基于SKD-HH分段级联器件与GPHS的RTG输出性能计算

Pu-238放射性同位素温差发电器(RTG)在深空探测中具有广泛应用。基于先进热电材料CoSb_(3)填充方钴矿和半赫斯勒材料,设计了六π对构型分段级联器件。在此基础上,结合通用模块化热源GPHS,设计了一种面向深空应用的80 W级RTG,采用有限元软件Ansys计算了其在深空环境温度下的电性能输出和温度分布。该RTG最大输出功率80.3 W,转换效率8.36%,设计转换效率达到了美国eMMRTG的水平。

RTG研制过程中的辐射防护研究

一般情况下,空间用同位素温差电池选用放射性同位素Pu-238作为热源燃料,同位素热源虽然是经过严酷实验条件验证的密封源,对于RTG研制过程的操作人员,正常情况下,不存在发生内照射的风险。但由于Pu-238衰变过程中会伴随一定量的中子和γ射线,所以对于RTG研制过程的操作人员必须采取相应的辐射防护措施,以避免造成不必要的伤害。系统分析了RTG用同位素源的辐射特性、RTG的研制流程和操作过程的辐射防护措施,提出了RTG研制和应用过程的辐射防护原则。

等效同位素热源设计制备及其性能测试

通用热源(General-Purpose Heat Source,GPHS)是同位素温差电池(Radioisotope Thermoelectric Generators,RTG)中应用最成熟的热源模块,在同位素电源的研制与测试过程中,GPHS是电加热模拟热源等效性的关键参考。为满足同位素电源系统非核单元等效性测试与验证的需求,基于GPHS的各项实际性能参数,设计并仿制了一种电加热模拟热源。基于仿真计算与实验测试结果,分析评价了仿GPHS模拟热源的热输出特性、等效替代性及其在不同应用场景下的运行效果。当输入功率为250 W时,仿GPHS模拟热源表面平均温度可达515 K,且温度随功率变化的趋势与仿真结果相吻合。经实验测试,在250 W热源功率下,RTG模块的能量转化效率可提升至6%左右。本文提出并构建的仿GPHS模拟热源等效性良好,且可适用于同位素温差电池,对同位素电源的性能评价提供一种有效的、统一的参考标准。

陆地用60 W级^(241)AmO_(2)放射性同位素温差发电器的输出电性能计算及安全性分析

放射性同位素温差发电器(radioisotope thermoelectric generator,RTG)具有寿命长、环境适应性强等优点,可广泛应用于海、陆、空中的复杂场景。其中,为陆地设备供电是RTG的一个重要工程应用领域。^(241)AmO_(2)由于具有半衰期长,获取渠道广泛,剂量率低等优点,可作为陆地用RTG能源供给的来源之一。本研究设计一款60 W级^(241)AmO_(2)驱动放射性同位素温差发电器,并基于ANSYS有限元分析软件,计算其在陆地中不同环境温度下应用时的电性能和安全性。计算结果显示,环境温度影响^(241)AmO_(2)-RTG的最大输出功率和温度分布,当环境温度为-60~50℃时,其最大输出功率最低为66.0 W,最高可达75.7 W,源芯最高温度为789℃,热电模块热端最高温度为717℃。输出电性能和源芯温度满足设计指标及安全需求。

放射性同位素温差发电器在深空探测中的应用

放射性同位素温差发电器不受太阳光和其它环境条件的影响,可以同时为航天器提供电能和热能,是较理想的月球和深空探测电源。文章回顾了国外RTG的应用历史,评述了RTG的发展趋势。目前,RTG的研究方向是高效率、高比功率,以满足未来深空探测任务的需要。文章介绍了应用于深空探测的RTG在优化配置过程中应当考虑的一些问题。最后,评述了深空探测RTG的技术关键,包括RTG设计、温差电换能器技术、同位素热源及其安全技术、热管理技术和电源管理技术。

前苏联和俄罗斯同位素温差发电器发展状况

放射性同位素温差发电器是将放射性同位素的衰变热利用塞贝克效应直接转换成电能的一种高生存力的致密能源,是目前月球表面和深太空探测以及偏远地带用可供选择的最佳电源。详细介绍了前苏联和俄罗斯空间和地面用同位素温差发电器的研制、应用和发展状况。给出了代表性产品的主要技术性能。从结构设计上分析了放射性同位素温差发电器的核安全问题,阐明了其在俄罗斯的分布情况、数量、服役状态和存在的危机。

嫦娥四号着陆器同位素温差电池设计与验证

嫦娥四号着陆器同位素温差电池是我国首个成功在航天器上应用的同位素电源,可为着陆器两相流体回路提供热能,并为原位月夜温度采集提供电能。同位素温差电池解决了温度和力学环境条件严酷、安装操作条件复杂、装配集成涉及电离辐射等难题,采用238Pu密封同位素热源、平面式PbSnTe/PbTe温差电换能器、耐压密封外壳,开发了适应月面环境的同位素温差电池设计制造技术,圆满完成了为两相流体回路供热并为月夜温度采集器供电的任务。对同位素温差电池的设计约束、最终方案及试验验证情况进行了介绍。

嫦娥四号着陆器月夜热电联供系统设计与验证

为了实现嫦娥四号着陆器在月球表面长期生存并完成月夜阶段温度采集任务,研制了一套高效的月夜热电联供系统.该系统主要由同位素温差电池(RTG)和两相流体回路组成.RTG发电废热在其端面集中排散,两相流体回路通过平板式蒸发器与RTG安装连接,收集热量传输到舱内.通过地面试验对系统功能进行了初步验证,试验中两相流体回路启动、断开正常,运行稳定.在轨飞行结果表明,该系统工作正常,实现了93%以上同位素核热源的热量用于温差发电器产生电能,并且收集了67%的发电废热用于舱内平台设备控温.

具有独特用途的放射性同位素电池

放射性同位素电池是20世纪60年代发展起来的一种新型电源。由于它具有寿命长、工作可靠、对环境适应性强、不需经常维护、结构紧凑、比容量高等优点,因而在空间、陆地海上、海底以及医学领域都有独特的用途。本文分析了热电型放射性同位素电池的特点、基本原理、主要构成,介绍了热电型放射性同位素电池在空间地球卫星、月面试验站、外层星际探测以及在地面、海下、医学等方面的广泛应用,并展望了放射性同位素电池在21世纪的发展应用前景。

同位素电池在探月及深空探测工程中应用的战略研究

放射性同位素温差电池(RTG)不受太阳光和其他环境条件的影响,可以同时为航天器提供电能和热能,是较理想的月球和深空探测电源。在介绍了RTG的工作原理,回顾了国外RTG的应用历史,评述了RTG的发展趋势之后,讨论了应用于深空探测的RTG在优化配置过程中应当考虑的一些问题,评述了深空探测RTG的技术关键,包括RTG设计、温差电换能器技术、同位素热源及其安全技术、热管理技术和电源管理技术。最后,提出了关于RTG发展战略的建议。

反应堆生产放射性同位素热源材料及其应用

可用于深空探测等领域的放射性同位素温差发电器利用半导体热电元件直接将放射性同位素的衰变热转化为电能。目前所使用的热源材料——放射性同位素238Pu具有半衰期适中、热功率密度较高、α衰变易于辐射防护等特点,已获得较为广泛的应用。本文简要介绍利用反应堆生产238Pu的途径以及分离、纯化过程。

同位素温差电源辐射器的散热特性研究

建立了同位素温差电源管肋式辐射器散热过程的耦合传热模型,采用热网络法结合蒙特卡罗法,数值模拟了辐射器的散热过程.分析了辐射器质量不变的条件下,肋片数、高度及表面发射率等参数的影响.研究结果表明,在管内第二类边界条件下,肋片数对辐射器散热性能的影响明显;肋片散热效率随表面发射率的增加而降低,随肋片高度的增加非单调变化,存在一最优值.

空间同位素发电体系的应用现状与展望

放射性同位素温差发电器（ＲＴＧ）自６０年代初以来，已成功地为空间发射任务提供动力。同位素温差发电器的安全性、可靠性和耐久性已经为其地球轨道飞行、月面科学试验和外层行星探索的多种应用而得到充分地证实。就能量转换体系而言，近年来人们为了提高热电转换效率，除继续改进“静态同位素发电体系”外，业已开始发展由通用型热源组件与封闭的布雷顿循环相结合的“动态同位素发电体系”。文中收集了本世纪９０年代由同位素发电体系供电的宇宙飞船发射时间表，并展望了同位素发电体系的应用前景。

放射性同位素温差电池的空间应用及前景分析

放射性同位素温差电池(RTG)不受太阳光照和环境条件的影响,是月球探测和深空探测任务较理想的电源选择。介绍了RTG的主要组成及工作原理,阐述了美国关于RTG的空间应用现状,并展望了RTG的未来发展趋势。

同位素温差电池用高效热电转换材料与器件研究进展

同位素温差电池(Radioisotope Thermoelectric Generator,RTG)自20世纪60年代以来在深空探测领域获得长期应用。综述了同位素温差电池的主要特点和关键技术,介绍了高效热电转换材料与器件最新研究进展,结合未来深空探测需求,提出同位素温差电池用热电转换材料与器件技术的发展思路。

空间核动力源的安全性研究进展

同位素热/电源以及空间核反应堆在深空探测任务中有重要应用。通过调研其技术特点以及国际上针对核能空间应用安全性的相关规范,研究了其空间安全性规范的法律法规。以ALRH(Apollo Lunar Radiosotope Heater,阿波罗月球任务同位素热源)、GPHS(General Purpose Heater Source,通用型热源)、LWRHU(Lighted Weighted Radiosotope Heater Unit,轻量放射性同位素热源)、MMRTG(Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator,多任务型放射性同位素电源)等同位素热/电源及俄罗斯热离子空间反应堆电源(TOPAZ-II型号)为例,结合美俄开展的同位素热/电源的系列安全性试验,重点关注了不同型号的试验及分析技术细节,并分析了同位素热/电源的空间应用安全评价方法,可为开展相关研发提供技术参考。

核动力深空探测器现状及发展研究

深空探测中,由于无法使用太阳能或者太阳能的利用效率太低,需要使用空间核电源。当前用于月球表面、火星表面、木星及以远的飞行任务中的核动力深空探测器,均利用的同位素核源衰变能,包括同位素热源用于温度控制和采用温差发电用于供电。研究中的深空探测核动力应用包括月球基地、载人火星飞行、无人探测、使用核反应堆裂变能等。空间裂变电源的反应堆包括液态金属冷却堆和气冷堆两种方式,前者支持温差、斯特林和布雷顿发电,后者支持布雷顿和磁流体发电。近期开始探索研究核聚变深空探测器。纵观核动力深空探测器的发展历程,同位素电源依然在深空探测中发挥着重要作用,大功率空间核电源结合电推进将成为未来深空探测的重要关注方向。

空间同位素热/电源安全性技术指标体系框架研究

基于我国空间同位素热/电源使用环境特点,借鉴国外空间同热/电源安全认证的研究成果,通过对空间同位素热/电源应用环境剖面的分析,开展了空间同位素热/电源安全技术指标体系框架研究,建立了覆盖同位素热/电源产品研制、地面贮存/运输、发射准备、发射、在轨运行及废弃处置等全生命周期的正常和事故环境下的安全性技术指标体系,提出四大类型29项可考核技术指标,可作为空间同位素热/电源研制和安全性使用评价工作的主要依据,为解决我国使用空间同位素热/电源缺乏安全认证体系和安全性验证技术指标问题提供参考。

同位素温差电源工作特性的数值研究

数值模拟了某型同位素温差电源的热电耦合工作过程,探讨了在温差材料常物性假设条件下环境温度、热源加热功率、表面发射率、肋片高度、肋片数等参数对温差电源工作特性的影响。结果表明,加热功率对电源内部的温度影响最明显,而环境温度、表面发射率及肋片参数对电源表面的温度影响显著;环境温度及表面发射率对温差电源电性能的影响作用较小;散热肋片安装后电源整体温度明显降低,输出电性能得到改善;较大的加热功率有利于提高温差电源的转换效率。

2004—2009年俄罗斯西北部放射性同位素热电发生器退役的风险和环境影响评价

从挪威和俄罗斯政府开展的核行动计划合作项目,放射性同位素热电发生器的技术和安全,拆除、转送、拆卸、储存、运输和处理等退役过程,假想事故场景,辐射监测,剂量,应急措施等方面对2004-2009年俄罗斯西北部放射性同位素发电器退役活动进行了风险和环境影响评价。RTG退役的风险和环境影响评价的实践,已证明RTG具有高稳定性以及在正常情况下放射性物质向环境释放的低潜在风险,退役过程中未曾发生放射性气体释放或物质泄漏事故。