互动科普

 美国航空航天局（NASA）已经有了35千克的钚-238来为他们的深空任务供能，但这还远远不够。

透过一面黄色的窗口，肯·威尔逊（Ken Wilson）紧盯着窗户另一侧胡乱堆放着的瓶子和化工设备。这面窗户由5层厚厚的玻璃组成，层与层之间还灌注入了大约400升的油，这是为了保护他免遭对面设备辐射出的射线的侵袭。

作为美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）最顶尖的原子能专家之一，威尔逊的日常工作就是在这种“热室”（hot cell）中完成的。他紧握着机械臂的控制杆，抓取热室内的一些瓶子，然后打开盖子，再将一个容器中的液体倒入另一个容器中。这些动作他完成得如此熟练，控制杆似乎已成为他身体的一部分。

通过远程操控完成的这些化学反应，最终会形成一些残留物，威尔逊会将残留物收集到一些暗棕色液体里，并注入热室一角的两个瓶子中。这种液体是橡树岭国家实验室制备的高放射性同位素钚-238（238Pu）的一种浓缩溶液，而威尔逊的工作是将其提纯。钚的最终目的地是外太空，在那里它衰变所产生的热量将为美国航空航天局（NASA）的航天器提供动力，比如未来的火星漫游车，飞往外太阳系的航天器等，因为到了外太阳系，太阳能帆板所能获得的太阳辐射会非常微弱。

制备出238Pu会让NASA松一口气，人们非常担心未来这种元素会耗尽。这种同位素不能在自然界中找到，因此需要在核反应堆中制备。然而，作为逐步淘汰核武器计划的一部分，美国能源部于1988年叫停了萨凡那河电厂对238Pu的制备，美国的主要供应渠道被切断。4年后，能源部开始向俄罗斯政府购买少量的同位素，但这种获取方式也已经终止。

因此，NASA现在仅有35千克钚储备，这么少的量可能无法满足去往火星、木星卫星以及更远空间的飞行器的需要。研究人员曾准备研发一种新的放射性同位素供能设备，其消耗的钚元素仅为现有设备的四分之一。但在2013年底由于预算紧张，NASA取消了该项目，钚产品储量不足的危急状况变得更加严重。

这便是威尔逊做这些化学工作的原因。2013年起，NASA每年向能源部支付5 000万美元，使其重启中断已久的238Pu的制备工作。这是一项艰巨的任务：现有设备本来并非是为制备238Pu建造的。能源部也拜访了一些已经退休的钚元素专家，学习制备及储存这种同位素的方法；此外，他们还需要设计一整套机器与工作流程，从而保证该系统每年能制备超过1千克的钚元素。

 “制备钚元素很困难。人们总觉得可以很容易就生产出这种元素，一旦制备出来就可以放在那，再也不会消失了，但实际情况要比想象复杂很多，”拉尔夫·麦克纳特（Ralph McNutt）如是说。他是约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的行星专家，正在参与NASA内部一项为空间任务开发核动力的研究项目。

储备不足

上世纪50年代末至60年代初，美国和苏联的太空项目开发了第一部放射性同位素动力设备。（欧洲空间局从未为太空飞行任务开发原子能，这也影响了2014年11月初造访彗星的太阳能着陆器的运行寿命。）美国已经在27个航天任务中使用了放射性同位素动力设备，从1961年发射的一颗海军导航卫星到2011年发射的“好奇”号火星探测器。

这些设备遵循着相同的基本原理：同位素衰变时会放出热量，用这些热量加热两块金属或半导体的连接部位（参看“为飞船供能”）。由于热电效应（thermoelectric effect），设备会产生电流，从而为航天器上的设备供能。更小的放射性同位素元件也可以在太空严酷的环境中为探测设备保暖。

选择238Pu这种同位素，部分原因是1克这种材料就可以产生大量能量，另外就是为工人的安全考虑——这种同位素只放射α粒子，而这种粒子相对比较容易屏蔽。

当前最受NASA欢迎的核动力源为“多任务放射性同位素热电发电机”（Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator，MMRTG），该设备只需4.8千克的二氧化钚。在航天任务的初始阶段，发电机能提供2 000瓦的热量及110瓦的电能。238Pu的半衰期为87.7年，因此它可以数十年持续地产生能量，但能量输出会随着时间而衰减。发射于1977年的“旅行者1号”航天器，就是由于动力设备输出电流减少，设备不得不逐个被关闭。

有这35千克二氧化钚的储备，NASA似乎可以比较轻松地为将来的很多核动力航天器提供燃料。然而，这些储备已经老化，能满足NASA现在要求的产热指标的，只有不到一半。考虑到规划行星探测任务需要较长的周期，未来的航天任务可能会远远超出我们当前的想象。为了给将来的航天任务提供充足的钚储备，NASA仍然面临着严峻的挑战。

NASA将在2020年发射下一个火星漫游车，将使用5千克钚作为动力源。此外，将来的外太阳系航天任务可能需要配备多个动力源。美国能源部的目标是在2021年之前，每年制备1.5千克的二氧化钚，大概相当于1.1千克的238Pu。NASA行星科学部门的副主任戴维·舒尔（David Schurr）说，通过这种小量归集，NASA应该可以在每十年期间为两个航天任务提供足量的燃料，“对于未来20年里可以预见的航天任务来说，我们大概还是可以应付的”。

生产过程

新的238Pu生产线起点为美国爱达荷国家实验室 （Idaho National Laboratory），在这里，科学家通过化学方法，从反应堆核废料里提取出同位素镎-237（237Np，见“燃料生产”），随后这些镎元素被送往橡树岭。这个城市在二战期间还是个秘密，第一枚原子弹的铀元素就是在这里浓缩的。

在橡树岭国家实验室园区，来自爱达荷的237Np金属将首先被压成橡皮擦大小及形状的芯块。然后这些芯块会被依次滑入长铝管中，再被带往该实验室历史最悠久的建筑物之一 ——高通量同位素反应堆（High Flux Isotope Reactor）。该反应堆是西半球中子通量最高的反应堆。

辐射管理员克里斯·布赖恩（Chris Bryan）俯瞰着一片类似室内游泳池的区域，那里放置着反应堆堆芯的小型物理模型，安装在一个直径为2.4米、镶有数十个孔的铍圆筒里。在反应堆运行前，布赖恩会将那些装满镎片的铝管从一个孔中滑进去，从而使它可以完全暴露在反应堆芯中。当这些铝管就位后，布赖恩就会将整个堆芯组合体沉入泳池，其中的水会起到屏蔽辐射的作用，反应堆会在其中运行25天。在此期间，会有很多中子轰击237Np，样品中10%～12%的原子核会吸收一个中子，这样便制备出了238Np，之后很快衰变为238Pu。

一旦这个过程完成，这些管子会转移到威尔逊及其同事所工作的低矮建筑中。他们会隔着黄色的窗户，在实验室的热室内操作那些机械臂。威尔逊等人的工作是将这些被辐射过的芯块溶解到硝酸中，然后再提取钚，浓缩成氧化物粉末，最终放到一种叫做“保护鼓”的容器中。

最后，一辆可屏蔽辐射的卡车会将这些“鼓”转移到洛斯阿拉莫斯国家实验室 （Los Alamos National Laboratory），在那里这些氧化物会被压成燃料芯块。当然，实验室需要首先将老旧的芯块压制设备更新换代。

在这一复杂过程中还有很多其他问题。首先，橡树岭的反应堆中并没有足够的空间将所有的237Np转化成238Np。镎块在橡树岭制成以后，其中一些会被送到爱达荷的实验室中，那里的高级试验反应堆（Advanced Test Reactor）会帮助进行一些辐射过程。爱达荷也会储藏一些制作完成的钚芯块，以供MMRTG之需。

但是，目前主要的实验地点还是在橡树岭。实验室要从测试性地制作几批样品，安全过渡到以每年1.5千克的速度大量制备二氧化钚的阶段，实验室的化学工程师罗伯特·惠姆（Robert Wham）负责这一任务。他说道，“这里的人还从未跟镎打过交道，我们几乎是从零开始”。

当前最大的挑战是，如何在橡树岭实验室有限的热室中处理所有的钚。实验室急需热室专业技术人员，在未来几年内，惠姆需要使专业技术人员的数量翻番。仅仅是试运行，热室就已经需要一周7天、每天24小时地运转。惠姆说，“我们正在全力以赴，这是每个人都希望看到的”。

NASA也正在寻找从钚中得到更多能量的方法。在NASA的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory），材料工程师让-皮埃尔·弗勒里亚尔（Jean-Pierre Fleurial）领导的一个小组正在寻找制作热电偶的方法，这种设备可以从钚的辐射衰变中产生电能。弗勒里亚尔小组将当前热电偶中使用的铅基材料替换为一种被称为方钴矿的钴–锑材料，希望在发动机运行初期多得到25%的能量。弗勒里亚尔说，它应该可以在2022年前完成。

能源饥荒

2013年前，NASA一直在努力研究用于航天的斯特林发动机（Stirling engine），只需MMRTG所用钚量的四分之一，这种发动机就可以产生同样多的能量。其工作原理有点类似高科技版的蒸汽机：钚衰变产生的热量使氦气膨胀，膨胀的氦气推动一系列活塞以产生能量。该发动机本可以用于一系列深空探测任务，但NASA于2013年11月取消了该任务，理由是预算紧张。

这一决定受到很多行星科学家的批评，这其中就包括马里兰大学的杰茜卡·森夏恩（Jessica Sunshine）。在钚供应如此有限的情况下，NASA还如此缺乏长期规划，这让她深感失望， “能源部重启钚元素供应计划以后，NASA到底什么时候才能用它真正把航天器送上天呢？在这期间有什么样的路要走，又要花多久？”

尽管NASA取消了斯特林计划，仍有一个小组在继续研究。约翰·哈姆利（John Hamley）是NASA格伦研究中心（Glenn Research Center）的负责人，他的小组已经研制出了具有不同结构的12种斯特林转换器，并已运行了10年之久。他们的目标就是要证明，斯特林转换器的活塞在旷日持久的航天任务中也能一直稳定地运行。

如果NASA需要用钚来为宇宙探索提供能量，以上所有这些生产钚和使用钚的方法可能都还不够。NASA正在设想的是把宇航员送到小行星甚至更远的地方，这样的任务所需要的能量远远不是几块238Pu所能提供的。舒尔说：“一项行星探索任务所要的能量为300～900瓦，但为人类深空探索而造的大型飞船需要好几万瓦的能量。”一份将于2015年年初完成的NASA内部报告将会详细分析空间探索对核能的需求。该报告可能会得出这样的结论：未来的深空探索任务将会需要自我维持性的能源，例如裂变反应堆——而美国早在1965年以来就不再在航天领域使用反应堆技术了。

回到橡树岭，惠姆也在思考如何才能制备出更多的钚。在园区的另一幢楼房里，他带我走进一个用混凝土建成的像洞穴一样的大厅。这个房间是20世纪60年代，能源部计划建造以钍为材料的核反应堆而预留出来的热室空间。如今，那些计划已经被搁置多年，而这些屏蔽良好的实验室空间还留在这里。惠姆说，如果有需要的话，他可以在这个地方改造出更多的热室，生产更多的钚，让这间曾被遗弃的房间，在新时代重新焕发光彩。