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深空核能危機:看NASA如何解決鈽-238短缺

1月
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2019

2019年1月18日20時 博科園

博科園

美國宇航局(NASA)依靠鈽-238這種人造放射性元素為其服役時間最長,飛行距離最遠的飛船提供動力。幾乎所有鈽-238都在冷戰期間生產,隨著時間的推移,這種材料的供給日益減少。鈽-238短缺將讓深空探索任務受到一系列限制。現在,美國能源部正在生產新一批鈽-238。在橡樹嶺國家實驗室研製的一款新型機器人幫助下,產量可提高到原來的8倍。

二氧化鈽-238因自身熱量發光

美國政府表示一款新型機器人將幫助他們打造鈽-238的一個長期可靠供應鏈。美國宇航局需要這种放射性材料進行深空探索。從「新地平線」號(已經進入冥王星以外的天域)到「旅行者」號再到「卡西尼」號(已經墜落土星),宇航局的一些最具史詩性的太空探索任務都離不開鈽-238。

鈽-238在衰變過程中釋放熱量,放射性同位素髮電機可以將這些熱量轉化成電。由於鈽-238需要數百年才能冷卻,這種發電機可以讓機器人運轉幾十年之久。鈽-238人為合成,是地球上最罕見、最昂貴的材料之一。上一次批量生產鈽-238還是在冷戰期間,當時被用於製造核武器。現在,美國宇航局庫存的鈽-238僅夠執行3次深空探索任務。

技術人員為宇航局的「卡西尼」號飛船安裝放射性同位素髮電機

上世紀90年代,宇航局試圖解決鈽-238供應萎縮問題,但直到2012年,宇航局及其合作夥伴才獲得資金,打造新的鈽-238供應鏈。這項工作每年獲得大約2000萬美元資金,現在已從研發階段步入全規模生產。美國能源部希望在2025年滿足宇航局每年3.3磅(約合1500克)的需求。

作為這項工作的領導者、橡樹嶺國家實驗室表示他們最近驗證了一種方式,能夠讓鈽-238的產量增至幾年前的8倍。增產背後的功臣是一款新型自動機器人。橡樹嶺實驗室鈽-238供應計劃負責人鮑勃·哈姆在接受「商業內幕」網站採訪時表示:「你不可能在沃爾瑪買到這樣的設備。」

橡樹嶺實驗室的高通量同位素反應堆

2015年12月,橡樹嶺實驗室為宇航局生產鈽。這是幾十年來的第一次。雖然產量只有區區1.8盎司(約合50克),但也足以證明這個實驗室成功研製出「配方」和相關工具,有能力完成這項使命。橡樹嶺實驗室發言人詹森·埃利斯在接受「商業內幕」網站採訪時指出:「這是一項巨大成就,是我們邁出的第一步同時也是非常重要的一步。」

在日前舉行的新聞發布會上,橡樹嶺實驗室表示他們準備將年產量提高到14盎司(約合400克),是原來的8倍。埃利斯說:「這是另一項巨大成就和巨大飛躍,因為我們將擴大生產規模。為了做到這一點,我們不僅要提高效率。」哈姆指出生產鈽-238的舊配方已經不合時宜,因為任何人都沒有冷戰期間的巨型生產反應堆。為此,他和同事必須找到更安全的現代配方。

橡樹嶺實驗室鈽-238製造系統的一部分,中間是模擬的錼-237球丸

哈姆表示生產一批鈽-238歷時大約28到36個月,需要使用的初始材料為錼-237。錼-237被壓成小球丸,放入一個鋁套管,而後將套管插入橡樹嶺的一個特製核反應堆——高通量同位素反應堆。在幾個月時間裡,錼-237一直「沐浴」在來自反應堆核心的中子流中。在此之後,部分錼-237轉化成鈽-238。(與它的姊妹同位素鈽-239不同,鈽-238並不用於核武器核心。)

在水池中冷卻數月後,工作人員將它們溶解在酸中,利用化學手段將鈽和錼分離,同時對兩種物質進行提純。純鈽交給宇航局,純錼繼續充當反應堆目標材料。不過,錼對人體構成威脅。極少量錼會衰變成高放射性的鏷-233。鏷-233的半衰期為27天,衰變過程中會釋放高能伽馬射線。

「新地平線」號飛船藝術概念圖。這艘飛船採用放射性同位素髮電機,利用鈽-238衰變釋放的熱量發電

哈姆表示:「極少量鏷也會讓工作人員受到大劑量輻射。」這種輻射暴露限制了訓練有素的工作人員將錼-237作為反應堆目標材料的時間。在橡樹嶺實驗室,只有少量工作人員從事這項任務。此外,為宇航局進行全規摸鈽-238生產需要每年製造2萬到2.5萬個錼-237球丸。哈姆表示這項冗長乏味的重複性工作需要藉助防護性熱室。他說:「每年壓2萬個球丸估計會讓我瘋掉。」

為了大幅提高年產量,哈姆和他的團隊與能源部的其他人員合作,研製出一款適合在熱室工作的自動機器人。他們製造了兩個機器人,以防萬一。哈姆說:「實際上,我們沒必要這麼做,但有個備份總是好的。如果我們遇到問題或者機器出現故障,我們可以讓『替補』頂上,以保證生產進度。」

「旅行者2」號,利用鈽-238衰變釋放的熱量發電

這款機器人擁有一條多功能手臂,從事重複性工作的速度和安全性都遠超人類。工作時,機器人拿起一個漏斗形裝置,將其放入沖模,而後灌入預先算好數量的錼-237,壓制錼-237球丸,而後將球丸裝入托盤。工作人員隨後將球丸裝入套管並插入反應堆。

哈姆的團隊必須加快生產步伐,讓產量再增加3倍,以滿足宇航局設定的目標。他相信這項計劃處在正確的軌道上。現在,橡樹嶺實驗室的生產設施並未開足馬力,因為哈姆希望深入了解每一個環節,而後再進一步擴大規摸。

橡樹嶺實驗室鈽-238製造系統的一部分

哈姆說:「放射性材料的管理要符合很多要求,必須做到『安全』二字。」橡樹嶺實驗室並非孤軍奮戰,一旦做好擴大生產規模的準備,愛達荷國家實驗室會向他們伸出援助之手。這家實驗室擁有一個名為「改進型試驗堆」的設施,能夠將錼-237鍛造成鈽-238。

哈姆認為如果開足馬力,能源部每年可生產大約11磅(約合5000克)鈽-238,是所要求產量的3倍。「如果宇航局要求提高產量,我們可以擴大生產規模,滿足他們的要求。現在,我們有能力大幅提高產量,滿足宇航局核動力探索任務的需求。」

博科園-科學科普|文:戴夫·莫什爾/漫步宇宙/qqtaikong

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