深空探测中的钚-238同位素电源
发布时间：2021-12-02 09:58
钚-238同位素电源（钚-238 RTG）能够在恶劣环境下长时间自持运行,供电的同时还能提供热能,是深空探测任务的理想能源。首先对温差型钚-238 RTG发电原理和基本结构进行了阐述,介绍了国内外钚-238 RTG应用历史和发展趋势,进而梳理出了钚-238 RTG研制关键技术,然后结合国外钚-238 RTG研制技术状况及未来深空探测需求,对上述关键技术进行了分析和讨论,从而可为我国钚-238 RTG技术发展及其工程应用提供参考。
【文章来源】：深空探测学报. 2020,7(01)
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
图１钚－２３８?ＲＴＧ发电原理示意图??Ｆｉｇ．?１?Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ?ｐｏｗｅｒ?ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ?ｔｈｅｏｒｙ?ｏｆ?Ｐｌｕｔｏｎｉｕｍ－２３８?ＲＴＧ??
－２３８同位素电源??６５??３．１．２钚－２３８芯块密度??钚－２３８?ＲＨＵ放射性芯块密度增大可提高比功率和??机械强度，但过大密度会阻碍芯块内部因钚－２３８衰变??产生氦气的排放，氦气集聚可能带来芯块肿胀、破裂??等安全隐患，因此应在保证ＲＨＵ芯块安全的前提下尽??量提高其密度。美国所使用的钚－２３８?ＲＨＵ芯块的密度??均控制在８５％?±?５％ＴＤ范围内［１２］，制造过程中钚－２３８原??料的化学形式、粉体颗粒大孝烧结工艺等参数对陶??瓷芯块密度均有重要影响［１３］（如图９所示）。??图９钚－２３８粉末原料和钚－２３８陶瓷芯块??Ｆｉｇ．?９?Ｐｌｕｔｏｎｉｕｍ－２３８?ｐｏｗｄｅｒｓ?ａｎｄ?Ｐｌｕｔｏｎｉｕｍ－２３８?ｃｅｒａｍｉｃ?ｐｅｌｌｅｔｓ??３．１．３包壳结构及材料??钚－２３８ＲＨＵ／ＲＴＧ在空间应用过程中，不仅要承受??运输和发射阶段的强烈振动和加速度冲击，还可能经??历发射失败所出现的紧急意外事故环境，使用单一材??料或单层防护包壳难以保护内部钚－２３８核素的安全，??必须采用多层、不同材料的防护包壳。美国ＧＰＨＳ－??ＲＴＧ和ＭＭＲＴＧ使用的钚－２３８?ＲＨＵ均采用了４层安全防??护包壳，如图１０所示。其中，抗烧蚀包壳（Ａｅｒｏｓｈｅｌｌ／??Ｃａｐ）可以抵抗高温烧蚀和高速冲击，该层包壳采用针??刺编织的碳碳复合材料（Ｆｉｎｅ?Ｗｅａｖｅ?Ｐｉｅｒｃｅｄ?Ｆａｂｒｉｃ，??ＦＷＰＦ）制成；隔热层包壳（ＣＢＣＦＳｌｅｅｖｅ／Ｃａｐ）能够??在超高温环境下阻止热量短时间传入ＲＨＵ内部，从而??保护金属包壳密封，该层包壳选用了低密度碳碳复合??材料（Ｃａｒｂｏｎ?Ｂｏｎｄｅｄ?Ｃａｒ
?９?Ｐｌｕｔｏｎｉｕｍ－２３８?ｐｏｗｄｅｒｓ?ａｎｄ?Ｐｌｕｔｏｎｉｕｍ－２３８?ｃｅｒａｍｉｃ?ｐｅｌｌｅｔｓ??３．１．３包壳结构及材料??钚－２３８ＲＨＵ／ＲＴＧ在空间应用过程中，不仅要承受??运输和发射阶段的强烈振动和加速度冲击，还可能经??历发射失败所出现的紧急意外事故环境，使用单一材??料或单层防护包壳难以保护内部钚－２３８核素的安全，??必须采用多层、不同材料的防护包壳。美国ＧＰＨＳ－??ＲＴＧ和ＭＭＲＴＧ使用的钚－２３８?ＲＨＵ均采用了４层安全防??护包壳，如图１０所示。其中，抗烧蚀包壳（Ａｅｒｏｓｈｅｌｌ／??Ｃａｐ）可以抵抗高温烧蚀和高速冲击，该层包壳采用针??刺编织的碳碳复合材料（Ｆｉｎｅ?Ｗｅａｖｅ?Ｐｉｅｒｃｅｄ?Ｆａｂｒｉｃ，??ＦＷＰＦ）制成；隔热层包壳（ＣＢＣＦＳｌｅｅｖｅ／Ｃａｐ）能够??在超高温环境下阻止热量短时间传入ＲＨＵ内部，从而??保护金属包壳密封，该层包壳选用了低密度碳碳复合??材料（Ｃａｒｂｏｎ?Ｂｏｎｄｅｄ?Ｃａｒｂｏｎ?Ｆｉｂｅｒ，?ＣＢＣＦ）；抗撞击??包壳（Ｉｍｐａｃｔ?Ｓｈｅｌｌ／Ｃａｐ）可以抵抗各种严苛力学载荷??的破坏作用，确保内部放射性物质的密封，该层包壳??为石墨材质；燃料密封包壳（Ｆｕｅｌｅｄ?Ｃｌａｄ，?ＦＣ）将高??温钚－２３８放射性陶瓷芯块密２３８放射性陶瓷芯块密封??在其内部与环境隔离，使用了铱合金材料（ＤＯＰ２６）??３．１．４透氦阻钚装置??由于钚－２３８?ＲＴＧ所使用的钚－２３８同位素会因衰变??持续释放Ｈｅ气，若集聚在包壳内部则会使内压持续增??大，可能导致包壳承压破裂。为规避该安全风险，通??常采用包壳预留储气空间或加装透
【参考文献】：
期刊论文
[1]热电发电器件与应用技术:现状、挑战与展望[J]. 张骐昊,柏胜强,陈立东. 无机材料学报. 2019(03)
[2]空间核动力源的安全性研究进展[J]. 胡文军,陈红永,陈军红,李上明,胡绍全,唐玉华. 深空探测学报. 2017(05)
[3]同位素核能源的空间应用前景分析[J]. 孙佳慧. 电源技术. 2014(02)
[4]放射性同位素热源/电源在航天任务中的应用[J]. 吴伟仁,王倩,任保国,罗志福. 航天器工程. 2013(02)
[5]放射性同位素温差发电器在深空探测中的应用[J]. 张建中,任保国,王泽深,郑海山. 宇航学报. 2008(02)
[6]美国空间同位素能源装置发展现状[J]. 侯欣宾,王立. 航天器工程. 2007(02)
[7]前苏联和俄罗斯同位素温差发电器发展状况[J]. 崔萍,李歆,张楠,张建中. 电源技术. 2004(12)
[8]空间同位素发电体系的应用现状与展望[J]. 蔡善钰. 核科学与工程. 1994(04)
博士论文
[1]PbTe基热电电极接头界面扩散与反应及电极材料优化[D]. 夏海洋.清华大学 2015
硕士论文
[1]Bi2Te3基热电模组钎焊连接及工艺优化研究[D]. 谌礼群.浙江大学 2017
本文编号：3528209
【文章来源】：深空探测学报. 2020,7(01)
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
图１钚－２３８?ＲＴＧ发电原理示意图??Ｆｉｇ．?１?Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ?ｐｏｗｅｒ?ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ?ｔｈｅｏｒｙ?ｏｆ?Ｐｌｕｔｏｎｉｕｍ－２３８?ＲＴＧ??
－２３８同位素电源??６５??３．１．２钚－２３８芯块密度??钚－２３８?ＲＨＵ放射性芯块密度增大可提高比功率和??机械强度，但过大密度会阻碍芯块内部因钚－２３８衰变??产生氦气的排放，氦气集聚可能带来芯块肿胀、破裂??等安全隐患，因此应在保证ＲＨＵ芯块安全的前提下尽??量提高其密度。美国所使用的钚－２３８?ＲＨＵ芯块的密度??均控制在８５％?±?５％ＴＤ范围内［１２］，制造过程中钚－２３８原??料的化学形式、粉体颗粒大孝烧结工艺等参数对陶??瓷芯块密度均有重要影响［１３］（如图９所示）。??图９钚－２３８粉末原料和钚－２３８陶瓷芯块??Ｆｉｇ．?９?Ｐｌｕｔｏｎｉｕｍ－２３８?ｐｏｗｄｅｒｓ?ａｎｄ?Ｐｌｕｔｏｎｉｕｍ－２３８?ｃｅｒａｍｉｃ?ｐｅｌｌｅｔｓ??３．１．３包壳结构及材料??钚－２３８ＲＨＵ／ＲＴＧ在空间应用过程中，不仅要承受??运输和发射阶段的强烈振动和加速度冲击，还可能经??历发射失败所出现的紧急意外事故环境，使用单一材??料或单层防护包壳难以保护内部钚－２３８核素的安全，??必须采用多层、不同材料的防护包壳。美国ＧＰＨＳ－??ＲＴＧ和ＭＭＲＴＧ使用的钚－２３８?ＲＨＵ均采用了４层安全防??护包壳，如图１０所示。其中，抗烧蚀包壳（Ａｅｒｏｓｈｅｌｌ／??Ｃａｐ）可以抵抗高温烧蚀和高速冲击，该层包壳采用针??刺编织的碳碳复合材料（Ｆｉｎｅ?Ｗｅａｖｅ?Ｐｉｅｒｃｅｄ?Ｆａｂｒｉｃ，??ＦＷＰＦ）制成；隔热层包壳（ＣＢＣＦＳｌｅｅｖｅ／Ｃａｐ）能够??在超高温环境下阻止热量短时间传入ＲＨＵ内部，从而??保护金属包壳密封，该层包壳选用了低密度碳碳复合??材料（Ｃａｒｂｏｎ?Ｂｏｎｄｅｄ?Ｃａｒ
?９?Ｐｌｕｔｏｎｉｕｍ－２３８?ｐｏｗｄｅｒｓ?ａｎｄ?Ｐｌｕｔｏｎｉｕｍ－２３８?ｃｅｒａｍｉｃ?ｐｅｌｌｅｔｓ??３．１．３包壳结构及材料??钚－２３８ＲＨＵ／ＲＴＧ在空间应用过程中，不仅要承受??运输和发射阶段的强烈振动和加速度冲击，还可能经??历发射失败所出现的紧急意外事故环境，使用单一材??料或单层防护包壳难以保护内部钚－２３８核素的安全，??必须采用多层、不同材料的防护包壳。美国ＧＰＨＳ－??ＲＴＧ和ＭＭＲＴＧ使用的钚－２３８?ＲＨＵ均采用了４层安全防??护包壳，如图１０所示。其中，抗烧蚀包壳（Ａｅｒｏｓｈｅｌｌ／??Ｃａｐ）可以抵抗高温烧蚀和高速冲击，该层包壳采用针??刺编织的碳碳复合材料（Ｆｉｎｅ?Ｗｅａｖｅ?Ｐｉｅｒｃｅｄ?Ｆａｂｒｉｃ，??ＦＷＰＦ）制成；隔热层包壳（ＣＢＣＦＳｌｅｅｖｅ／Ｃａｐ）能够??在超高温环境下阻止热量短时间传入ＲＨＵ内部，从而??保护金属包壳密封，该层包壳选用了低密度碳碳复合??材料（Ｃａｒｂｏｎ?Ｂｏｎｄｅｄ?Ｃａｒｂｏｎ?Ｆｉｂｅｒ，?ＣＢＣＦ）；抗撞击??包壳（Ｉｍｐａｃｔ?Ｓｈｅｌｌ／Ｃａｐ）可以抵抗各种严苛力学载荷??的破坏作用，确保内部放射性物质的密封，该层包壳??为石墨材质；燃料密封包壳（Ｆｕｅｌｅｄ?Ｃｌａｄ，?ＦＣ）将高??温钚－２３８放射性陶瓷芯块密２３８放射性陶瓷芯块密封??在其内部与环境隔离，使用了铱合金材料（ＤＯＰ２６）??３．１．４透氦阻钚装置??由于钚－２３８?ＲＴＧ所使用的钚－２３８同位素会因衰变??持续释放Ｈｅ气，若集聚在包壳内部则会使内压持续增??大，可能导致包壳承压破裂。为规避该安全风险，通??常采用包壳预留储气空间或加装透
【参考文献】：
期刊论文
[1]热电发电器件与应用技术:现状、挑战与展望[J]. 张骐昊,柏胜强,陈立东. 无机材料学报. 2019(03)
[2]空间核动力源的安全性研究进展[J]. 胡文军,陈红永,陈军红,李上明,胡绍全,唐玉华. 深空探测学报. 2017(05)
[3]同位素核能源的空间应用前景分析[J]. 孙佳慧. 电源技术. 2014(02)
[4]放射性同位素热源/电源在航天任务中的应用[J]. 吴伟仁,王倩,任保国,罗志福. 航天器工程. 2013(02)
[5]放射性同位素温差发电器在深空探测中的应用[J]. 张建中,任保国,王泽深,郑海山. 宇航学报. 2008(02)
[6]美国空间同位素能源装置发展现状[J]. 侯欣宾,王立. 航天器工程. 2007(02)
[7]前苏联和俄罗斯同位素温差发电器发展状况[J]. 崔萍,李歆,张楠,张建中. 电源技术. 2004(12)
[8]空间同位素发电体系的应用现状与展望[J]. 蔡善钰. 核科学与工程. 1994(04)
博士论文
[1]PbTe基热电电极接头界面扩散与反应及电极材料优化[D]. 夏海洋.清华大学 2015
硕士论文
[1]Bi2Te3基热电模组钎焊连接及工艺优化研究[D]. 谌礼群.浙江大学 2017
本文编号：3528209
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