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NASA如何用钚元素征服太空

2023-12-11 15:37     来源:嘿嘿能源heypower     放射性同位素
在大众眼中,钚(Plutonium,Pu)这个字说起来、听起来或写起来都不讨人喜欢。作为锕系元素的一种,它已经与人类创造出的灾难和毁灭相提并论。二战期间,美国曼哈顿计划研发出以钚为核心原料的原子弹,后者被投放在日本长崎(在广岛引爆的是铀弹),这可能是为什么这个词会引起如此多负面情绪的原因。然而,与地球上的所有其他事物一样,钚本质上并不邪恶,它的恶只是源于人类的使用。

有人可能会争辩说,“本质上不邪恶”的说法并不完全准确。毕竟,放射性的钚如果被吸入体内,其产生的α粒子会停留在肺部并杀死肺部细胞,导致致命的并发症。这种物质还可以通过血液传播到其他器官,引起功能衰竭。但请记住,地球上天然状态的钚几乎不存在,它的主要来源是人类社会的核活动。因此,可以说它的恶只是因为人类对这种金属的使用。

由于钚的裂变特性(在某些条件下发生核裂解反应,释放出巨大的能量),其同位素如Pu-239或Pu-241等非常适合用于核弹,Pu-238则是用于航天器的理想动力源。近日,NASA从美国能源部(DOE)接收了巨量的钚(1磅,约0.5千克),并自豪地宣称离使用Pu为未来太空任务提供燃料又近了一步。这个重量对普通人来说可能很小,但DOE在橡树岭国家实验室为NASA生产的这批Pu-238是美国重启生产十多年以来最大的批次。

六十多年前,NASA便已经开始将Pu-238作为燃料驱动所谓的放射性同位素动力系统(radioisotope power systems,RPS),其进行的数十次重要探测任务中都有RPS的身影,比如旅行者1号、2号、卡西尼-惠更斯号以及近期的毅力号火星探测器。在火星车上,由Aerojet Rocketdyne和Teledyne公司设计制造的RPS被称为多用途放射性同位素热电发生器(Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator,MMRTG),作为一个微小的反应堆,它可以将Pu-238自然衰变产生的热能直接转化为电能。MMRTG的输出功率110W, 约为一个灯泡所需的电力,但对于毅力号执行一些科学任务来说已经足够了。

在另一种叫做轻量级放射性同位素加热单元(Light Weight Radioisotope Heater Unit,LWRHU)的应用中,放射性材料的衰变被转化为热能,用于在宇宙中为飞船的系统组件保温,保证正常工作。一般来说,NASA会根据任务需求、飞船大小等因素考虑在太空船上布置多个LWRHU。例如,阿波罗11号使用了两套共15个这样的装置,而伽利略号则高达120个。这个数字看上去很大,但需要注意的是内含单个Pu-238颗粒、2号电池大小的LWRHU输出热功率只有大约1瓦。

近期DOE的Pu-238顺利交付被NASA视为重要里程碑,有望实现到2026年平均每年1.5千克的生产目标。Pu燃料的需求增长主要源于NASA未来几年内计划的大量太空任务,包括“阿尔忒弥斯”探月计划以及一些更大胆的尝试,比如抵达其他行星。NASA并没有明确说明从DOE获得的Pu-238将用于什么用途,但这样一个科学机构应该不会产生浪费或用来作恶。



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