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美国“毅力号”火星车核电源系统浅析

核电源 核电池 同位素
发布:2020-08-25 10:49:50     来源:中国核网

“毅力号”的MMRTG重45kg,功率110W,采用Pu-238为同位素热源,热电偶发电,工作寿命14年。MMRTG产生的电量可以驱动火星车所有设备,多余热量用来保持火星车内部温度,防止在低温环境下仪器损坏。

01 同位素核电源概述

同位素电源中应用最成功的是同位素温差电池(Radioisotope Thermoelectric Generator,简称RTG),它利用同位素衰变产生热能,利用热电偶将热能转换为电能,具有体积小、结构简单等特点。其热电转换效率介于4%~8%之间,电输出功率从数瓦到数百瓦不等,下图所示为一种典型的空间应用同位素温差电池的原理和结构。

RTG的工作原理和典型结构图

钚-238在衰变的过程中会释放出一个氦-4原子核(α粒子),因此钚-238的衰变又被称为α衰变。α粒子的动能转变为热能,使钚-238达到五六百摄氏度,温差元件将这种热量转换为电能。

RTG是一种利用温差电材料的塞贝克效应(在两种金属A和B组成的回路中,如果使两个接触点的温度不同,则在回路中将出现电流,称为热电流)将放射性同位素衰变产生的热能直接转换成电能的固态能量转换器件。其主要包含3个主要的功能单元:同位素热源、温差电组件和散热器。RTG在空间应用中一方面利用其输出的电能为探测器供电,一方面将余热为热控系统提供热能,以确保探测器在极低温度环境下生存。

美国用RTG的空间任务

截止2019年底,美国已在过去的30多个空间飞行任务中使用了将近50个RTG,其中,有35个RTG应用于18次的美国航空航天局(NASA)的任务,没有1次是由于RTG的原因造成任务失败。所有的RTG全部采用Pu-238作为放射性同位素,其RTG的输出电功率从2.7~300W,质量从2kg到56kg不等,电池最高热电效率已达6.7%,最高质量比功率已达5.36W/kg,最高的在轨运行寿命接近40年。上图显示了美国空间用RTG的任务概况。

02 “毅力号”的同位素核电源系统

美国在所有的空间应用工程中均选择Pu-238作为热源核素,早期采用金属Pu-238,后经过多年的研究和应用过程的优化,最终采用PuO2陶瓷形式,并制成标准的通用热源形式(General Propose Heat Source,简称GPHS),其结构如下图所示。

GPHS模块结构

GPHS热源是首个采用模块化设计的同位素热源,每个模块包含2个热源单体,每个单体有2个PuO2芯块,芯块由铱合金封装,模块的最外层为再入大气热保护层(Aeroshell),保证整个模块在遇到意外时的安全性。

钚-238粉末原料和钚-238陶瓷芯块

2003年6月,美国能源部(DOE)为满足NASA火星实验室(MSL)的需求,确定了多用途同位素温差电池(简称MMRTG)的研制任务,任务由Aerojet Rocketdyne和Teledyne Energy Systems合作承担。要求MMRTG既能适应真空环境,又能适应地外天体的大气环境。

2011年11月26日首个MMRTG作为“好奇号”火星探测器的主电源发射成功,2012年8月6日“好奇号”在火星表面安全着陆,开始了火星表面巡视探测之旅。“好奇号”的MMRTG采用8个模块化通用热源GPHS,温差电材料采用PbTe/TAGS,初期输出功率125W,热电转换效率6.4%,质量比功率2.8W/kg,其结构如下图。

MMRTG剖面图

“毅力号”的MMRTG与“好奇号”结构类似,采用8个GPHS模块,并且拥有14年的工作寿命,它使火星车在较大的纬度和高度范围内具有更大的机动性,使科学家能够最大限度地提高管理火星车科学仪器的能力,为工程师在火星车的操作方面提供了很大的灵活性。“毅力号”MMRTG的技术参数如下。

电源通过接口固定在火星车尾部,每个电源模块的内部燃料都被几层保护材料包围,其中包括用于导弹鼻锥的坚韧材料,这些材料旨在使电源在重新进入大气层时能够承受激烈条件。此外,放射性同位素燃料以陶瓷形式制造,可防止破碎成细小的碎片,从而减少了危险物质可能被空气传播或摄入的机会。如果“毅力号”发射时发生事故,则暴露的个体可以接受的最大估计计量为210毫雷姆。

“毅力号”火星车结构及核电源位置

“毅力号”MMRTG由两个主要元素组成:一个包含Pu-238的热源和一个热电偶,该热电偶可以发电,可长期在太空中运行而不会发生故障。热电偶的原理涉及两块板,每块板均由不同的导电金属制成。将这两个板连接在一起以形成闭合电路,同时将两个结保持在不同的温度下会产生电流。这些结对中的每对都形成一个单独的热电偶。

“毅力号”MMRTG的结构

在MMRTG中,Pu-238的自然衰变会产生热量,然后将热量传递到这些结点之一,而另一个结点保持不加热,并被太空环境或行星大气冷却。热电偶通过利用热侧和冷侧之间的温差来发电。MMRTG设计使用了PbTe/TAGS热电偶,其中TAGS材料是结合碲(Te)、银(Ag)、锗(Ge)和锑(Sb)的材料。

PbTe/TAGS热电偶结构

电源系统还包括两个锂离子可充电电池,以满足火星车的峰值需求。NASA表示,在火星车进行科学运算期间,电力需求可以达到900瓦,电池将在用电高峰时为火星车供电。同时MMRTG产生的能量中有94%左右是余热,这将有助于在火星表面的低温下使火星车的内部电子设备保持温暖。

MMRTG实物及在“毅力号”上的安装状态

橡树岭国家实验室为NASA火星车提供热源材料和硬件,洛斯阿拉莫斯国家实验室纯化并封装Pu-238,然后,爱达荷州国家实验室组装、测试并确保电源的最终交付。为确保有足够的Pu-238供应,橡树岭实验室于2013年重新启动了Pu-238的生产,并对生产过程的一部分进行了自动化处理,使该实验室每年可生产多达400克Pu-238,按照计划2025年将达到年产1.5千克的目标。“毅力号”是第一个使用橡树岭实验室生产的Pu-238的NASA任务。

下一个由INL组装和测试的MMRTG将为“蜻蜓”旋翼机着陆任务提供动力,该任务将探索土星最大的卫星土卫六,计划于2026年发射。INL的太空核动力和同位素系统小组也越来越多地参与用于核热推进和裂变表面能应用的太空反应堆。

03 同位素核电源的未来发展趋势

自1961年SNAP3B-RTG实现了RTG空间首次应用以来,其发展经历了几个阶段,如下图所示。

美国RTG的发展阶段

虽然美国一直致力于寻找温差电换能技术的替代者,并且对用斯特林换能技术的斯特林同位素发电器进行了大量的地面验证试验,原先有资料报道计划在火星实验室项目实现ASTG的首次应用,但最终还是使用了MMRTG。

目前来看对于未来的深空探测任务,MMRTG还是首选,在2010年10月,NASA发布《DRAFT SPACE POWER AND ENERGY STORAGRE ROAD MAP》提到的同位素电源系统面临的主要挑战有3个方面:

◆在满足长寿命要求的条件下,提高换能器系统的热电转换效率。

◆同位素电源系统需要承受5000g的冲击问题。

◆Pu-238的严重短缺问题。

同时也提出了未来的RTG的研究目标是热电转换效率达到10%~15%;质量比功率达到10~15W/kg;寿命15年。NASA还提出了(Advanced Radioisotope Thermoelectric Generator-ARTG)计划,计划除了提出以通用热源为设计基础进行先进同位素温差电池概念设计外,还将开发先进的高温体系Zintl及纳米SiGe作为热电转换材料。

结论

“毅力号”的核电源采用与“好奇号”相同的模块化MMRTG,为火星车上所有设备提供能量。同位素热源为以PuO2为核心的GPHS模块,每个模块包括4快PuO2。热电转换装置为PbTe/TAGS热电偶,电功率110W。经过多年发展,同位素核电源技术已经相对成熟,成为美国深空探测的首选动力源,预计美国未来的深空任务中,会越来越多地出现同位素电源的身影。

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