反应堆与太空电源RTG

自1961年以来，放射性同位素电源一直是太空飞船的重要能源。

1、外层空间的核动力

核动力反应堆主要使用受控的核裂变，使用中子吸收剂后，反应速度得到控制，因此功率取决于需求。

放射性同位素热电发电机(RTG)是不发生链式反应的替代电源。功率取决于用作燃料的放射性同位素的初始量，通过热电偶将放射性同位素的放射性衰变产生的热量转换为电力。

钚-238半衰期为88年，是一种理想的长效动力源。

大多数RTG使用钚-238，使用RTG时，发电量无法改变或关闭，因此需要在高峰时段考虑补充电池。

当航天器所需功率小于100 kW，使用RTG。

除此之外，裂变系统比RTG更具成本效益。

联合国设有外层空间事务厅(UNOSA)，负责执行1959年成立的和平利用外层空间委员会(COPUOS)的决定，该委员会目前有71个成员国。

UNOSA认识到“由于核动力源的紧凑性、长寿命和其他特性，对于一些外层空间任务来说特别适合，甚至是必不可少的”，“在外层空间使用核动力源应侧重于利用核动力源的特殊性质”。

它通过了一套适用于“外层空间核动力源的原则，专门用于为非推进目的在空间物体上产生电力”，包括放射性同位素系统和裂变反应堆。

UNOOSA的双重目标是支持委员会及其科学技术小组委员会(S&T)的政府间讨论以及协助发展中国家利用空间技术促进发展。

此外，它还关注与空间活动、技术和应用有关的法律、科学和技术发展，以便向会员国、国际组织和其他联合国办事处提供技术信息和建议。

2、放射性同位素系统——RTG

RTG结构图(图源：网络)

RTG自1961年以来一直是美国空间工作的主要动力源。

钚-238的高衰变热(0.56W/g)使其能够用作航天器、卫星和导航信标的RTG电源。其强烈的α衰变过程和可忽略的γ辐射需要最小的屏蔽。

镅-241，0.15 W/g，是另一种能源，受到欧洲航天局的青睐，尽管它具有较高水平的相对低能量伽马辐射。

来自氧化物燃料的热量通过静态热电元件(固态热电偶)转换为电能，而无需移动部件。

RTG安全、可靠、免维护，在非常恶劣的条件下，特别是在不能使用太阳能的情况下，可以提供几十年的热量或电力。

菲莱探测器是人类历史上第一颗进入彗星轨道的探测器。

欧洲航天局的罗塞塔(Rosetta)任务证明了这种电源的重要性，该任务于2014年成功地将菲莱(Philae)探测器降落在67P/Churymov–Gerasimenko彗星上。

菲莱配备了电池和太阳能电池板，在彗星表面着陆位置被悬崖挡住了太阳光线，意味着着陆器无法利用太阳能，只能在电池电量耗尽前发送64小时的数据。

3、应有广泛

多任务放射性同位素热电发生器(MMRT)(资料来源：NASA)

迄今为止，超过45台RTG为超过25艘美国太空飞行器提供了动力，包括阿波罗号(Apollo)、先锋号(Pioneer)、维京号(Viking)、旅行者号(Voyager)、伽利略号(Galileo)、尤利西斯号(Ulysses)、卡西尼号(Cassini)和新视野号(New Horizons)航天任务以及许多民用和军用卫星。

卡西尼号探测器自2004年抵达土星轨道以来，已经在土星轨道上运行13年之久

卡西尼号飞船在探测土星时携带了三个RTG，从33千克的钚-238氧化物中提供870瓦的功率。它于1997年发射，2004年进入土星轨道，运行非常良好，直到2017年9月终止。

旅行者1号和2号飞船自1977年发射以来，已经运行了35年多，它们发回了遥远行星的照片，预计将在2025年之前发回由RTG供电的信号。

伽利略号于1989年发射，搭载570瓦RTG。

1975年，维京号和罗孚号(Rover)登陆火星，与2011年发射的火星科学实验室探测器“好奇号”一样，都依赖于RTG电源。

在1996年发射的探路者火星机器人着陆器上，使用了三个RTG(每个RTG含有2.7克钚-238二氧化物)作为热源，产生35瓦功率。每个产生大约十瓦的热量(1997年的10.5千克探路者号和2004年运行的两辆火星车使用了太阳能电池板和电池，但功率和寿命有限)。

NASA工作人员为火星好奇号安装MMRTG

最新的钚动力RTG是一个290瓦的系统，称为GPHS RTG。该系统的热能来自18台通用热源(GPHS)机组。每个GPHS包含四个铱包层陶瓷Pu-238燃料芯块，高5厘米，重1.44千克。

多任务RTG(MMRTG)使用八个GPHS单元，共4.8千克氧化钚，产生2 kW热能，可用于产生约110瓦的电能，2.7 kWh /天。

NASA的好奇号火星车(资料来源：NASA)

MMRTG技术正在美国宇航局(NASA)火星科学实验室任务的“好奇号”火星车中使用，其重量为890千克，大约是之前火星车的五倍。

到2021年2月，“好奇号”自2012年8月登陆以来，已经行驶了约24公里。

另一个火星车项目是美国宇航局于2020年7月发射的“毅力号”火星车，使用相同的MMRTG电源，重量为1025千克，MMRTG为两个锂离子电池充电。“毅力号”携带一架1.8公斤重的直升机无人机，于2021年2月登陆。

NASA新火星车毅力号

俄罗斯科学院空间研究所(IKI)和鲍曼莫斯科国立技术大学正在开发三种类型的月球车，其中一种是重型“核动力”月球车，将重达550-750千克，旨在研究月球极地地区。

除了太阳能电池板和电池外，还将在月球车上安装一个核动力源，使其能够运行长达400公里，包括在阴凉处。

它将携带多达70公斤的科学设备，包括从1.5米深处提取土壤样本的特殊钻机。

月球车还将配备16个小型站，以研究月球的风化层和地震活动。

ExoMars是俄罗斯航天局Roscosmos和欧洲航天局(ESA)之间的一个联合项目，旨在研究火星上的生命证据，并将在该项目中利用RTG。

该任务最终将向火星运送一辆欧洲漫游车和一个俄罗斯地面平台。该任务的第一部分于2016年启动，其主要目的是测试甲烷和其他痕量大气气体的证据。

该任务的第二部分计划于2020年启动。

“新视野”号飞船

2015年7月飞越冥王星的“新视野”号飞船有一个250瓦、30伏的GPHS RTG，到冥王星飞越时(它于2006年发射)将衰减到200瓦左右。

它使用10.9千克的钚-238氧化物，其性能不如最初设计。有16个喷气推进器控制478公斤重的飞行器的轨迹和姿态。四个推进器产生4.4 N的推力。燃料主要是65千克的肼。

(本文编译《Nuclear Reactors and Radioisotopes for Space》)