美为深空探测囤积放射性能源物质

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。

橡树岭国家实验室的一个“辐射室”，钚就在这里被制备。图片来源：Alexandra Witze

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顶尖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。

最终，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的终极目标是宇宙深处，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，但采购活动最后也停止了。

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。这些球然后一个接一个滑入一根长铝管中，并运送到该实验室历史最悠久的一座建筑：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，最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。

NASA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最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最低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。（张章）

《中国科学报》 (2014-12-01 第3版 国际)