美為深空探測囤積放射性能源物質

　　 钚生產工作十分困難。所有人都想當然地以為它就在那里，并一直在那里。生活要比這更復雜一些。

橡樹嶺國家實驗室的一個“輻射室”，钚就在這里被制備。圖片來源：Alexandra Witze

　　Ken Wilson透過一扇黃色玻璃窗，凝視著另一邊的雜亂瓶子和化學設備。在這樣一個“輻射室”工作是Wilson的日常職責，他是美國田納西州橡樹嶺國家實驗室頂尖的原子能技術工程師。通過機械臂，他開始抓起這些瓶子，打開瓶蓋，并將液體倒入另一個容器。

　　最終，Wilson會將這些液體倒入一種深棕色液體中。這種液體就是钚-238濃縮液：一種高放射性同位素，Wilson在做的就是對它進行提純。而钚-238的終極目標是宇宙深處，其衰變產生的熱量將為美國宇航局（NASA）的空間項目提供能量，例如未來的火星探測器和計劃前往太陽系外的宇宙飛船等。

　　這批钚-238將讓NASA如釋重負，因為越來越多的人擔憂這種物質將要耗盡。自然界中不存在這種同位素，因此它必須在原子反應堆中制造。但1988年美國的主要供給源關閉，能源部（DOE）旗下的南卡羅來納州薩瓦那河工廠停止生產钚-238，作為逐步淘汰核武器計劃的一部分。4年之后，DOE開始從俄羅斯采購少量的钚-238，但采購活動最后也停止了。

　　結果是，NASA目前只有35公斤的钚-238，無法滿足火星項目的需要。在2013年年底，情況更糟，當時的預算緊縮致使NASA取消了一個開發放射性同位素能源的項目。

　　這也是Wilson在橡樹嶺進行提純工作的原因。從去年開始，NASA每年支付給DOE 5000萬美元恢復其長期失速的钚-238制作能力。這是一項艱巨的工作，“钚生產工作十分困難。所有人都想當然地以為它就在那里，并一直在那里。生活要比這更復雜一些。”約翰斯·霍普金斯大學行星學家Ralph McNutt說。他正在參與NASA內部開發用于空間項目的原子能源的研究。

　　熱點區域

　　首臺放射性同位素動力設備出現于上世紀50年代末和60年代初的美蘇空間項目中。從1961年發射的海軍導航衛星到2011年的“好奇”號火星探測器，美國在27個空間項目中使用了放射性同位素動力設備。

　　所有這些設備都遵循著相同的基本原理：隨著同位素的衰變，放射性會加熱兩種金屬或半導體的結合點。多虧熱電效應——這會產生電流，飛行器能夠用來為設備提供能源，或將能量儲存在電池里。更小的放射性同位素設備也能讓探針在寒冷的宇宙中保持溫度。

　　之所以選擇钚-238，部分原因是每克物質能產生大量的能量，另外也更安全：它只釋放出相對容易防護的α粒子。

　　目前，NASA更傾向于設計一個核動力源——多任務放射性同位素熱電機（MMRTG），在任務開始時能使用4.8千克二氧化钚產生2000瓦熱量和110瓦電能。钚-238的半衰期是87.7年，能在數十年里產生能量，但產出會隨著時間而減少。

　　擁有35千克二氧化钚的NASA似乎有能力發展核動力航天器。但這些儲備時間已久，目前能滿足NASA不到一半的能量需求。考慮到進化中的行星項目時間周期較長，并且保證钚的持續供應存在挑戰，該機構遠沒有目前表現得這樣走運。

　　NASA將使用約5公斤二氧化钚作為計劃2020年發射的新火星探測器的“發電機”。而未來的太陽系外任務將需要更多的“發電機”。

　　與DOE的新合約將首次為NASA提供穩定的钚-238供給。DOE的目標是，到2021年，每年生產1.5千克二氧化钚，這些氧化物能轉化為1.1千克钚-238。該局行星科學部門副主任David Schurr表示，這樣一來，NASA將有足夠燃料在10年里維持兩個任務。“在未來20年可預見項目上，我們可能會更好。”他說。

　　生產線

　　钚-238新生產線在愛達荷國家實驗室啟動，該實驗室主要從核反應堆乏燃料中提取同位素镎-237。然后，這些镎被送往橡樹嶺。在阿巴拉契亞山區的一個秋日的早上，橡樹開始換上紅色和橘黃色的外衣，這讓人們很容易忘記這里曾輝煌的原子能歷史。但不會太久，穿過老舊鈾濃縮工廠和廢棄警戒塔的通往實驗室的路又會“熱鬧起來”。

　　在橡樹嶺國家實驗室園區里，镎-237將先被加壓制成橡皮大小和形狀的小球。這些球然后被一個接一個滑入一根長鋁管中，并運送到該實驗室歷史最悠久的一座建筑：高通量同位素反應堆。

　　輻射管理者Chris Bryan望著一個看起來像室內游泳池的東西，展示著一個微型化的反應堆堆芯組合的物理模型。它被安裝在一個直徑2.4米、鑲有許多小孔的鈹圓筒上。在反應堆運行前，Bryan將把裝滿镎的鋁管插到這些小洞中，以便其與堆芯充分接觸。Bryan 解釋道，“我們正試著將盡可能多的镎擠入一個有限的體積內”。

　　一旦這些管子處在適當的位置上，Bryan將把整個裝置放入游泳池，這些水將充當防輻射屏障，然后打開反應堆25天。在這段時間里，大量中子轟擊镎-237，結果產生能迅速衰變成钚-238的镎-238。

　　這一過程一旦完成，這些管子將被移走，工作人員會使用添加了保護裝置的軌道推車將它們放到隔壁房間。這里，Wilson和同事透過黃色玻璃監視著機械臂的運作。他們的工作是利用硝酸溶解被輻射的小球，然后將钚提取并濃縮成氧化物粉末，最終它們會被裝進防護桶。

　　終于，防輻射卡車會將這些桶運到洛斯阿拉莫斯國家實驗室。在這里，這些氧化物將被壓成燃料芯塊。

　　當然，這一精心設計的過程還有許多其他階段。首先，橡樹嶺國家實驗室的反應堆沒有足夠的空間轉化所有的镎-237。镎小球在這里被制作好后，一部分將被運往愛達荷實驗室，其改進型試驗反應堆將完成一些照射工作。

　　現在主要工作仍在橡樹嶺。化學工程師Robert Wham負責規劃如何安全地進行兩個試驗批次，以便每年生產1.5千克二氧化钚。“這里的人之前沒有使用過镎，我們幾乎是從零開始。”他說。

　　NASA也在尋找方法，以便從現有的钚中提取更多能量。其噴氣推進實驗室材料工程師Jean-Pierre Fleurial領導的研究小組正試圖建造熱電偶——該設備能從钚的放射性衰變中發電。通過將目前用于熱電偶的鉛基材料更換為鈷—銻材料，Fleurial小組在放射開始時獲得的能量將至少多25%。

　　能量渴求

　　直到去年，NASA還致力于開發空間斯特林發動機，該設備利用1/4的钚就能產生與MMRTG相同的能量。斯特林變流器有時類似高科技蒸汽機：钚衰變產生的熱量驅動氦氣膨脹，反過來推動活塞發電。一個土衛六項目曾計劃使用斯特林技術，但由于經費限制，NASA于2013年11月取消了該計劃。

　　這一決定引來了馬里蘭大學的Jessica Sunshine等行星學家的指責。例如，NASA最近提出的項目建議書——低成本“發現”級宇宙飛船，甚至不允許使用超過加熱設備的最低限度的放射性同位素。

　　盡管NASA決定取消斯特林項目，但一個小規模研究計劃依然在繼續。格倫研究中心放射性同位素動力系統項目負責人John Hamley及其同事目前正繼續研究不同構造的12種斯特林變流器。該項目已經進行了10年，以便證實活塞能長時間地可靠工作，以滿足長期空間任務的需求。

　　如果NASA需要钚為人類空間探索提供能量，所有的這些努力還不夠。該機構目前正計劃將宇航員送上小行星或更遠的深空，這需要的能量將比少量钚-238產生的能量大得多。Schurr表示，如果一個行星項目可能需要300~900瓦能量，人類深空探索則需要更大的飛船，同樣也需要數萬瓦的能量。明年年初將發布的一份NASA內部報告估計了空間核動力的需求，它指出，可能需要一個類似于裂變反應堆的自持能量源。

　　再回到橡樹嶺，Wham還在考慮如何制備更多的钚。如果需要，他說自己將使用更多的輻射室，制作更多的钚。“如果他們來找我們，想要更多的產品，我們知道怎么做。”他說。