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太空能源危机：美国宇航局面临的钚困局
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Anne-Marie Corley 文 Shea 编译 |
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驱动着美国宇航局（NASA）深空探测器的冷战钚储备正在不断走低。未来该如何为我们的外太阳系之路提供动力？ 距离地球超过180亿千米，“旅行者”1号正在穿越太阳系的边界。如果它的仪器是正确的，那这个探测器终于即将进入未知的领域——冰冷而浩瀚的星际空间。它是这一已持续35年旅程的顶点。 NASA这个最遥远探测器长寿的秘诀是它有一颗由钚-238做成的温暖的心。作为制造核武器的副产物，钚-238衰变时会释放出热量，热会被转换成电驱动“旅行者”上的仪器。工程师预计，在消失于太空中之前，在未来十年左右的时间里这个探测器还会继续向地球发回探测结果。 自20世纪60年代以来，钚的这种同位素已在长时间太空任务中发挥了至关重要的作用，主要用于距离太阳过远太阳能电池板无法工作的探测器。例如，伽利略木星任务、“先驱者”和“旅行者”探测器都仰仗于它，发现土星卫星上乙烷湖泊和冰间歇泉以及其他奇观的卡西尼探测器也是如此。 然而，尽管有许多成功的案例，但这一类型的探测任务可能很快就会成为过去时。钚-238的生产于几十年前就已停止，NASA的钚储备正在危险地不断走低。如果没有新的补给，我们对外太阳系的探索也许很快就会嘎然而止。  [图片说明]：“旅行者”1号探测器使用了核能。来源：NASA。 问题是生产钚-238既不简单也不便宜，重启生产线将需要数年的时间且耗资约1亿美元。虽然NASA和美国能源部（DoE）热衷于此，但美国国会至今仍拒绝为其提供必要的资金。 不过，兴许还有更好的解决办法。在NASA于2013年3月份召开的一次会议上，来自位于美国爱达荷州的空间核研究中心（CSNR）的物理学家提出了一种全新的方法，他们声称这可以让所有人都满意。这一方法更快、更清洁也更廉价，它可以在商业模式下建立一条生产线，不仅满足NASA的需求，还可以让资本从中获益。 那么该怎么做呢？如CSNR所建议的，把钚-238的生产商业化可以减轻美国国库的负担，但批评者担心这可能会危及安全。钚是已知最毒的物质之一——其同位素是强劲的α粒子发射源，如果吸入将致命。反对者认为，把重启生产需要的时间和资金用于开发更安全的替代品会更好。因此，这是和此项冷战技术说再见并且设计新的更清洁太空能源的绝佳机会吗？ 钚-238之所以能在NASA几乎所有长时间空间任务中都能发挥关键作用是有原因的：它会通过发射α粒子来产生热量，其半衰期约为87年，因此它会缓慢地衰变。被密封在一个被称为放射性同位素热电发生器的装置中，衰变的钚通过加热一个热电偶来发电。每克钚-238能产生约0.5瓦的功率。平均而言，NASA每年需要用几千克的该种同位素来为其不同的探测器提供能源。 钚-238不会自然形成。就像其武器级的表亲钚-239，它最初是在生产核弹材料的反应堆中被制造出来的，但当这些设施在1988年被关闭时美国也随即停止了钚-238的生产。为了填补美国内的空白，2009年前美国一直在从俄罗斯购买钚-238，直到因合同纠纷终止。由于俄罗斯的储备现在也所剩无几，任何新的协议都将很难达成。 因此，美国政府必须决定是否恢复生产。据美国国家研究委员会2009年的报告，NASA已经获得约5千克的钚-238，这也许能维持到这个十年末。DoE的官员说，如果他们现在获得许可，那么到2018年每年可制造2千克的钚-238——正好填补NASA所需的空缺。但是所需的资金来之不易。NASA已经同意共同承担费用并拨款约1,400万美元用于研究重启生产线的成本——这条生产线最有可能被放置在美国田纳西州橡树岭国家实验室。然而，美国国家研究委员会的一些成员认为，成本最终可能会攀升至1.5亿美元，美国国会似乎不愿直接为DoE提供任何资金。 显然，生产钚-238是十分昂贵的。生产它的传统方式需要在一个强大的核反应器内放置成批的镎-237，用中子照射它多达一年的时间。然后，样品必须经过一系列的纯化步骤，把钚-238从其他的裂变产物中分离出来。 然而，在2013年3月召开的NASA创新先进概念（NIAC）研讨会上，CSNR的史蒂文·豪（Steven Howe）提出了一个更简单且更廉价制造钚-238的可能方法。诀窍是使用机械供料管线，即围绕反应堆堆芯的蛇形管。沿着这条管道，装有几克镎-237的小胶囊会不断往里推送，它们每一个都只会在反应器中逗留几天的时间。当它们从另一端出来的时候，钚-238会被提取，剩余的镎-237则会被再次送入这一管线中。每次约有0.01％的镎会发生变化，因此这个循环过程需要重复数千次才能生产出NASA所需的几千克重的钚-238。 这项技术具有一些显著的优点，例如较短的照射时间所产生的裂变产物会少得多。这简化了后续化学分离的步骤并减少了放射性废弃物的数量。此外，它可以用在小型反应堆上，这要比用老方法来运转强大的国家实验室设施廉价得多。豪甚至设想在商业生产线上来运营，因此NASA和DoE只需要购买最终的产品，而不必为整个生产过程买单。 研究这个概念的CSNR团队已经获得了来自NIAC的10万美元资助，他们还提交了一份提案来建造一条原型供料管线，演示他们能够机械地在其中推送胶囊并进行后续的分离步骤。豪相信，他们只需要约5,000万美元的成本、用3年时间就能启动并运行这一过程，比重启常规生产所需的成本减少一半，每年可制造约1.5千克的钚-238。 虽然该团队仍在确定最佳的照射时间，但比起一年两次地成批制造几千克的模式，连续运作这一过程应该会有助于控制成本和所需设施的大小。豪说，如果每千克报价600万美元——低于俄罗斯最新的要价，那么这一生产线对于私人企业也是有效益的。“和商业太空旅行一样，我们正在做的是商业化的钚生产，”他说。 无论豪的技术是否能节省资金甚至是否能实现，生命体吸入钚不是闹着玩儿的。钚-238有剧毒，运转期间或之后的一次事故有可能会把它们释放到大气中。例如，1964年美国海军的导航卫星再入大气层解体，在地球周围播撒了1千克的钚238，大约是大气中核武器试验释放量的2倍。虽然钚容器经重新设计以便在再入过程中不被破坏，但2006年卡西尼探测器的近地飞掠仍引发了公众大范围的抗议。总部设在美国缅因州的反对太空武器和核能全球网络的布鲁斯·加格农（Bruce Gagnon）说，重启钚生产是“一种非常可怕的可能性”。“这清晰地表明，核工业把太空视为一个新的市场，”他说，“这就像玩俄罗斯轮盘赌。”加格农还担心商业生产线的前景。“当你引入利润激励的时候，你就会开始偷工减料，”他说。 再就是对核扩散和政治资本的担忧。虽然钚-238不能被用来制造核武器，但镎-237则完全是另一回事。它是核武级的材料：在快中子的轰击下，它可以维持一个链式反应而不发生不稳定热衰减。总部设在美国马萨诸塞州剑桥的忧思科学家联盟的埃德温·莱曼（Edwin Lyman）相信，鉴于这些安全问题，应该在空间应用中优先考虑非核能发生系统。“替代品需要被充分地研究，”他说，“如果美国继续这一重启计划，我们将更难以劝阻其他国家仿效，他们会决定自给钚-238的供应。” 太阳光可以帮助填补了这个空白吗？遵照平方反比定律，阳光的强度会随着距离降低，因此把由太阳能驱动的航天器发射到外行星看上去是行不通的。例如，在冥王星的轨道上，一个面积为2,000平方米的太阳能电池阵列才能产生在地球轨道上1平方米的阵列所能产生的相同电量。然而，2011年8月NASA发射的朱诺探测器却是第一个使用太阳能而非钚的木星任务。“朱诺”依赖于3块10米长的太阳能电池板来收集其运转所需的能源。此外，根据2007年NASA的一份报告，去往木星之外且以太阳能为动力的任务并非毫无可能。 NASA格伦研究中心的詹姆斯·芬坎农（James Fincannon）说，我们所需要的是可以应对外太阳系极端条件的新型太阳能电池。他说，轻型、高效率太阳能电池的开发正在取得长足的进步。如果这些阵列的成本和质量可以进一步降低并且如果探测器的电力需求可以被降低到小于300瓦——大约是伽利略探测器的一半——的话，芬坎农认为一个由250平方米的太阳能阵列所驱动的探测器可以工作在远到天王星的距离之上。加格农对此表示同意。他说：“多年来，我们一直认为，即使在深空太阳能也能奏效。” 就算在芬坎农的太阳能阵列无法工作的太阳系幽暗深处，仍有可以不使用钚来驱动探测器的方法。在豪讨论其钚生产工艺的NIAC研讨会上，美国宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室的迈克尔·保罗（Michael Paul）描述了一种新的引擎，它可以在仅有少量阳光可以穿透且有着浓密云层的行星表面来为探测器提供能源。 以金星为例。保罗提出把锂燃料和该温室效应行星大气中的二氧化碳混合并燃烧来为斯特林发动机——使用温差来驱动连接发电机活塞的热泵——提供热量（见“云动力”）。他说，该系统不需要有核发射的批准，可以工作在很高的功率水平上，经过调整可以工作在土卫六、火星甚至在月球南极永久阴影区中。保罗认为，经过进一步的研发，到2020年此项技术就可以准备好发射了。“我把这套能源系统视为解决钚短缺的全新机会，”他说。 保罗承认，锂驱动着陆器的寿命远不及钚驱动所能达到的数十年。“50年的工作已经表明，在寿命问题上还不存在替代品，”约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的拉尔夫·麦克纳特（Ralph McNutt）说。但他也补充说：“在允许的范围内有放射性能源替代品的话，我们应该采用后者”。芬坎农对此表示同意，他说：“找到替代能源始终是一件好事。” 此外，注资开发轻型太阳能电池或者更高效斯特林发动机还能惠及地球。工程师们已经在探索把金属粉末变成发动机燃料的方法，保罗认为他的技术还有助于水下探测任务。同样的情况则不会发生在钚-238身上。一旦被用于驱动心脏起搏器，对安全和健康的担忧就会令它不受欢迎。 那么，NASA将何去何从呢？豪仍然决心站在钚一边，最近他向NASA提交了他的方案。就太空而言，这一能源困局还没有结束。
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[New Scientist 2013年10月15日]
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