空間同位素?zé)峁夥D(zhuǎn)換技術(shù)研究現(xiàn)狀

林文立，邵劍雄，田 岱，楊愛香，湯亮亮，邱家穩(wěn)

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100090；2.蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730000)

在我國目前已經(jīng)實(shí)施的空間探測任務(wù)中，航天器的主能量源為太陽能電源。太陽能電源是一種依靠光伏電池在任務(wù)期間吸收太陽光能，通過光電轉(zhuǎn)換過程實(shí)現(xiàn)電能輸出供航天器使用的供電裝置，其供電能力強(qiáng)烈依賴于航天器空間位置處的光照強(qiáng)度。隨著航天器空間位置逐漸遠(yuǎn)離太陽，單位面積的太陽光強(qiáng)隨距離呈平方衰減，太陽能供電的能力將急劇下降[1-2]。若進(jìn)行月球背面或地形復(fù)雜區(qū)域的探測，太陽能將不能全天候應(yīng)用。

2030 年前后我國探月工程四期任務(wù)將建成月球科研站基本型，其面臨南極低溫、復(fù)雜地形和靈活用電等問題。未來5～10 年內(nèi)，我國將陸續(xù)啟動木星、小行星、行星際穿越探測等更遠(yuǎn)目標(biāo)的深空探測項目。探測距離越遠(yuǎn)，太陽電池板的面積需等比例擴(kuò)大，若進(jìn)一步考慮光伏電池低溫低光強(qiáng)效應(yīng)(LILT)[3-4]、更長的軌道轉(zhuǎn)移周期帶來的衰減效應(yīng)，所需的太陽電池板面積還會更大，有必要考慮空間核電源的使用。

空間核電源可以實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，通過熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)將核熱能轉(zhuǎn)換為電能供航天器使用的裝置，其具有電功率輸出穩(wěn)定、工作周期長等特征，不依賴于空間光照環(huán)境；同時，電源系統(tǒng)排出的廢熱，可用于對航天器其他部件進(jìn)行保溫，是開展深空探測任務(wù)的理想能量源[5-6]。

空間核電源可以分為空間反應(yīng)堆電源和空間同位素電源兩種?；诤肆炎兎磻?yīng)的物理特性，反應(yīng)堆電源最小電功率規(guī)模在千瓦級，David 等提出了一種解決火星表面能源問題的3～20 kW 火星表面熱管堆及其轉(zhuǎn)化裝置的設(shè)計方案HOMER，其采用熱管反應(yīng)堆與斯特林轉(zhuǎn)換裝置相結(jié)合的星表核電源設(shè)計方案，能夠與3 kW 的斯特林動力系統(tǒng)相耦合[7]；John 等提出了21 世紀(jì)以來國際上唯一進(jìn)行研發(fā)的千瓦級空間核反應(yīng)堆電源Kilopower，它的研發(fā)設(shè)計針對未來太空運(yùn)輸和星表電力應(yīng)用，是以反應(yīng)堆為熱源、熱管為熱能傳輸部件，利用斯特林發(fā)電機(jī)發(fā)電的小型裂變電力系統(tǒng)，用于提供1～10 kW 的功率，比功率為2.5～6.5 W/kg[8-9]；由于千瓦級核反應(yīng)堆電源需額外配備大質(zhì)量的輻射屏蔽層、大面積的大功率輻射散熱裝置，在現(xiàn)階段受到運(yùn)載火箭能力限制以及幾何尺寸的約束，空間反應(yīng)堆電源在輕小型化方面面臨較大工程難度，短期內(nèi)不易具備直接服務(wù)深空探測任務(wù)的條件。

空間同位素電源以衰變能為能量來源，以α 衰變?yōu)橹鱗10]，不需要額外的輻射屏蔽層，同時系統(tǒng)以百瓦級能量規(guī)模為主，不需要大面積散熱裝置，是開展深空探測任務(wù)的能量選擇之一。自1965 年至今，美國NASA 先后在衛(wèi)星、首次登月、月面試驗站、木星探測、外行星探測、火星探測等31 項任務(wù)中，均使用同位素電源，最大電功率達(dá)到470 W[11-14]。1977 年發(fā)射的旅行者號，因為安裝了同位素電池，到現(xiàn)在仍然在工作，據(jù)估計，旅行者號剩余的核燃料，還可以繼續(xù)支撐旅行者號工作到2030 年。因此，開展空間同位素電源的研究對于我國深空探測事業(yè)的發(fā)展是十分有意義的。

當(dāng)前同位素電源面臨的主要問題是核源的不足以及長時間運(yùn)行下的長壽命高可靠問題?？臻g同位素電源普遍使用的Pu-238 核源，其制備需要從核廢料中提取原料、制靶通過核反應(yīng)堆輻照分離產(chǎn)生，由此導(dǎo)致Pu-238 核源生產(chǎn)困難，國際上只有美國、俄羅斯批量生產(chǎn)，引進(jìn)價格高昂[14-15]。因此，提高同位素電源系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率，減小核源用量成為重點(diǎn)發(fā)展方向。月球科研站建造及木星以遠(yuǎn)深空探測任務(wù)周期比較長。因此，在突破高效率熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的同時，必須兼顧工程任務(wù)長壽命高可靠的需求。

目前，國際上公認(rèn)的適用于同位素電源系統(tǒng)(電功率規(guī)模1 kW 以下)的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)主要包括[7]：溫差技術(shù)、斯特林技術(shù)、熱光伏技術(shù)等。其中，溫差技術(shù)已有空間應(yīng)用經(jīng)驗，其效率為6.8%(空間應(yīng)用水平)，技術(shù)成熟度高；斯特林技術(shù)效率可達(dá)25%以上(工程樣機(jī)水平)，但運(yùn)動部件帶來的可靠性問題導(dǎo)致斯特林系統(tǒng)在長壽命實(shí)現(xiàn)方面不可避免地面臨更多挑戰(zhàn)；熱光伏技術(shù)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15%～20%[16](原理樣機(jī)水平)，具備靜態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)的長壽命特征。其轉(zhuǎn)換效率高、靜態(tài)工作穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可有效降低戰(zhàn)略級資源Pu-238 的用量，緩解核源生產(chǎn)壓力并降低飛行任務(wù)成本。因此，熱光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)是同位素電源發(fā)電技術(shù)未來發(fā)展的重要研究方向，具有重要的研究意義以及廣闊的應(yīng)用前景。

本文將簡述同位素?zé)峁夥娫醇夹g(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述國內(nèi)空間熱光伏同位素電源的研究進(jìn)展，并簡要分析其未來研究發(fā)展趨勢。

1 同位素?zé)峁夥夹g(shù)(RTPV)國際研究現(xiàn)狀

同位素?zé)峁夥娫碵16](radioisotope thermophotovoltaic,RTPV)主要由同位素?zé)嵩?RHU)、輻射發(fā)射器、濾光器、光伏電池、熱控散熱裝置及結(jié)構(gòu)件組成。

其發(fā)電原理及過程如圖1 所示，同位素?zé)嵩大w(RHU)的衰變能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱包裹在其外表面的輻射發(fā)射器，達(dá)到1 000～1 200 ℃，輻射器在高溫下發(fā)出的光經(jīng)濾光器光譜選擇后，高于禁帶寬度有效波段的光大部分被PV 光伏電池吸收，轉(zhuǎn)化為電能輸出，低于禁帶寬度的光則反射回?zé)嵩?，增加熱源工作溫度，以此?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效率發(fā)電。

圖1 同位素?zé)峁夥娫碦TPV系統(tǒng)概念

從20 世紀(jì)90 年代開始，NASA 就已開展了空間同位素?zé)峁夥娫吹难芯?，?jīng)歷了方案設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、原理樣機(jī)及工程樣機(jī)研制等階段，呈現(xiàn)出任務(wù)牽引明確、研究體系完整等特點(diǎn)。

1994 年，以JPL 實(shí)驗室冥王星快速飛越探測任務(wù)為背景，F(xiàn)airchild Space and defense Corporation(后更名為Orbital Sciences Corporation)進(jìn)行了基于通用同位素?zé)嵩?general purpose heat source,GPHS)模塊(熱功率500 W)的樣機(jī)設(shè)計及研制，系統(tǒng)設(shè)計圖如圖2所示。該樣機(jī)設(shè)計以一維數(shù)值模型為基本出發(fā)點(diǎn)，將系統(tǒng)能量傳遞過程簡化為兩個平行面之間的輻射換熱過程，采用遺傳算法進(jìn)行了熱光伏系統(tǒng)數(shù)值分析，設(shè)計效率26.8%，原理樣機(jī)效率15.1%[17]。

圖2 500 W同位素?zé)峁夥到y(tǒng)設(shè)計圖[17]

之后，進(jìn)行了10～30 W 小型電源設(shè)計，理論效率13.8%[18]。1996 年，Glenn Research Center(GRC)受NASA 委托，研究合金型選擇性輻射器在系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)計效率16%，通過優(yōu)化預(yù)計可實(shí)現(xiàn)21%的效率[19]。

2003年起，NASA加大對RTPV系統(tǒng)的研究投入，進(jìn)入關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。2007 年，GRC 研制了基于熱功率為250 W 的GPHS 標(biāo)準(zhǔn)熱源模塊熱光伏系統(tǒng)，采用0.6 eV 禁帶寬度的InGaAs 電池，如圖3 所示，在熱源溫度1 077 ℃條件下，實(shí)測系統(tǒng)效率達(dá)18%以上[19]。2009 年，根據(jù)銥、錸、鎢及其合金發(fā)射率特征，研究了金屬材料輻射發(fā)射器對系統(tǒng)效率的改善[20]，如圖4 所示，發(fā)現(xiàn)鎢和粗糙的鉭輻射器可以用于提高系統(tǒng)發(fā)電效率。

圖3 GRC研制的250 W同位素?zé)峁夥到y(tǒng)[19]

圖4 NASA設(shè)計的240 W 同位素?zé)峁夥到y(tǒng)[20]

2012 年，在NASA 空間熱光伏同位素電源研制取得連續(xù)突破進(jìn)展的基礎(chǔ)上，DARPA(美國國防高級研究計劃局)開始支持小功率瓦級熱光伏同位素電源研究[21]。2015 年，形成瓦級熱光伏同位素電源樣機(jī)，熱源功率30 W，實(shí)現(xiàn)了2～3 W 的電功率輸出，熱電轉(zhuǎn)換效率7.5%～10.6%，具體見圖5。同時，研究了中子輻照對光伏電池性能的影響，其年衰減率約為1%。2016 年，完成了工程樣機(jī)的非核測試，預(yù)計涉核試驗將在洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室進(jìn)行[16]。

圖5 DARPA研制的瓦級小功率熱光伏同位素電源及測試結(jié)果[21]

總的來說，美國從1994 年起持續(xù)推動熱光伏空間同位素電源發(fā)展，20 年間完成了從方案設(shè)計到關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)到原理樣機(jī)測試的研制過程。目前已經(jīng)完成小尺寸工程樣機(jī)，準(zhǔn)備利用核源進(jìn)行測試。表1給出了熱光伏同位素電源系統(tǒng)的主要指標(biāo)，從中可以看出：通過系統(tǒng)級的優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換效率20%以上，充分證明了熱光伏空間同位素電源系統(tǒng)的先進(jìn)性。系統(tǒng)效率的提升一方面依靠與光電器件發(fā)展帶來的光譜調(diào)控效率的提升，同時也得益于系統(tǒng)級熱控措施以及絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化[20]。在熱源輻射材料選擇方面，主要選擇以鎢、鉭等高溫難熔金屬為主。近年來還發(fā)展了基于表面微結(jié)構(gòu)的輻射發(fā)射器技術(shù)[22]，通過人工設(shè)計的光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輻射光譜能量分布的調(diào)控，可以進(jìn)一步提高光譜調(diào)控的效率。

表1 國際熱光伏式空間同位素電源樣機(jī)主要參數(shù)

2 國內(nèi)空間同位素?zé)峁夥順訖C(jī)研究現(xiàn)狀

我國同位素電源研究始于20 世紀(jì)70 年代，主要集中于溫差式和斯特林式同位素電源方向。1971 年研制了釙-210 溫差式同位素發(fā)電(RTG)裝置，效率4.2%，電科集團(tuán)持續(xù)研究RTG 技術(shù)[12]。2006 年，中國原子能科學(xué)研究院研制基于Pu-238 的溫差式同位素電源，功率百毫瓦，效率3%[12]。2012 年，上海應(yīng)物所研制基于Sr-90 的溫差式同位素電源，效率1%。在我國的嫦娥三號探測任務(wù)中，為了保證嫦娥三號著陸器和月球車在低溫環(huán)境下能夠正常工作，配置了同位素核熱源Pu-238，為探測器提供一個穩(wěn)定的恒溫環(huán)境。2018 年12 月，我國發(fā)射的嫦娥四號探測器中首次采用中電十八所和中國原子能科學(xué)研究院聯(lián)合研制的溫差式同位素電源進(jìn)行輔助供電(約2 W)，熱電轉(zhuǎn)換效率僅有3%。2023 年，由航天五院510 所研制的空間高效自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗裝置，在中國空間站夢天實(shí)驗艙首次完成了在軌測試和三次在軌試驗，在軌測試時裝置熱冷端整機(jī)全程運(yùn)行穩(wěn)定，性能指標(biāo)超出預(yù)期驗證目標(biāo)。

針對于熱光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)，國內(nèi)研究主要圍繞太陽能聚焦熱光伏及燃燒器熱光伏系統(tǒng)展開，同時一些單位進(jìn)行了單器件研究。南京理工大學(xué)宣益民課題組針對GaSb 電池研制了一維選擇性光子濾波器，對GaSb 電池有較好的光譜過濾特征[23]；對太陽能TPV 系統(tǒng)進(jìn)行了建模，達(dá)到對太陽光譜進(jìn)行調(diào)控提高太陽電池極限效率的目的[24]；陳雪等基于地面(太陽能、燃燒熱)熱光伏研究基礎(chǔ)，進(jìn)行了熱管換熱條件下散熱研究[25]。清華大學(xué)研究了GaSb 電池表面二維矩陣光柵以增強(qiáng)近場效率[26]；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)葉宏等對太陽能熱光伏及燃燒熱光伏系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗，并進(jìn)行GaSb 性能方面的研究[27]。中科院蘇州納米所研制了0.60 eV -InGaAs 電池[28]；吉林大學(xué)張寶林和東華理工大學(xué)彭新村課題組對0.53 eVGaInAsSb電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計并分析了溫度升高的性能衰退效應(yīng)[29]；昆明理工大學(xué)汪宇課題組通過分析吸收模型研究了0.72 eV-GaSb 和0.53 eVGaInAsSb 電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究了多種因素對薄膜電池效率的影響[30]。

在以空間任務(wù)為背景的熱光伏同位素電源系統(tǒng)級樣機(jī)層面，國內(nèi)的相關(guān)研究和報道很少?？傮w設(shè)計部與蘭州大學(xué)合作，結(jié)合空間應(yīng)用任務(wù)需求，研制了熱光伏空間同位素電源系統(tǒng)樣機(jī)，主要包括模擬熱源、輻射器、濾光器、光伏電池、熱控五個模塊。以通用標(biāo)準(zhǔn)熱源(250 W PuO2)構(gòu)型為基礎(chǔ)，開展了空間同位素電源總體設(shè)計及系統(tǒng)級熱光伏耦合分析設(shè)計等工作。

為了提升系統(tǒng)的熱光電轉(zhuǎn)化效率，對選擇性輻射器、一維光子晶體濾光器、光伏電池進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)。

(1)選擇性輻射器

為了提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，輻射器發(fā)射的光譜應(yīng)與光伏換能元件的量子效率相匹配，即在光伏電池有用波段(1～2 μm)的發(fā)射率盡可能高，無用波段(>2 μm)發(fā)射率盡可能低，這樣的輻射器稱為選擇性輻射器?？紤]輻射器的耐高溫性，選擇耐高溫的金屬合金材料作為輻射器。

鎢、鉭等金屬材料有很高的熔點(diǎn)，可以在900～1 000 ℃下保持穩(wěn)定工作狀態(tài)。圖6(a)給出了金屬鎢、鉭、硅以及氧化鋁的發(fā)射率，從中可以看出，金屬材料發(fā)射率低，并且具有較好的選擇性。輻射器溫度為1 100 ℃時，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射光譜中可用波段光的能量比例占輻射總能量的40%以上。因此，在樣機(jī)中，選擇鎢、鉭作為輻射器，其加工實(shí)物圖如圖6(b)所示。

圖6 耐高溫材料發(fā)射率對比(a)和輻射器實(shí)物圖(b)

(2)濾光器

濾光器可對到達(dá)光伏電池的光譜再次進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)輻射器光譜與后端電池晶元量子效率高度匹配，其主要使光伏電池可用波段光譜高通，不可用波段光譜高反射，再次被利用以提高熱源溫度，同時減輕電池晶元散熱壓力。一維光子晶體濾波器具有較好的光譜控制特性，結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)大面積加工?？捎媒殡姵?shù)比很大的Si/SiO2組合來實(shí)現(xiàn)，具有很好的全方位光譜特性，并且這兩種材料在近紅外波段的吸收非常小。

圖7 為課題組研制的大面積一維光子晶體濾光器，通過優(yōu)化設(shè)計，消除了透射窗口中透射率隨波長的劇烈波動，透過率穩(wěn)定保持在90%以上，并可對更長波長的紅外光有較好的反射作用，濾光器的透射率曲線測量結(jié)果見圖7(b)所示。

圖7 一維光子晶體濾光器實(shí)物圖(a)和濾光器透過率測試結(jié)果(b)

(3)光伏電池

根據(jù)同位素?zé)峁夥到y(tǒng)熱源溫度及輻射器發(fā)射光譜的特性，目前主流應(yīng)用的光伏電池有兩種：GaSb和InGaAs。GaSb 電池在0.8～1.8 μm 有較高的量子效率，InGaAs 電池在0.8～2.2 μm 有較高的量子效率，國內(nèi)InGaAs 電池沒有系統(tǒng)的生產(chǎn)線。近幾年，蘭州大學(xué)建立了專業(yè)的紅外晶元實(shí)驗室，具備多種鍍膜、光刻、擴(kuò)散、退火、劃片等一系列專業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，可完成晶元研制或生產(chǎn)所有工藝步驟，研制的GaSb 晶元，在提高晶元填充因子的同時，保證了晶元短路電流在穩(wěn)定值，如圖8 所示。

圖8 制備GaSb電池主要工藝流程及成品

圖9 為課題組制備的GaSb 電池樣品，單個電池大小為1.0 cm×1.5 cm 放置在鋁背板上串并聯(lián)形成電池陣列。經(jīng)測試，單個電池樣片的外量子效率集中在0.3～1.8 μm 波段，轉(zhuǎn)換最高峰在72%至81%，在同等熱輻射條件下，優(yōu)于進(jìn)口晶元樣片指標(biāo)。

圖9 GaSb晶元實(shí)物圖(a)和晶元量子效率測試值(b)

在以上關(guān)鍵器件研制和測試的基礎(chǔ)上，研制了同位素?zé)峁夥到y(tǒng)原理樣機(jī)，如圖10 所示，經(jīng)測試，樣機(jī)熱源功率為232 W，熱源溫度為1 198 ℃，發(fā)電效率為15.2%。

圖10 熱光伏原理樣機(jī)實(shí)物圖

3 國內(nèi)外空間應(yīng)用研究現(xiàn)狀對比

國際上RTPV 的空間應(yīng)用研究，NASA 走在前列，得益于光電器件發(fā)展帶來的光譜調(diào)控效率提升，及系統(tǒng)級熱控和絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)20%以上的系統(tǒng)發(fā)電效率。

國內(nèi)，五院總體設(shè)計部和蘭州大學(xué)多年來進(jìn)行了空間熱光伏同位素電源系統(tǒng)研究，經(jīng)歷了機(jī)理研究、方案設(shè)計、單晶元樣機(jī)研制、系統(tǒng)仿真、面向空間應(yīng)用的原理樣機(jī)研制等階段，逐步做到15.2%的樣機(jī)發(fā)電效率，但與國際上研究相比，仍有一定差距，體現(xiàn)在：(1)對核心熱源的絕熱設(shè)計仍需改進(jìn)；(2)進(jìn)一步提升熱源的有用光譜發(fā)射效率。

4 總結(jié)

熱光伏技術(shù)兼具靜態(tài)工作穩(wěn)定性好和發(fā)電效率高的特點(diǎn)，是深空探測同位素電源技術(shù)的有效選擇。本文對當(dāng)前國際上航天領(lǐng)域主要的同位素電源技術(shù)進(jìn)行簡要介紹，重點(diǎn)對同位素?zé)峁夥夹g(shù)的國內(nèi)外進(jìn)展進(jìn)行了分析。

目前，在以空間任務(wù)為背景的熱光伏同位素電源系統(tǒng)級樣機(jī)層面，國內(nèi)的相關(guān)研究和報道很少。五院總體設(shè)計部和蘭州大學(xué)共同研制的熱光伏空間同位素電源系統(tǒng)，原理樣機(jī)測得發(fā)電效率15.2%。但在系統(tǒng)級能量率的利用優(yōu)化和熱電轉(zhuǎn)換效率方面與NASA 研究相比，仍有一定差距，需通過進(jìn)一步研究加以改進(jìn)。

未來應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行以下幾方面的研究：(1)通過同位素?zé)峁夥娫吹臋C(jī)-熱-光-電耦合優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的效率提升；(2)根據(jù)空間應(yīng)用需求，開展百瓦級熱光伏空間同位素樣機(jī)研制；(3)開展同位素?zé)峁夥到y(tǒng)長周期性能演化研究，為未來工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。