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美国宇航局行星际空间飞行的“核燃料危机”

发布日期:2012-09-18 作者: 来源: 编辑: 浏览次数:

    据国外媒体报道,美国国家航空航天局于1977年发射的旅行者1号和2号探测器目前仍然与地球保持联系,这两艘冷战时期星际宇宙飞船目前正位于太阳系的边缘,但科学家们发现探测器上搭载的钚238燃料贮备量正在降低,按预定计划这些钚电池可工作到2025年,因此科学家们思考着未来旅行者系列探测器飞出太阳系后将使用何种能源向地球发射信号。

    目前旅行者1号探测器与地球的距离超过了180亿公里,正在穿过太阳系与星际空间的边缘地带,如果探测器上搭载的仪器届时都还能正常工作,那么我们将对完全未接触过的星际空间有了第一次认识,在温度极为寒冷的星际空间,没有能量供应就意味着死寂,可以预见旅行者1号探测器将在最近几年进入星际空间,这也是空间飞行三十多年后达到的又一次任务高潮。

    旅行者系列探测器能进行如此长距离的不间断空间飞行,归功于钚238核燃料的稳定供能,使其具有一颗“温暖的心”。这种核燃料是核武器生产过程的副产品,衰变过程产生的能量可转换为电力为星际飞行提供能源,喷气推进实验室的工程师预计旅行者系列探测器的核燃料还能工作十年,之后我们将永远失去与这两艘星际飞船的联系。

    自20世纪60年代以来,在多次长距离空间飞行探索任务中,钚同位素核燃料发挥关键性的作用,传统观点上认为太阳能电池板也是一种空间飞行的能量来源,但如果距离太阳过于遥远,电池板接受到太阳光的能量就越低。比如目前仍然在土星轨道上工作的卡西尼行星际探测器就使用了,GPHS-RTG型号放射性同位素热电机,执行了金星、木星、小行星等飞掠探测任务,并发现了土星卫星上的乙烷湖泊和冰间歇泉等惊人天体特征。

    旅行者系列探测器使用的核动力装置为MHW-RTG放射性同位素热电机,而先驱者(先锋)系列探测器也使用了SNAP-19核动力装置,此外海盗1号和2号探测器也使用了该装置。当然也有许多探测计划失败,目前钚238的生产已经停止了许多年,国际上空间机构的存储量都很低,缺少新的生产动力,因此如果没有革命性的持久空间动力装置的问世,那么未来一定阶段内对太阳系外层空间的探索将陷入停顿。

    关键问题是生产钚238工艺不简单,价格也不便宜,重新启动整条生产线需要花费数年时间,成本要超过1亿美元,虽然美国国家航空航天局和美国能源部对此非常热衷,而国会可能并不会提供这笔资金。但可能还存在其他更好的办法可以为长距离空间飞行提供核燃料供应。在美国国家航空航天局三月份召开的会议上,空间核动力研究中心的物理学家就提出了一种前卫的方法,可以邀请所有缔约方,加入商业化的运营方式,可以为未来行星际空间飞行提供更清洁、更便宜的核燃料,不仅可以满足美国国家航空航天局的需要,也可以产生利润。

    通过商业化运营的钚238生产可能会危及公共安全,批评人士认为空间核动力研究中心的想法更容易对公众健康构成危害,因为钚238在被吞食或者被吸入人体后可危及生命,而且钚是一种毒性很强的超铀元素,在衰变过程中会放射出α粒子,产生的热量是放射性同位素热电机的能量来源。重启钚238对美国国家航空航天局而言具有非常大的意义,几乎在所有长距离空间飞行任务发挥重要作用,该物质的衰变速度很慢,半衰期约为87年,只需要搭载几公斤重的钚238燃料就可以为探测器提供源源不断的能量。

    在钚238的同位素中,钚239是一种重要的武器级核燃料,可以用于制造核武器,而且半衰期长达两万多年,随着1988年美国封闭部分核反应堆后停止了相关核燃料的生产,为了填补这一空缺,美国政府在2009年向俄罗斯购买了钚238,更为不可思议的是,俄罗斯的钚238的储备量也快用完了,这使得让人怀疑是否有必要进行新的钚238合同的签订。所以,对于美国国家航空航天局和美国能源部而言,希望恢复钚238核燃料的生产。

    但启动核燃料生产设施需要的资金存在问题,美国国家航空航天局已经同意提供1.4亿美元重启钚238的生产线,具体地址可能位于田纳西州的橡树岭美国国家实验室,成本可控制在1.5亿美元左右。很明显制造钚238是非常昂贵的生产,不仅要建设功能强大的核反应堆,还需要从裂变产物中将钚238分离出来,但空间核燃料研究所认为可以采用新的生产线和工艺,使得钚238更便宜更简单地被生产出来,但提取钚238的过程还是相当繁琐,需要成千上万次的提纯,才能获得美国国家航空航天局长距离行星际空间飞行任务所需的核燃料。
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