01同位素核電源概述
同位素電源中應用最成功的是同位素溫差電池（Radioisotope Thermoelectric Generator，簡稱RTG），它利用同位素衰變產生熱能，利用熱電偶將熱能轉換為電能，具有體積小、結構簡單等特點。其熱電轉換效率介于4%～8%之間，電輸出功率從數瓦到數百瓦不等，下圖所示為一種典型的空間應用同位素溫差電池的原理和結構。
 
RTG的工作原理和典型結構圖

钚-238在衰變的過程中會釋放出一個氦-4原子核（α粒子），因此钚-238的衰變又被稱為α衰變。α粒子的動能轉變為熱能，使钚-238達到五六百攝氏度，溫差元件將這種熱量轉換為電能。
RTG是一種利用溫差電材料的塞貝克效應（在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在回路中將出現電流，稱為熱電流）將放射性同位素衰變產生的熱能直接轉換成電能的固態能量轉換器件。其主要包含3個主要的功能單元：同位素熱源、溫差電組件和散熱器。RTG在空間應用中一方面利用其輸出的電能為探測器供電，一方面將余熱為熱控系統提供熱能，以確保探測器在極低溫度環境下生存。
 
美國用RTG的空間任務

截止2019年底，美國已在過去的30多個空間飛行任務中使用了將近50個RTG，其中，有35個RTG應用于18次的美國航空航天局(NASA)的任務，沒有1次是由于RTG的原因造成任務失敗。所有的RTG全部采用Pu-238作為放射性同位素，其RTG的輸出電功率從2.7～300W，質量從2kg到56kg不等，電池最高熱電效率已達6.7%，最高質量比功率已達5.36W/kg，最高的在軌運行壽命接近40年。上圖顯示了美國空間用RTG的任務概況。

02“毅力號”的同位素核電源系統
美國在所有的空間應用工程中均選擇Pu-238作為熱源核素，早期采用金屬Pu-238，后經過多年的研究和應用過程的優化，最終采用PuO2陶瓷形式，并制成標準的通用熱源形式(General Propose Heat Source，簡稱GPHS)，其結構如下圖所示。
 
GPHS模塊結構

GPHS熱源是首個采用模塊化設計的同位素熱源，每個模塊包含2個熱源單體，每個單體有2個PuO2芯塊，芯塊由銥合金封裝，模塊的最外層為再入大氣熱保護層(Aeroshell)，保證整個模塊在遇到意外時的安全性。
 
钚-238粉末原料和钚-238陶瓷芯塊

2003年6月，美國能源部（DOE）為滿足NASA火星實驗室（MSL）的需求，確定了多用途同位素溫差電池（簡稱MMRTG）的研制任務，任務由Aerojet Rocketdyne和Teledyne Energy Systems合作承擔。要求MMRTG既能適應真空環境，又能適應地外天體的大氣環境。
2011年11月26日首個MMRTG作為“好奇號”火星探測器的主電源發射成功，2012年8月6日“好奇號”在火星表面安全著陸，開始了火星表面巡視探測之旅。“好奇號”的MMRTG采用8個模塊化通用熱源GPHS，溫差電材料采用PbTe/TAGS，初期輸出功率125W，熱電轉換效率6.4%，質量比功率2.8W/kg，其結構如下圖。
 
MMRTG剖面圖

“毅力號”的MMRTG與“好奇號”結構類似，采用8個GPHS模塊，并且擁有14年的工作壽命，它使火星車在較大的緯度和高度范圍內具有更大的機動性，使科學家能夠最大限度地提高管理火星車科學儀器的能力，為工程師在火星車的操作方面提供了很大的靈活性。“毅力號”MMRTG的技術參數如下。
圖表：“毅力號”MMRTG基本參數
參數 數值
GPHS模塊 8個
熱電材料 PbTe/TAGS
熱電偶數量 768個
直徑 64cm
長度 66cm
重量 45kg
熱源 4.8kgPuO2
初始電功率 110W
壽終電功率 72W
初始熱電轉換效率 6%左右
負載電壓 30V
翅片根溫度 157℃
資料來源：調研整理
電源通過接口固定在火星車尾部，每個電源模塊的內部燃料都被幾層保護材料包圍，其中包括用于導彈鼻錐的堅韌材料，這些材料旨在使電源在重新進入大氣層時能夠承受激烈條件。此外，放射性同位素燃料以陶瓷形式制造，可防止破碎成細小的碎片，從而減少了危險物質可能被空氣傳播或攝入的機會。如果“毅力號”發射時發生事故，則暴露的個體可以接受的最大估計計量為210毫雷姆。
 
“毅力號”火星車結構及核電源位置

“毅力號”MMRTG由兩個主要元素組成：一個包含Pu-238的熱源和一個熱電偶，該熱電偶可以發電，可長期在太空中運行而不會發生故障。熱電偶的原理涉及兩塊板，每塊板均由不同的導電金屬制成。將這兩個板連接在一起以形成閉合電路，同時將兩個結保持在不同的溫度下會產生電流。這些結對中的每對都形成一個單獨的熱電偶。
 
“毅力號”MMRTG的結構

在MMRTG中，Pu-238的自然衰變會產生熱量，然后將熱量傳遞到這些結點之一，而另一個結點保持不加熱，并被太空環境或行星大氣冷卻。熱電偶通過利用熱側和冷側之間的溫差來發電。MMRTG設計使用了PbTe/TAGS熱電偶，其中TAGS材料是結合碲（Te）、銀（Ag）、鍺（Ge）和銻（Sb）的材料。
 
PbTe/TAGS熱電偶結構

電源系統還包括兩個鋰離子可充電電池，以滿足火星車的峰值需求。NASA表示，在火星車進行科學運算期間，電力需求可以達到900瓦，電池將在用電高峰時為火星車供電。同時MMRTG產生的能量中有94％左右是余熱，這將有助于在火星表面的低溫下使火星車的內部電子設備保持溫暖。
 
 
MMRTG實物及在“毅力號”上的安裝狀態

橡樹嶺國家實驗室為NASA火星車提供熱源材料和硬件，洛斯阿拉莫斯國家實驗室純化并封裝Pu-238，然后，愛達荷州國家實驗室組裝、測試并確保電源的最終交付。為確保有足夠的Pu-238供應，橡樹嶺實驗室于2013年重新啟動了Pu-238的生產，并對生產過程的一部分進行了自動化處理，使該實驗室每年可生產多達400克Pu-238，按照計劃2025年將達到年產1.5千克的目標。“毅力號”是第一個使用橡樹嶺實驗室生產的Pu-238的NASA任務。
下一個由INL組裝和測試的MMRTG將為“蜻蜓”旋翼機著陸任務提供動力，該任務將探索土星最大的衛星土衛六，計劃于2026年發射。INL的太空核動力和同位素系統小組也越來越多地參與用于核熱推進和裂變表面能應用的太空反應堆。

03同位素核電源的未來發展趨勢
自1961年SNAP3B-RTG實現了RTG空間首次應用以來，其發展經歷了幾個階段，如下圖所示。
 
美國RTG的發展階段

雖然美國一直致力于尋找溫差電換能技術的替代者，并且對用斯特林換能技術的斯特林同位素發電器進行了大量的地面驗證試驗，原先有資料報道計劃在火星實驗室項目實現ASTG的首次應用，但最終還是使用了MMRTG。
目前來看對于未來的深空探測任務，MMRTG還是首選，在2010年10月，NASA發布《DRAFT SPACE POWER AND ENERGY STORAGRE ROAD MAP》提到的同位素電源系統面臨的主要挑戰有3個方面：
◆在滿足長壽命要求的條件下，提高換能器系統的熱電轉換效率。
◆同位素電源系統需要承受5000g的沖擊問題。
◆Pu-238的嚴重短缺問題。
同時也提出了未來的RTG的研究目標是熱電轉換效率達到10%～15%；質量比功率達到10～15W/kg；壽命15年。NASA還提出了(Advanced Radioisotope Thermoelectric Generator-ARTG)計劃，計劃除了提出以通用熱源為設計基礎進行先進同位素溫差電池概念設計外，還將開發先進的高溫體系Zintl及納米SiGe作為熱電轉換材料。