美為深空探測(cè)囤積放射性能源物質(zhì)

钚生產(chǎn)工作十分困難。所有人都想當(dāng)然地以為它就在那里，并一直在那里。生活要比這更復(fù)雜一些。

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)“輻射室”，钚就在這里被制備。圖片來(lái)源：Alexandra Witze

Ken Wilson透過(guò)一扇黃色玻璃窗，凝視著另一邊的雜亂瓶子和化學(xué)設(shè)備。在這樣一個(gè)“輻射室”工作是Wilson的日常職責(zé)，他是美國(guó)田納西州橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室頂尖的原子能技術(shù)工程師。通過(guò)機(jī)械臂，他開(kāi)始抓起這些瓶子，打開(kāi)瓶蓋，并將液體倒入另一個(gè)容器。

最終，Wilson會(huì)將這些液體倒入一種深棕色液體中。這種液體就是钚-238濃縮液：一種高放射性同位素，Wilson在做的就是對(duì)它進(jìn)行提純。而钚-238的終極目標(biāo)是宇宙深處，其衰變產(chǎn)生的熱量將為美國(guó)宇航局（NASA）的空間項(xiàng)目提供能量，例如未來(lái)的火星探測(cè)器和計(jì)劃前往太陽(yáng)系外的宇宙飛船等。

這批钚-238將讓NASA如釋重負(fù)，因?yàn)樵絹?lái)越多的人擔(dān)憂這種物質(zhì)將要耗盡。自然界中不存在這種同位素，因此它必須在原子反應(yīng)堆中制造。但1988年美國(guó)的主要供給源關(guān)閉，能源部（DOE）旗下的南卡羅來(lái)納州薩瓦那河工廠停止生產(chǎn)钚-238，作為逐步淘汰核武器計(jì)劃的一部分。4年之后，DOE開(kāi)始從俄羅斯采購(gòu)少量的钚-238，但采購(gòu)活動(dòng)最后也停止了。

結(jié)果是，NASA目前只有35公斤的钚-238，無(wú)法滿足火星項(xiàng)目的需要。在2013年年底，情況更糟，當(dāng)時(shí)的預(yù)算緊縮致使NASA取消了一個(gè)開(kāi)發(fā)放射性同位素能源的項(xiàng)目。

這也是Wilson在橡樹(shù)嶺進(jìn)行提純工作的原因。從去年開(kāi)始，NASA每年支付給DOE 5000萬(wàn)美元恢復(fù)其長(zhǎng)期失速的钚-238制作能力。這是一項(xiàng)艱巨的工作，“钚生產(chǎn)工作十分困難。所有人都想當(dāng)然地以為它就在那里，并一直在那里。生活要比這更復(fù)雜一些?！奔s翰斯·霍普金斯大學(xué)行星學(xué)家Ralph McNutt說(shuō)。他正在參與NASA內(nèi)部開(kāi)發(fā)用于空間項(xiàng)目的原子能源的研究。

熱點(diǎn)區(qū)域

首臺(tái)放射性同位素動(dòng)力設(shè)備出現(xiàn)于上世紀(jì)50年代末和60年代初的美蘇空間項(xiàng)目中。從1961年發(fā)射的海軍導(dǎo)航衛(wèi)星到2011年的“好奇”號(hào)火星探測(cè)器，美國(guó)在27個(gè)空間項(xiàng)目中使用了放射性同位素動(dòng)力設(shè)備。

所有這些設(shè)備都遵循著相同的基本原理：隨著同位素的衰變，放射性會(huì)加熱兩種金屬或半導(dǎo)體的結(jié)合點(diǎn)。多虧熱電效應(yīng)——這會(huì)產(chǎn)生電流，飛行器能夠用來(lái)為設(shè)備提供能源，或?qū)⒛芰績(jī)?chǔ)存在電池里。更小的放射性同位素設(shè)備也能讓探針在寒冷的宇宙中保持溫度。

之所以選擇钚-238，部分原因是每克物質(zhì)能產(chǎn)生大量的能量，另外也更安全：它只釋放出相對(duì)容易防護(hù)的α粒子。

目前，NASA更傾向于設(shè)計(jì)一個(gè)核動(dòng)力源——多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姍C(jī)（MMRTG），在任務(wù)開(kāi)始時(shí)能使用4.8千克二氧化钚產(chǎn)生2000瓦熱量和110瓦電能。钚-238的半衰期是87.7年，能在數(shù)十年里產(chǎn)生能量，但產(chǎn)出會(huì)隨著時(shí)間而減少。

擁有35千克二氧化钚的NASA似乎有能力發(fā)展核動(dòng)力航天器。但這些儲(chǔ)備時(shí)間已久，目前能滿足NASA不到一半的能量需求。考慮到進(jìn)化中的行星項(xiàng)目時(shí)間周期較長(zhǎng)，并且保證钚的持續(xù)供應(yīng)存在挑戰(zhàn)，該機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)沒(méi)有目前表現(xiàn)得這樣走運(yùn)。

NASA將使用約5公斤二氧化钚作為計(jì)劃2020年發(fā)射的新火星探測(cè)器的“發(fā)電機(jī)”。而未來(lái)的太陽(yáng)系外任務(wù)將需要更多的“發(fā)電機(jī)”。

與DOE的新合約將首次為NASA提供穩(wěn)定的钚-238供給。DOE的目標(biāo)是，到2021年，每年生產(chǎn)1.5千克二氧化钚，這些氧化物能轉(zhuǎn)化為1.1千克钚-238。該局行星科學(xué)部門(mén)副主任David Schurr表示，這樣一來(lái)，NASA將有足夠燃料在10年里維持兩個(gè)任務(wù)?！霸谖磥?lái)20年可預(yù)見(jiàn)項(xiàng)目上，我們可能會(huì)更好。”他說(shuō)。

生產(chǎn)線

钚-238新生產(chǎn)線在愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)，該實(shí)驗(yàn)室主要從核反應(yīng)堆乏燃料中提取同位素镎-237。然后，這些镎被送往橡樹(shù)嶺。在阿巴拉契亞山區(qū)的一個(gè)秋日的早上，橡樹(shù)開(kāi)始換上紅色和橘黃色的外衣，這讓人們很容易忘記這里曾輝煌的原子能歷史。但不會(huì)太久，穿過(guò)老舊鈾濃縮工廠和廢棄警戒塔的通往實(shí)驗(yàn)室的路又會(huì)“熱鬧起來(lái)”。

在橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室園區(qū)里，镎-237將先被加壓制成橡皮大小和形狀的小球。這些球然后一個(gè)接一個(gè)滑入一根長(zhǎng)鋁管中，并運(yùn)送到該實(shí)驗(yàn)室歷史最悠久的一座建筑：高通量同位素反應(yīng)堆。

輻射管理者Chris Bryan望著一個(gè)看起來(lái)像室內(nèi)游泳池的東西，展示著一個(gè)微型化的反應(yīng)堆堆芯組合的物理模型。它被安裝在一個(gè)直徑2.4米、鑲有許多小孔的鈹圓筒上。在反應(yīng)堆運(yùn)行前，Bryan將把裝滿镎的鋁管插到這些小洞中，以便其與堆芯充分接觸。Bryan 解釋道，“我們正試著將盡可能多的镎擠入一個(gè)有限的體積內(nèi)”。

一旦這些管子處在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，Bryan將把整個(gè)裝置放入游泳池，這些水將充當(dāng)防輻射屏障，然后打開(kāi)反應(yīng)堆25天。在這段時(shí)間里，大量中子轟擊镎-237，結(jié)果產(chǎn)生能迅速衰變成钚-238的镎-238。

這一過(guò)程一旦完成，這些管子將被移走，工作人員會(huì)使用添加了保護(hù)裝置的軌道推車(chē)將它們放到隔壁房間。這里，Wilson和同事透過(guò)黃色玻璃監(jiān)視著機(jī)械臂的運(yùn)作。他們的工作是利用硝酸溶解被輻射的小球，然后將钚提取并濃縮成氧化物粉末，最終它們會(huì)被裝進(jìn)防護(hù)桶。

終于，防輻射卡車(chē)會(huì)將這些桶運(yùn)到洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。在這里，這些氧化物將被壓成燃料芯塊。

當(dāng)然，這一精心設(shè)計(jì)的過(guò)程還有許多其他階段。首先，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的反應(yīng)堆沒(méi)有足夠的空間轉(zhuǎn)化所有的镎-237。镎小球在這里被制作好后，一部分將被運(yùn)往愛(ài)達(dá)荷實(shí)驗(yàn)室，其改進(jìn)型試驗(yàn)反應(yīng)堆將完成一些照射工作。

現(xiàn)在主要工作仍在橡樹(shù)嶺?；瘜W(xué)工程師Robert Wham負(fù)責(zé)規(guī)劃如何安全地進(jìn)行兩個(gè)試驗(yàn)批次，以便每年生產(chǎn)1.5千克二氧化钚。“這里的人之前沒(méi)有使用過(guò)镎，我們幾乎是從零開(kāi)始?！彼f(shuō)。

NASA也在尋找方法，以便從現(xiàn)有的钚中提取更多能量。其噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室材料工程師Jean-Pierre Fleurial領(lǐng)導(dǎo)的研究小組正試圖建造熱電偶——該設(shè)備能從钚的放射性衰變中發(fā)電。通過(guò)將目前用于熱電偶的鉛基材料更換為鈷—銻材料，F(xiàn)leurial小組在放射開(kāi)始時(shí)獲得的能量將至少多25%。

能量渴求

直到去年，NASA還致力于開(kāi)發(fā)空間斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，該設(shè)備利用1/4的钚就能產(chǎn)生與MMRTG相同的能量。斯特林變流器有時(shí)類(lèi)似高科技蒸汽機(jī)：钚衰變產(chǎn)生的熱量驅(qū)動(dòng)氦氣膨脹，反過(guò)來(lái)推動(dòng)活塞發(fā)電。一個(gè)土衛(wèi)六項(xiàng)目曾計(jì)劃使用斯特林技術(shù)，但由于經(jīng)費(fèi)限制，NASA于2013年11月取消了該計(jì)劃。

這一決定引來(lái)了馬里蘭大學(xué)的Jessica Sunshine等行星學(xué)家的指責(zé)。例如，NASA最近提出的項(xiàng)目建議書(shū)——低成本“發(fā)現(xiàn)”級(jí)宇宙飛船，甚至不允許使用超過(guò)加熱設(shè)備的最低限度的放射性同位素。

盡管NASA決定取消斯特林項(xiàng)目，但一個(gè)小規(guī)模研究計(jì)劃依然在繼續(xù)。格倫研究中心放射性同位素動(dòng)力系統(tǒng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人John Hamley及其同事目前正繼續(xù)研究不同構(gòu)造的12種斯特林變流器。該項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了10年，以便證實(shí)活塞能長(zhǎng)時(shí)間地可靠工作，以滿足長(zhǎng)期空間任務(wù)的需求。

如果NASA需要钚為人類(lèi)空間探索提供能量，所有的這些努力還不夠。該機(jī)構(gòu)目前正計(jì)劃將宇航員送上小行星或更遠(yuǎn)的深空，這需要的能量將比少量钚-238產(chǎn)生的能量大得多。Schurr表示，如果一個(gè)行星項(xiàng)目可能需要300~900瓦能量，人類(lèi)深空探索則需要更大的飛船，同樣也需要數(shù)萬(wàn)瓦的能量。明年年初將發(fā)布的一份NASA內(nèi)部報(bào)告估計(jì)了空間核動(dòng)力的需求，它指出，可能需要一個(gè)類(lèi)似于裂變反應(yīng)堆的自持能量源。

再回到橡樹(shù)嶺，Wham還在考慮如何制備更多的钚。如果需要，他說(shuō)自己將使用更多的輻射室，制作更多的钚?！叭绻麄儊?lái)找我們，想要更多的產(chǎn)品，我們知道怎么做?！彼f(shuō)。（張章）

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2014-12-01 第3版 國(guó)際)