美国研究者正探求钚的放射性衰变中发电

2019-10-13 00:38:15 来源: 长春信息港

美国研究者正探求钚的放射性衰变中发电

Ken Wilson透过一扇黄色玻璃窗,凝视着另一边的杂乱瓶子和化学设备。在这样一个“辐射室”工作是Wilson的日常职责,他是美国田纳西州橡树岭国家实验室的原子能技术工程师。通过机械臂,他开始抓起这些瓶子,打开瓶盖,并将液体倒入另一个容器。 终,Wilson会将这些液体倒入一种深棕色液体中。这种液体就是钚-238浓缩液:一种高放射性同位素,Wilson在做的就是对它进行提纯。而钚-238的目标是宇宙深处,其衰变产生的热量将为美国宇航局(NASA)的空间项目提供能量,例如未来的火星探测器和计划前往太阳系外的宇宙飞船等。 这批钚-238将让NASA如释重负,因为越来越多的人担忧这种物质将要耗尽。自然界中不存在这种同位素,因此它必须在原子反应堆中制造。但1988年美国的主要供给源关闭,能源部(DOE)旗下的南卡罗来纳州萨瓦那河工厂停止生产钚-238,作为逐步淘汰核武器计划的一部分。4年之后,DOE开始从俄罗斯采购少量的钚-238,但采购活动也停止了。 结果是,NASA目前只有35公斤的钚-238,无法满足火星项目的需要。在2013年年底,情况更糟,当时的预算紧缩致使NASA取消了一个开发放射性同位素能源的项目。 这也是Wilson在橡树岭进行提纯工作的原因。从去年开始,NASA每年支付给DOE 5000万美元恢复其长期失速的钚-238制作能力。这是一项艰巨的工作,“钚生产工作十分困难。所有人都想当然地以为它就在那里,并一直在那里。生活要比这更复杂一些。”约翰斯·霍普金斯大学行星学家Ralph McNutt说。他正在参与NASA内部开发用于空间项目的原子能源的研究。 热点区域 首台放射性同位素动力设备出现于上世纪50年代末和60年代初的美苏空间项目中。从1961年发射的海军导航卫星到2011年的“好奇”号火星探测器,美国在27个空间项目中使用了放射性同位素动力设备。 所有这些设备都遵循着相同的基本原理:随着同位素的衰变,放射性会加热两种金属或半导体的结合点。多亏热电效应——这会产生电流,飞行器能够用来为设备提供能源,或将能量储存在电池里。更小的放射性同位素设备也能让探针在寒冷的宇宙中保持温度。 之所以选择钚-238,部分原因是每克物质能产生大量的能量,另外也更安全:它只释放出相对容易防护的α粒子。 目前,NASA更倾向于设计一个核动力源——多任务放射性同位素热电机(MMRTG),在任务开始时能使用4.8千克二氧化钚产生2000瓦热量和110瓦电能。钚-238的半衰期是87.7年,能在数十年里产生能量,但产出会随着时间而减少。 拥有35千克二氧化钚的NASA似乎有能力发展核动力航天器。但这些储备时间已久,目前能满足NASA不到一半的能量需求。考虑到进化中的行星项目时间周期较长,并且保证钚的持续供应存在挑战,该机构远没有目前表现得这样走运。 NASA将使用约5公斤二氧化钚作为计划2020年发射的新火星探测器的“发电机”。而未来的太阳系外任务将需要更多的“发电机”。 与DOE的新合约将首次为NASA提供稳定的钚-238供给。DOE的目标是,到2021年,每年生产1.5千克二氧化钚,这些氧化物能转化为1.1千克钚-238。该局行星科学部门副主任David Schurr表示,这样一来,NASA将有足够燃料在10年里维持两个任务。“在未来20年可预见项目上,我们可能会更好。”他说。 生产线 钚-238新生产线在爱达荷国家实验室启动,该实验室主要从核反应堆乏燃料中提取同位素镎-237。然后,这些镎被送往橡树岭。在阿巴拉契亚山区的一个秋日的早上,橡树开始换上红色和橘黄色的外衣,这让人们很容易忘记这里曾辉煌的原子能历史。但不会太久,穿过老旧铀浓缩工厂和废弃警戒塔的通往实验室的路又会“热闹起来”。 在橡树岭国家实验室园区里,镎-237将先被加压制成橡皮大小和形状的小球。这些球然后被一个接一个滑入一根长铝管中,并运送到该实验室历史悠久的一座建筑:高通量同位素反应堆。 辐射管理者Chris Bryan望着一个看起来像室内游泳池的东西,展示着一个微型化的反应堆堆芯组合的物理模型。它被安装在一个直径2.4米、镶有许多小孔的铍圆筒上。在反应堆运行前,Bryan将把装满镎的铝管插到这些小洞中,以便其与堆芯充分接触。Bryan 解释道,“我们正试着将尽可能多的镎挤入一个有限的体积内”。 一旦这些管子处在适当的位置上,Bryan将把整个装置放入游泳池,这些水将充当防辐射屏障,然后打开反应堆25天。在这段时间里,大量中子轰击镎-237,结果产生能迅速衰变成钚-238的镎-238。 这一过程一旦完成,这些管子将被移走,工作人员会使用添加了保护装置的轨道推车将它们放到隔壁房间。这里,Wilson和同事透过黄色玻璃监视着机械臂的运作。他们的工作是利用硝酸溶解被辐射的小球,然后将钚提取并浓缩成氧化物粉末,终它们会被装进防护桶。 终于,防辐射卡车会将这些桶运到洛斯阿拉莫斯国家实验室。在这里,这些氧化物将被压成燃料芯块。 当然,这一精心设计的过程还有许多其他阶段。首先,橡树岭国家实验室的反应堆没有足够的空间转化所有的镎-237。镎小球在这里被制作好后,一部分将被运往爱达荷实验室,其改进型试验反应堆将完成一些照射工作。 现在主要工作仍在橡树岭。化学工程师Robert Wham负责规划如何安全地进行两个试验批次,以便每年生产1.5千克二氧化钚。“这里的人之前没有使用过镎,我们几乎是从零开始。”他说。 ASA也在寻找方法,以便从现有的钚中提取更多能量。其喷气推进实验室材料工程师Jean-Pierre Fleurial领导的研究小组正试图建造热电偶——该设备能从钚的放射性衰变中发电。通过将目前用于热电偶的铅基材料更换为钴—锑材料,Fleurial小组在放射开始时获得的能量将至少多25%。 能量渴求 直到去年,NASA还致力于开发空间斯特林发动机,该设备利用1/4的钚就能产生与MMRTG相同的能量。斯特林变流器有时类似高科技蒸汽机:钚衰变产生的热量驱动氦气膨胀,反过来推动活塞发电。一个土卫六项目曾计划使用斯特林技术,但由于经费限制,NASA于2013年11月取消了该计划。 这一决定引来了马里兰大学的Jessica Sunshine等行星学家的指责。例如,NASA近提出的项目建议书——低成本“发现”级宇宙飞船,甚至不允许使用超过加热设备的限度的放射性同位素。 尽管NASA决定取消斯特林项目,但一个小规模研究计划依然在继续。格伦研究中心放射性同位素动力系统项目负责人John Hamley及其同事目前正继续研究不同构造的12种斯特林变流器。该项目已经进行了10年,以便证实活塞能长时间地可靠工作,以满足长期空间任务的需求。 如果NASA需要钚为人类空间探索提供能量,所有的这些努力还不够。该机构目前正计划将宇航员送上小行星或更远的深空,这需要的能量将比少量钚-238产生的能量大得多。Schurr表示,如果一个行星项目可能需要300~900瓦能量,人类深空探索则需要更大的飞船,同样也需要数万瓦的能量。明年年初将发布的一份NASA内部报告估计了空间核动力的需求,它指出,可能需要一个类似于裂变反应堆的自持能量源。 再回到橡树岭,Wham还在考虑如何制备更多的钚。如果需要,他说自己将使用更多的辐射室,制作更多的钚。“如果他们来找我们,想要更多的产品,我们知道怎么做。”他说。

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