放射性同位素熱電機

卡西尼和伽利略号探测器上放射性同位素热能发电机所用的二氧化钚²³⁸球芯。该照片是在用石墨毯将小球保温数分钟，然后撤去包裹毯拍摄的。由于放射性衰变(主要是α粒子)产生的热量，球芯呈现炽红状，初始输出功率为62瓦。

放射性同位素热能发电机是1954年由土墩实验室(Mound Laboratories)两位科学家“肯·乔丹”(Ken Jordan)和“约翰·伯登”(John Birden)所发明，2013年两人均入选国家发明家名人堂[1][2]。1957年1月1日，乔丹和伯登与美国陆军信号部队签订了一份放射性材料和热电偶研究合同(R-65-8- 998 11-SC-03-91)，这些材料和热电偶适用于将钋-210产生的热能直接转换为电能。20世纪50年代末，位于俄亥俄州迈阿密斯堡的土墩实验室根据与美国原子能委员会签订的合同，开发出了放射性同位素热能发电机。项目负责人为伯特伦·C·布兰克博士[3]。

美国发射到太空的第一台放射性同位素热能发电机是1961年搭载在海军子午仪卫星(Transit satellite)上，由96克金属钚-238驱动的核辅助电力系统(斯纳普3B型)；而最早在陆地上的应用案例之一，则是1966年美国海军在阿拉斯加无人居住的小岛-费鲁埃岩(Fairway Rock)的使用，直到1995年，该地点都一直在使用。

放射性同位素热能发电机的常见应用是作为太空航天器的电源，核辅助电力系统(SNAP)装置主要应用在远离太阳，太阳能电池板不起作用地方的探测器上，如先驱者10号、先驱者11号、旅行者1号、旅行者2号、伽利略号、尤利西斯号、卡西尼号、新视野号、火星科学实验室等。该发电机也曾用于驱动两辆海盗号着陆器，以及阿波罗12号到17号宇航员安放在月球上的科学实验装置(斯纳普27型)。由于阿波罗13号登月因故障半途中止，它的放射性同位素热能发电机沉落在汤加海沟附近的南太平洋中[4]。放射性同位素热能发电机还应用在气象(Nimbus)、导航(Transit)和实验(LES)卫星上。相较之下，使用成熟核反应堆的太空飞行器则只属少数：仅有苏联的雷达型海洋监视系列卫星(RORSAT)和美国的SNAP-10A卫星。

除航天器外，前苏联还建造了数千座由放射性同位素热能发电机供电的无人值守灯塔和导航信标[5][6]。

美国空军使用放射性同位素热能发电机主要为位于阿拉斯加的“Top-ROCC”和“SEEK IGLOO”监视雷达系统的遥感站供电[7]。

在过去，小型“钚电池”(非常小的由钚²³⁸供电的放射性同位素热能发电机)被用于心脏起搏器中，以确保非常长的“电池寿命”[8]。截至2004年，大约有90台仍在使用。据报道，到2007年底，这一数字降到仅9台[9]。1966年6月1日，土墩实验室与核燃料与设备公司(NUMEC)合作，开始实施心脏起搏器项目[10]。当认识到火化过程中放射性热源不会完好无损时，该项计划于1972年被取消，因为无法完全确保这些装置不会与使用者的遗体一起火化掉。

从核技术标准看，放射性同位素热能发电机的设计原理很简单：主要部件是一只坚固的放射性物质(燃料)容器，将热电偶插入容器壁中，每支热电偶的外端连接在散热片，燃料的放射性衰变产生热量，燃料和散热器之间的温差使热电偶产生发电。

热电偶是一种利用帕尔帖-塞贝克效应将热能直接转换为电能的热电效应装置。它由两种都能导电的金属(或半导体)制成，如果在一个闭合回路中它们相互连接，并且两个连接点的温度不同，则将会在回路中产生流动电流。通常将大量热电偶串联在一起可产生更高的电压。

根据麻省理工学院的唐爽和崔瑟豪斯夫人提出的“唐-崔瑟豪斯理论”，[11][12] 提高电子-空穴的非对称性、增加有效带隙、带边对齐等方法在大多数半导体材料中均可以提高热电机中发电材料系统的能源转换率。通常也可附件材料纳米化的方法，但该方法更适合运用于低载流子浓度的热电发电材料体系。[13][14] 这种改良后的放射性同位素热电机常用于人造卫星、无人航天器、潜艇中。

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  正在对卡西尼号探测器上的放射性同位素热能发电机(RTG)作发射前检查。
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  装配大厅中的新视野号。

破旧不堪的前苏联锶⁹⁰热能发电机

大多数放射性同位素热能发电机都使用半衰期为87.7年的钚²³⁸为燃料，因此，使用这种材料的发电机每年输出功率将下降1–0.5^1/87.74或0.787%。

这方面的一个示例是旅行者探测器上使用的数百瓦级放射性同位素热能发电机。截止2000年，即运行23年后，该发电机内的放射性物质功率下降了16.6%，即输出功率只为初始功率的83.4%；从开始时的470瓦功率，经过这一段时间后，降至392瓦。此外，旅行者号发电机另一相关的功率损失因素是将热能转换为电能的双金属热电偶性能下降，发电机目前的工效处于其原始总功率的67%水平上，而非预期的83.4%。到2001年初，“旅行者1号”和“旅行者2号”的同位素热能发电机发电量将分别降至315瓦和319瓦[27]。

放射性同位素热能发电机使用热传导将放射性物质的热量转化为电能。热电模块，虽然非常可靠和持久，但效率非常低，从未达到10%以上的效率，大部分同位素热能发电机的工效在3-7%之间。迄今为止，航天任务中的热电材料包括硅锗合金、碲化铅和锑碲化物、锗及银(TAGS)等。目前利用其他技术提高热能发电效率的研究业已完成，实现更高的效率意味着只需更少的放射性燃料就可产生出同样的电能，因此发电机的总重量会更轻，这也是航天发射成本需考虑的一项至关重要的因素。

热离子转换器-一种基于热离子辐射原理的能量转换装置，其效率可达到10–20%之间，但要求的温度高于标准同位素热能发电机运行时的温度。一些钋²¹⁰热能发电机原型已使用了热离子技术，其他极有可能的放射性同位素也可以通过这种方法提供能量，但半衰期过短的同位素则不可行。少数太空核反应堆也采用了热离子技术，但核反应堆通常太重，无法在大多数太空探测器上使用。

“热光伏电池”(Thermophotovoltaic cell)的工作原理与太阳能电池相同，只是它们将热表面辐射的红外线光而不是可见光转化为电能。热光伏电池的效率比热电模块(TEMs)稍高，并且可以覆盖在其上，有可能使效率倍增。通过电加热器模拟带有放射性同位素发电机的系统已经证明其效率可达到20%[29]，但还没有用放射性同位素进行过测试。一些理论上的热光伏电池设计效率高达30%，但这些还没有出产或证实。热光伏电池和硅材料的降解速度比金属材料快，尤其是在电离辐射环境下。

动态发电机可提供超过同位素热能发电机四倍转换效率的电能。美国航天局和能源部一直在开发称之为斯特林放射性同位素发电机(SRG)的下一代放射性同位素燃料发电机，它通过自由活塞式斯特林发动机与线性交流发电机耦合，将热量转化为电能。斯特林发电机样机的平均效率为23%，进一步提高发电机冷、热端之间的温度比还可获得更高的效率。在试验装置中，使用非接触运动机件、抗疲劳弯曲轴承以及无润滑和密封环境，经多年测试运行，没有表现出明显的退化损耗。实验结果表明，斯特林放射性同位素发电机可连续运行数十年而无需维护。机械振动可通过实施动态平衡或使用双反向运动活塞来消除。斯特林放射性同位素发电系统的应用范围可涵盖深空、火星和月球探测及其它科学探索任务。

斯特林放射性同位素发电机效率的提升可通过热力学特性的理论比较来证明，如下所示。计算过程已被简化且没考虑所用同位素半衰期较长而导致的热功率输入衰减因素。该分析的假设前提是在实验过程中所观察到的两台处于稳定运行状态的系统(所用数值见下表)。这两种发电机都可简化为热引擎，以便比较它们对应卡诺效率的发电效率。除热源和散热片外，这二台系统被假定为组件[30][31][32]。

热效率表达符η_th，由以下公式得出：

${\displaystyle \eta _{\text{th}}={\frac {\text{Desired Output}}{\text{Required Input}}}={\frac {W'_{\text{out}}}{Q'_{\text{in}}}}}$

这里的上撇符 ( ' ) 表示时间导数。

按照热力学第一定律的常规形式，功率表达为：

${\displaystyle \Delta E'^{\text{sys}}=Q'_{\text{in}}+W'_{\text{in}}-Q'_{\text{out}}-W'_{\text{out}}\,}$

假设系统在稳定状态下运行，则${\displaystyle W'_{\text{in}}=0\,}$,

${\displaystyle W'_{\text{out}}=Q'_{\text{in}}-Q'_{\text{out}}\,}$

则可计算出η_th为11瓦/ 200瓦= 5.5% (斯特林放射性同位素发电机为140瓦/ 500瓦= 28%)。另外，第二定律效率，表示为η_II由以下公式得出:

${\displaystyle \eta _{\text{II}}={\frac {\eta _{\text{th}}}{\eta _{\text{th,rev}}}}}$

在此η_th,rev为卡诺效率，由:

${\displaystyle \eta _{\text{th}}=1-{\frac {T_{\text{heat sink}}}{T_{\text{heat source}}}}}$

其中:T_{heat sink}为外部温度(已测量到多任务放射性同位素热能发电机(MMRTG)为510 K，而斯特林放射性同位素发电机则为363 K)，T_{heat source}是多任务放射性同位素热能发电机燃料芯的温度，假设为823 K(斯特林放射性同位素发电机为1123 K)。这使得多任务放射性同位素热能发电机的第二定律效率为14.46%，而斯特林放射性同位素发电机为41.37%)。

由于钚-238的短缺，目前提出了一种亚临界反应辅助的新型放射性同位素热能发电机[46]。在这种放射性同位素热能发电机中，放射性同位素的α衰变也被用于含有合适元素如铍的α-中子反应中，这样就产生了长寿型的中子源。由于系统在接近但小于1的临界状态下工作，即有效中子倍增因子K_eff<1，从而实现了亚临界倍增，增加了背景中子并从裂变反应中产生出能量。尽管放射性同位素热能发电机中产生的裂变数量非常少(它的伽马辐射可以忽略不计)，但由于每次裂变反应释放的能量是每次α衰变的30倍以上(200兆电子伏特，而非6兆电子伏特)，因此可以获得10%的能量增益，这意味着每次任务对钚²³⁸的需求量会减少。这一想法于2012年提交给美国太空總署，以加入每年一度的恩斯皮尔(NSPIRE)竞赛，2013年又转交爱达荷州国家实验室进行可行性研究[47]，但基本要素仍未改变。

放射性同位素热能发电机已被建议应用于实际的星际先驱任务和星际探测器上[48]，这方面的一个示例是美国太空總署提出的“创新型星际探测器”(2003年至今)提案[49]。2002年，为该类任务提出了使用镅²⁴¹的放射性同位素热能发电机[48]，它可将星际探测器的任务运行时间延长至1000年，因为从长期来看，能量输出下降的速度比钚慢[48]。在这项研究中也检验了可应用于同位素热能发电机的其他同位素，考察了诸如瓦/克、半衰期及衰变产物等特性[48]。1999年的一项星际探测器提案建议使用三种先进的放射性同位素能源(ARPS)[50]。

放射性同位素热能发电机的电能可为科学仪器、地球通信提供电力[48]，一项任务曾提议使用电力来为离子推力器提供动力，称这种方法为“放射性同位素电力推进”(REP)[48]。

已提出的一种基于自感应静电场的放射性同位素热源功率增强方法[51]，根据提出者的说法，使用的测试源已实现高达10%的提增幅度。

常规的放射性同位素热能发电机是通过放射性衰变来提供动力，其特点是将热能转换为电能，但为了进一步了解具体情况，在此包括了一些在概念上有所变化的系统。

• 碱性金属热电转换器
• 核电池
• 射线电池
• 千瓦级(采用斯特林技术的千功率级反应堆)
• 光电核电池
• 放射性同位素加热器
• 核辅助电力系统
• 放射性同位素
• 斯特林放射性同位素发电机
• 热离子转换器
• 数百瓦级放射性同位素热能发电机

Notes

维基共享资源上的相关多媒体资源：放射性同位素熱電機

• 美国太空總署放射性同位素动力系统网站–放射性同位素热能发电机 （页面存档备份，存于）
• 美国太空總署喷气推进实验室简报，用放射性同位素动力系统扩展疆界 （页面存档备份，存于）—提供了放射性同位素热能发电机信息和一个较长介绍的链接
• 太空观点：“卡西尼号”放射性同位素热能发电机之争
• 斯特林放射性同位素发电机 （页面存档备份，存于）
• 能源部捐资 – 好的链接 （页面存档备份，存于）
• 爱达荷国家实验室-放射性同位素热能发电机制造商
• 爱达荷国家实验室多任务放射性同位素热能发电机页面，带有基于照片的“虚拟观赏” （页面存档备份，存于）