美國太空「核復興」開端：NASA的火星車，首次由美國製造的鈽供能

2015年，美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)近30年來首次在美國生產了鈽燃料。現在它正在飛往另一個星球。

上個月末，美國國家航空航天局(NASA)成功發射了新的火星車 &34;，其將在火星上執行尋找遠古生命跡象的任務。這是該機構迄今為止最大、最自主的火星探測器。這也是美國第一個完全由鈽反應堆提供動力的火星車。

&34;火星車——由鈽-238作為&34;

&34;的核心是一個啤酒桶大小的小型 &34;，其被稱為放射性同位素熱電發電機（Radioisotope Thermoelectric Generator，簡稱RTG）。與地球上發電的核反應堆不同的是，RTG不需要啟動或維持裂變反應來發電。它們甚至沒有任何活動部件。相反，它們被動地收集鈽-238衰變產生的自然熱量，並將其轉化為電能。它們可以可靠地為太空飛行器提供數十年的能量和熱量——上世紀70年代末發射的兩枚以鈽為動力的&34;探測器至今仍在星際空間進行傳輸，並且已經成為美國國家航空航天局(NASA) 20多項深空任務的首選動力源。

為什麼會選用鈽-238呢？

&34;橡樹嶺國家實驗室的鈽供應項目經理羅伯特·威姆(Robert Wham)表示，該實驗室現在負責為NASA製造這種材料。&39;毅力號&34;

&34;只是第二個以核能作為其主要電能來源的火星探測器。NASA的前三個漫遊車——&34;、&34;和&34;——都使用太陽能發電，但這意味著當電池板上積累了足夠多的灰塵時，它們將面臨完全失去電力的風險。從2012年抵達火星的 &34;開始，NASA的工程師們改用核能作為漫遊車的主要能源。考慮到當時美國用於太空任務的核燃料儲備正在減少，而且美國沒有一個能夠製造更多核燃料的設施，所以這是一個大膽的選擇。

鈽-238在ORNL的放射性同位素工程開發中心的熱室中處理

美國的核儲備稀缺問題——令其太空探索事業進退兩難

鈽-238並不是用於核武器（那是它的姊妹同位素鈽-239）。但隨著20世紀80年代末冷戰的結束，美國停止生產所有類型的鈽，以遵守裁軍協議定書。威姆（Wham）認為：&34;他指的是南卡羅來納州的一個基地，此前美國核武器的大部分材料都是在那裡生產的。如今，薩凡納河遺址是地球上汙染最嚴重的地方之一，原因是這些活動產生的核廢料埋在了這裡。

當美國停止各類鈽的生產後，其給NASA留下了幾十公斤的鈽-238的儲備，以供未來所有任務之用。然而，這儲備數量並不多，光是 &34;探測車就使用了近5公斤的鈽。到了某個時候，這個庫存必然會用完；美國國家科學院2009年的一份報告預測，美國所擁有的鈽僅夠再進行幾次深空任務。

這就給美國留下了幾個令人難以接受的選擇：

1. 放棄對外太陽系的探索
2. 從國外購買鈽
3. 或者在國內重新開始製造鈽

最終，NASA決定自己扛下了——美國本土製造鈽-238的重任

&34;在2011年發射時，其核電池中的鈽來自俄羅斯。這對美國來說似乎並不是一件光彩的事情——在美國標誌性的太空任務中使用俄羅斯燃料——但更重要的是，這也讓NASA暴露在地緣政治的變化滄桑之中。幾年前，克裡姆林宮違背了向NASA提供鈽的協議，直到重新談判購買協議。與此同時，負責監督美國所有核燃料製造的美國能源部(Department of Energy)，多年來一直在遊說美國國會撥款重啟其國內本土鈽的生產。當時的想法是由美國宇航局（NASA）和能源部平攤費用成本，但每次議員們都拒絕了這一請求。

在機器人接管之前，橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人員會在這個手套箱裡手工壓制

由於對鈽短缺的擔憂不斷加劇——俄羅斯也在減少鈽的數量，NASA的決策者們決定由該機構將自己承擔這筆費用。自2011年以來，NASA幾乎承擔了在田納西州的橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)生產鈽的全部成本。這項投資很快就得到了回報。到2015年，橡樹嶺的化學家們在美國生產出了近30年來的第一個鈽-238樣品。與此同時，該實驗室還投入巨資建立了自動化生產系統，使其能夠生產出足夠的鈽來滿足NASA未來的需求。但即使有機器人的參與，生產鈽-238也是很費力的，而且除了橡樹嶺實驗室，還需要涉及另外兩個國家實驗室。

&34;的製造過程

1、這個過程的第一步，是愛達荷國家實驗室的研究人員將錼-237（本身是一种放射性金屬氧化物）送到田納西州，在那裡，自動機器將其壓成鉛筆橡皮大小的顆粒。

2、接下來，52個這樣的顆粒被堆疊成金屬棒，其被稱為&34;，並被放置在橡樹嶺或愛達荷國家實驗室的核反應堆中，在那裡它們被中子轟擊，以此

產生鈽。

3、經過幾個月的冷卻後，鈽被運到新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室。之後通過另一臺機器將小的鈽顆粒壓成棉花糖大小的大顆粒。

4、然後，它們被安置在一個由銥製成的外殼中，銥是一種幾乎堅不可摧的金屬，其可以防止漫遊車在發射時，萬一發生事故時有效地防止放射性汙染。

5、最後，裝甲鈽被運送到愛達荷國家實驗室，其先將32個顆粒裝入漫遊車的核電池，然後再安裝到車上。

鈽238顆粒發紅熱的插圖

雖然現階段困難重重，但此次&34;將是其&34;的一個開端

如今，橡樹嶺實驗室年產鈽的目標是每年3.5磅，而威姆（Wham）和他的同事們計劃在2020年中期達到這一裡程碑式的目標，但現在只生產了大約一半。威姆（Wham）對此表示：&34;

&34;火星車是NASA第一個使用美國國家實驗室生產的新鈽-238的任務，但其肯定不會是最後一個。未來的核動力深空任務，比如在土星最大的衛星土衛六表面尋找生命的 &34;任務，也將使用這條新生產線。而隨著NASA正致力於為核動力火箭和月球發電廠啟動小型反應堆，&34;的發射很可能標誌著美國太空核復興的開始。

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撰寫：GolevkaTech

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