1 12.3[55] 2.0
斯納普19型
SNAP-19		 雨雲3號衛星(2)、先驅者10號(4)、先驅者11號(4) 40.3[55] 525 鈈238 c. 1 13.6[55] 2.9
改進版斯納普19型 海盜1號(2)、海盜2號(2) 42.7[55] 525 鈈238 c. 1 15.2[55] 2.8
斯納普27型
SNAP-27		 太陽神12-17號實驗包(1) 73 1480 鈈238[57] 3.8 20 3.65
(裂變反應堆)布克(山毛櫸5型)** 海洋偵察衛星(1) 3000 100000 高濃縮鈾235 30 1000 3.0
(裂變反應堆)斯納普10A型*** 核輔助動力系統10A號(1) 600[58] 30,000 高濃縮鈾235    431 1.4
先進斯特林發電機 原型設計(未發射)，發現計劃 c. 140 (2x70) c. 500 鈈238 1 34 4.1

**山毛櫸5型或布克反應堆是一個快速增殖反應堆，它使用基於半導體的熱電偶將熱量直接轉化為電能，不是真正的放射性同位素熱能發電機[59][60]。

***斯納普10A型並非真正的放射性同位素熱能發電機，它使用濃縮鈾燃料，氫化鋯作為慢化劑，液態鈉鉀合金冷卻劑，用鈹反射體激活或停止[58]反應堆為熱電轉換系統供熱的方式來發電[58]。

****不是真正的放射性同位素熱能發電機，先進斯特林放射性同位素發電機(ASRG)是一台使用放射性同位素供熱來運行的斯特林發電裝置(見斯特林放射性同位素發電機)。

陸地型

名稱和型號 應用 最大輸出值 放射性同位素 最大能耗
(千克) 		質量(千克)
電力(瓦) 熱能(瓦)
貝塔M型 廢棄的前蘇聯無人值守燈塔和信標 10 230 鍶90 0.26 560
Efir-MA 30 720 ? ? 1250
IEU-1    80 2200 鍶90 ? 2500
IEU-2    14 580 ? ? 600
Gong 18 315 ? ? 600
Gorn 60 1100 ? ? 1050
IEU-2M 20 690 ? ? 600
IEU-1M 120 (180) 2200 (3300) 鍶90 ? 2(3) × 1050
哨兵25型[61] 美國北極遠程監聽站 9–20 鈦酸鍶(SrTiO3) 0.54 907–1814
哨兵100F型[61] 53 氧化鈦鍶(Sr2TiO4)  1.77 1234
漣漪 X[62] 浮標、燈塔 33[63] 鈦酸鍶(SrTiO3) 1500

另請參閱

參考文獻

  1. ^ National Inventors Hall of Fame entry for Ken Jordan. [2021-02-14]. （原始內容存檔於2016-09-17）. 
  2. ^ National Inventors Hall of Fame entry for John Birden. [2021-02-14]. （原始內容存檔於2016-09-17）. 
  3. ^ 核电池-热电偶类型概要报告 (PDF). 美國原子能委員會. 1960-10-01 (1962-01-15). 
  4. ^ General Safety Considerations (pdf lecture notes). Fusion Technology Institute, University of Wisconsin–Madison: 21. Spring 2000 [2021-02-14]. （原始內容存檔 (PDF)於2018-09-15）. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 放射性同位素热能发电机. Bellona. 2005-04-02 [2016-06-13]. （原始內容存檔於2021-01-24）. 
  6. ^ Sudunova, Irina. 苏联人在北极建造的核灯塔. BBC Reel (BBC). 2021-01-05 [2021-01-09]. （原始內容存檔於2021-01-11） （英語）. 
  7. ^ Alaska fire threatens air force nukes （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, WISE
  8. ^ Nuclear-Powered Cardiac Pacemakers （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, LANL
  9. ^ Nuclear pacemaker still energized after 34 years. 19 December 2007 [2019-03-14]. （原始內容存檔於2018-01-09）. 
  10. ^ [1]
  11. ^ Dresselhaus, Mildred. New Ideas for Advancing Thermoelectric Performance. mrs.digitellinc.com. Materials Research Society. [October 13, 2020]. （原始內容存檔於2023-06-19）. 
  12. ^ Liu, Weishu. New trends, strategies and opportunities in thermoelectric materials: A perspective. Materials Today Physics. 2017, 1: 50–60 [2023-07-26]. doi:10.1016/j.mtphys.2017.06.001. （原始內容存檔於2023-06-19）. 
  13. ^ Tang, Shuang; Dresselhaus, Mildred. Building the Principle of Thermoelectric ZT Enhancement. 2014. arXiv:1406.1842   [cond-mat.mtrl-sci]. 
  14. ^ Tang, Shuang. Using Pseudo-ZTs for Thermoelectric Materials Search (PDF). ES Materials & Manufacturing. 2019, 4: 45–50 [2023-07-26]. S2CID 210801068. doi:10.30919/esmm5f213. （原始內容存檔 (PDF)於2022-08-02）. 
  15. ^ NPE chapter 3 Radioisotope Power Generation 互聯網檔案館的存檔，存檔日期18 December 2012.
  16. ^ Dennis Miotla, (Deputy Assistant Secretary for Nuclear Power Deployment, NASA). Assessment of Plutonium-238 Production Alternatives: Briefing for Nuclear Energy Advisory Committee (PDF). 2008-04-21 [2021-02-14]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-03-08）. 
  17. ^ C. B. Chadwell and T. C. Elswick. Neutron Emission Rate Reduction in PuO2 by Oxygen Exchange. Mound Laboratory Document MLM-1844. 1971-09-24. OSTI 4747800. 
  18. ^ See the Pu-238 heat sources fabricated at Mound, revised table: Carol Craig. RTG: A Source of Power; A History of the Radioisotopic Thermoelectric Generators Fueled at Mound (PDF). Mound Laboratory Document MLM-MU-82-72-0006. （原始內容 (PDF)存檔於2016-08-16）. 
  19. ^ 19.0 19.1 NASA Doesn't Have Enough Nuclear Fuel For Its Deep Space Missions （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. Ethan Siegel, Forbes. 13 December 2018.
  20. ^ Plutonium supply for NASA missions faces long-term challenges. Jeff Foust. Space News, 10 October 2017.
  21. ^ 21.0 21.1 Rod Adams, RTG Heat Sources: Two Proven Materials 互聯網檔案館的存檔，存檔日期7 February 2012., 1 September 1996, Retrieved 20 January 2012.
  22. ^ Polonium (PDF). Argonne National Laboratory. （原始內容 (PDF)存檔於2012-03-10）. 
  23. ^ Nell Greenfield-Boyce, Plutonium Shortage Could Stall Space Exploration （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, NPR, 28 September 2009, retrieved 2 November 2010
  24. ^ Dr Major S. Chahal, [2] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, UK Space Agency, 9 February 2012, retrieved 13 November 2014.
  25. ^ UK scientists generate electricity from rare element to power future space missions. National Nuclear Laboratory. [2019-05-06]. （原始內容存檔於2020-03-10）. 
  26. ^ R.M. Ambrosi, et al. [3] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, Nuclear and Emerging Technologies for Space (2012), retrieved 23 November 2014.
  27. ^ Voyager Mission Operations Status Reports. Voyager.jpl.nasa.gov web. [2011-07-24]. （原始內容存檔於2009-11-21）. 
  28. ^ Spacecraft 'Nuclear Batteries' Could Get a Boost from New Materials. JPL News. Jet Propulsion Laboratory. 2016-10-13 [2016-10-19]. （原始內容存檔於2019-06-17）. 
  29. ^ An Overview and Status of NASA's Radioisotope Power Conversion Technology NRA 互聯網檔案館的存檔，存檔日期9 October 2006., NASA, November 2005
  30. ^ 使用新型热电材料和装置的地面发电机 (PDF). [2013-05-07]. （原始內容 (PDF)存檔於2013-05-14）. 
  31. ^ 存档副本 (PDF). [2021-02-14]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-03-04）. 
  32. ^ 存档副本 (PDF). [2021-02-14]. （原始內容 (PDF)存檔於2016-12-22）. 
  33. ^ IAEA Bulletin Volume 48, No.1 – Remote Control: Decommissioning RTGs (PDF). Malgorzata K. Sneve. [2015-03-30]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-11-11）. 
  34. ^ Report by Minister of Atomic Energy Alexander Rumyantsev at the IAEA conference "Security of Radioactive Sources," Vienna, Austria. March 11th 2003 (Internet Archive copy) (PDF). [2009-10-10]. （原始內容 (PDF)存檔於2003-08-06）. 
  35. ^ Nuclear-powered NASA craft to zoom by Earth on Tuesday （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, CNN news report, 16 August 1999
  36. ^ Top 10 Space Age Radiation Incidents. listverse.com. [2018-01-30]. （原始內容存檔於2021-03-09）. 
  37. ^ Cassini Final Supplemental Environmental Impact Statement 互聯網檔案館的存檔，存檔日期29 September 2006., Chapter 4, NASA, September 1997 (Links to other chapters and associated documents  互聯網檔案館的存檔，存檔日期7 September 2006.)
  38. ^ Cassini Final Supplemental Environmental Impact Statement 互聯網檔案館的存檔，存檔日期29 September 2006., Appendix D, Summary of tables of safety analysis results, Table D-1 on page D-4, see conditional probability column for GPHS-RTG
  39. ^ Physical, Nuclear, and Chemical, Properties of Plutonium （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, IEER Factsheet
  40. ^ Mortality and Morbidity Risk Coefficients for Selected Radionuclides, Argonne National Laboratory 互聯網檔案館的存檔，存檔日期10 July 2007.
  41. ^ Transit. Encyclopedia Astronautica. [2013-05-07]. （原始內容存檔於2012-05-15）. 
  42. ^ 將放射性同位素熱能發電機返回土墩實驗室進行拆卸，回收和再利用二氧化鈈238微球燃料。A. Angelo Jr. and D. Buden. 太空核电源. Krieger Publishing Company. 1985. ISBN 0-89464-000-3. 
  43. ^ 太空任务的能源. 太空安全雜誌. [2014-01-18]. （原始內容存檔於2014-02-01）. 
  44. ^ 火星96的時間表 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, 美國太空總署
  45. ^ M. S. Kohli & Kenneth Conboy. Spies in the Himalayas. Univ. Press of Kansas: Lawrence, Kansas, USA. 
  46. ^ Arias, F. J. Advanced Subcritical Assistance Radioisotope Thermoelectric Generator: An Imperative Solution for the Future of NASA Exploration. Journal of the British Interplanetary Society. 2011, 64: 314–318 [2021-02-14]. Bibcode:2011JBIS...64..314A. （原始內容存檔於2020-08-06）. 
  47. ^ Design of a high power (1 kWe), subcritical, power source Archived copy. [2014-10-05]. （原始內容存檔於2014-10-06）. 
  48. ^ 48.0 48.1 48.2 48.3 48.4 48.5 Ralph L. McNutt, et all – Interstellar Explorer (2002) – Johns Hopkins University （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） (.pdf)
  49. ^ Innovative Interstellar Probe. JHU/APL. [2010-10-22]. （原始內容存檔於2018-08-08）. 
  50. ^ Interstellar Probe. NASA/JPL. 2002-02-05 [2010-10-22]. （原始內容存檔於2009-04-09）. 
  51. ^ Arias, Francisco J.; Parks, Geoffrey T. Self-induced electrostatic-boosted radioisotope heat sources  . Progress in Nuclear Energy (Elsevier). November 2015, 85: 291–296. ISSN 0149-1970. doi:10.1016/j.pnucene.2015.06.016  . 
  52. ^ David M. Harland. Apollo 12 – On the Ocean of Storms. Springer Science & Business Media. 2011: 269 [2021-02-14]. ISBN 978-1-4419-7607-9. （原始內容存檔於2020-08-20）. 
  53. ^ Mars Science Laboratory Launch Nuclear Safety (PDF). NASA/JPL/DoE. 2011-03-02 [2011-11-28]. （原始內容存檔 (PDF)於2012-08-17）. 
  54. ^ Ruslan Krivobok: Russia to develop nuclear-powered spacecraft for Mars mission （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. Ria Novosti, 11 November 2009, retrieved 2 January 2011
  55. ^ 55.00 55.01 55.02 55.03 55.04 55.05 55.06 55.07 55.08 55.09 55.10 "Space Nuclear Power" （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） G.L.Bennett 2006
  56. ^ 56.0 56.1 Archived copy. [2012-10-19]. （原始內容存檔於2008-06-19）. 
  57. ^ SNAP-27. Smithsonian National Air and Space Museum. [2011-09-13]. （原始內容存檔於2012-01-24）. 
  58. ^ 58.0 58.1 58.2 SNAP Overview. USDOE ETEC. [2010-04-04]. （原始內容存檔於2010-05-04）. 
  59. ^ Chitaykin, V.I; Meleta, Ye.A.; Yarygin, V.I.; Mikheyev, A.S.; Tulin, S.M. Use of nuclear space technology of direct energy conversion for terrestrial application. International Atomic Energy Agency, Vienna (Austria): 178–185. [2011-09-14]. 
  60. ^ Nuclear Reactors for Space. [2011-09-14]. （原始內容存檔於2013-02-27）. 
  61. ^ 61.0 61.1 北极远程应用电源 (PDF). 華盛頓特區: 美國國會, 技術評審處. 1994年6月 [2021-02-14]. OTA-BP-ETI-129. （原始內容存檔 (PDF)於2020-03-08）. 
  62. ^ RIPPLE I – X and Large Source. [2021-02-14]. （原始內容存檔於2021-02-25）. 
  63. ^ Irish Lights- Rathlin O'Birne. [2021-02-14]. （原始內容存檔於2021-02-24）. 
Notes

外部連結

 
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