微信号：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共6887字，92图。预计阅读时间：1小时。
放射性同位素电池
俗称：核电池、热核电池。在美国宇航局NASA刚刚确定的最新财年预算专项计划中，放射性同位素电池成为了年度研发的重中之重。
北极
玫瑰曼妙且白皙
在纤细的茎秆上
一呼一吸
少女美丽且迷离
在冬日的窗户上
勾画印迹
鸽子猛然跃起
闪电般地掠过
雪白的大地
清晨就是这样
梦幻般地唤起
少女的静怡
在大洋深处
有神秘岛屿
那里鲜花遍地
黄昏来临
万物入梦
寻找慰藉
寂静笼罩
怅然哭泣
泪眼凄迷
今夜，
玫瑰凋谢
散落成泥
明晨，
鸽子远飞
空留回忆
原作：瓦列里•勃留索夫 1896年1月8日
译作：小火箭 邢强 2018年5月24日
苏联对北极的探索和研究是义无反顾的，是拼尽全力的，也是留下了不少回忆的。
不过，就像在太空领域的竞赛一样，美国和苏联在极地探险与科学考察领域的竞赛也是激烈的。
公元1937年5月，苏联工程师伊万带领团队，在距离北极点仅20公里的冰面上，建立起人类第一座北极科考浮动站，是为北极1号站。
4位苏联工程师发扬一不怕苦，二不怕死的精神，硬是在北极点附近借助简陋的帐篷和用雪块堆砌的房屋生存了下来，并且取得了海洋学、气象学方面大量的第一手数据。
到1938年2月19日，伊万他们驻扎的那块浮冰已经碎裂为16块，他们随其中一块浮冰漂浮，到了格陵兰岛东海岸附近，被苏联破冰船泰米尔号救起，圆满完成任务。
此时，他们已经随那块不算大的浮冰，在冰冷的北冰洋海面，整整漂浮了2850公里！
美国人不甘示弱，一直积极准备极地探险，不过他们在对极寒天气的耐受能力方面，的确比苏联人稍微弱了一点。
不过，美国人有法子。他们不准备在冰上常驻了，而是决定派船去。
他们派出了美国有史以来的第3艘核潜艇SSN-578号。这艘水下排水量只有2894吨，长度只有81.57米的核潜艇，于1957年12月23日正式入役。
她携带美国寄予厚望的S3W核反应堆，在8位军官和76位海军士兵的操纵下，在1958年年底启航，奔赴北极。
8枚533毫米直径鱼雷（6枚前向，2枚后向）在冰冷的海水中，通过了可靠性测试。
公元1959年3月17日，SSN-578号核潜艇来到北极点冰盖下方。
84名官兵原本计划用鱼雷炸出大洞来测试武器系统在北极的运用情况，后来随艇工程师仔细分析和计算后，认为冰盖不算太厚，可以尝试用艇身直接破冰！
当日，艇长詹姆斯下令：
上浮！
沉闷的摩擦和撞击声很快就被清脆和绵长的冰面破裂声所代替，SSN-578号核潜艇在北极点冲出了冰面。
这是人类第一次驾驶航海船舶出现在北极点海面！
面对美国的领先，苏联工程师没有气馁，更没有停止发展的脚步。
公元1977年8月17日，赶在革命胜利60周年的时候，苏联核动力破冰船北极号，依靠她自身2.3万吨的体量和2台功率为171兆瓦的OK-900型核反应堆提供的强劲动力，一路破冰前行，到达了北极点。
小火箭风格：
换算过来，北极号核动力破冰船的总功率为46.5万马力。
就这样，在1977年，苏联的北极号核动力破冰船成为了人类第一艘到达北极点的水面船只。
从1937年苏联成功建立人类第一座长期驻留浮动科考站以来，苏联在北极建站的热情就一发不可收拾。
上图为苏联在北极建立31座浮动科考站的年代和存续时间图。在1950年到1990年，从未有过间断。苏联解体后，俄罗斯继续进行北极建站科考活动，从2003年恢复建设到现在，已经建设了十座。
什么也没能阻挡苏联/俄罗斯对极地的探索热情。
那么，问题来了：
在没有遥感卫星提供的地图数据和GPS星座提供的全球定位服务的上世纪50年代到70年代，苏联是如何搞定极地导航的？？
终于到了本文要说的第一个主题了：
核灯塔！
灯塔么，大家都很熟悉的，比如上图为1841年开工建造的灯塔的设计手稿。
按曾经的纪录，世界最高的灯塔是日本横滨的海洋塔。从塔基到塔顶，全高106米，全塔重1.2万吨。
不过，日本横滨海洋塔并非按传统方式设计和建造的灯塔，而且从应用层面来讲，该塔已经在2008年7月28日停止了灯塔功能，并在当年9月1日被从航路标识图中删除。
亚历山大灯塔位于埃及的亚历山大港对面的法罗斯岛上，因此也叫做“法罗斯岛灯塔”，是古代世界七大奇迹之一。
在前283年由小亚细亚的建筑师索斯特拉特设计，在托勒密王朝时建造。由于历史的模糊记载，预估高度115~140米之间。它在倒塌之前是仅次于胡夫金字塔和卡弗拉金字塔的世界第三高建筑物。
回到小火箭风格，我们不妨对世界最高的灯塔给出一些限定条件：
第一：该建筑本身在设计之初的本意就是用来做航海灯塔之用；
第二：至今仍在屹立；
第三：采用传统的砖木或者砖石结构制成。
加上这3个条件，小火箭找到了这样一座灯塔：
法国普鲁盖尔诺灯塔（左），全高82.5米，公元1902年建成，全部由石料垒成。
小火箭风格：
北纬48°38′20″N, 西经4°34′9″W
普鲁盖尔诺灯塔的内部螺旋楼梯结构。
苏联在上世纪30年代到70年代修缮和新建了大量灯塔，有效保障了北极科考与航运。
上图为建在加里宁格勒海岸边的灯塔。
灯塔为海上的安全航行提供了较为有效的保障。
但是，在苏联北极沿海地区，事情没有这么简单。
冰冷的海水拍击灯塔，远离人烟的地区难获补给。
在北极建灯塔，并成功运营下去，需要解决3大难题：
第一：北极地区极寒，普通设备难以可靠工作，此为高寒困难；
第二：北极地区光照条件较弱，全年有不短的时间甚至是没有阳光的极夜，难以使用太阳能技术来发电，此为无光困难；
第三：北极地区远离较大规模的城镇，甚至方圆数百里没有人烟，难以找到长期值守的工作人员来维护保养灯塔，此为无人困难。
怎么办？
用核能！
没错的，在苏联时期，很多工程问题，一旦遇到瓶颈，人们马上就会想到核能：
武器系统作战效能上不去怎么办？上核弹头！
防空导弹精度不够怎么办？ 自己在头顶爆一颗核弹来防空！
油田燃气大火，扑不灭怎么办？爆一颗核弹，封了那油田！
挖水库，工期太紧来不及，怎么办？爆一颗核弹，炸出个水库！
破冰船，功率不够怎么办？用核能！
探测器，飞太远，没电了可咋整？用核能！
灯塔，环境恶劣还没人维护，怎么办？ 用核能！
这是一座苏联时期曾经多次指引破冰船奔赴北极深处的功勋灯塔。
如今，这座灯塔已经被废弃，静静地矗立在海边，回首过往的种种传奇。
这座灯塔与之前咱们提到的埃及亚历山大灯塔、日本海洋塔、法国普鲁盖尔诺灯塔有什么区别呢？
咱们不妨走进去看一看！
饱经风霜的灯塔外墙
后人留下的印迹
灯塔里面的日志，记录了往昔的荣耀。这座在当年的系列灯塔中，罕有的具备长期有人值守条件的灯塔，拥有详细的记录，这些如今已经成为了珍贵的历史资料。
灯塔内部，硕大的放射性危险标志格外醒目！这里有放射性元素！
这就是几年前，人们从灯塔里取出来的灯塔能量之源，核电池！
苏联核电池的设计结构图：
核心部件为一块放射源，通常为锶-90。
放射性元素在衰变过程中放出热量，与环境亲密接触的散热片则相对冰冷。这样就产生了温差。核电池就是利用这样的温差来发电的。
对于已经掌握了核裂变技术的苏联来说，为什么不使用铀、钚这些传统放射源，而是非得青睐于锶呢？
| 制表：邢强 | 半衰期 年 | 产额（%） | Q keV |
| 155Eu | 4.76 | 0.0803 | 252 |
| 85Kr | 10.76 | 0.218 | 687 |
| 113Cd | 14.1 | 0.0008 | 316 |
| 90Sr | 28.79 | 4.505 | 2826 |
| 137Cs | 30.23 | 6.337 | 1176 |
| 121Sn | 43.9 | 0.00005 | 390 |
| 151Sm | 96.6 | 0.5314 | 77 |
通常放射性元素的第一次核衰变时间会较短，且放出的辐射能量较高，接近最后或倒数第二次衰变的辐射产物所放出的辐射能量通常较小，锶-90是少数的例外，拥有较长的半衰期（28.79年）。
而且锶-90衰变成钇-90的反应是个接近完美的典型β衰变，其中产生的伽玛衰变微不足道，通常是可以忽略的。
掌握了锶-90放射性同位素电池技术的苏联工程师，开始大量在苏联灯塔中安置核能系统，并且很多新建的灯塔一开始就围绕核电池来设计，并且能够前沿布置在以前想都不敢想的远方。
核电池，一旦启动，就能够可靠使用将近30年（实际上，经常会超期服役，而且超期服役的结果仅仅是输出功率的降低）。
横移看全图，苏联核灯塔重点布置地区↑
苏联对核灯塔的建设开始一发不可收拾：一口气建了1008座核灯塔！
从巴伦支海北面到神秘的远东，绵延不断的北极冰川，见证了核灯塔的崛起。
1963年9月，苏联N级（627A型）核潜艇K-181号执行北冰洋冰盖下的水下航行任务。
公元1963年9月29日，K-181号在北极点上浮，破冰而出。
当然，历史上的很多事情，我们不必在今天重提了。核电池技术自有其进化与发展的命运。
如今，随着全球定位系统的发展，核灯塔已经完成了她的历史使命。
1008颗核电池，在逐步拆解和销毁。
上图为挪威专门在斯托尔斯科格边境检查站放置的辐射探测器。这些探测器用来阻止来自俄罗斯科拉半岛的放射源流入挪威境内。
标准
锶-90核电池，的确好用。
但是，后来人类对锶-90有了新的认识：这家伙对人类的影响太大了。
上世纪60年代和70年代，美国牙医露易丝女士，发放了25万份表格，收集到了8.5万颗儿童自然脱落的乳牙。
上图为每个捐赠乳牙的儿童会收到的一枚“科学勋章”，上面写着：
我把我的牙齿献给了科学。
露易丝医生的研究结果公布出来，让世界为之触动：
1963年后出生的儿童乳牙中的锶-90的含量比1963年前出生者高出整整50倍！
要知道，锶-90在自然环境中，含量极其微小。大部分锶-90来自于人类的核试验。
时任美国总统肯尼迪在读了露易丝医生的报告后，决定和苏联好好谈一谈。
最终，为了孩子，为了子孙后代，美国和苏联第一次在核试验领域达成共识，双方共同停止了在大气层内进行核试验的计划。
作为核电池能量来源的锶-90，还在继续使用中。
上图为美国以锶-90为核心的放射性同位素电池作为能源的浮标。
不知旁边小船里面的游客如果知道了这座浮标里面有一大堆放射性元素的话，还会不会那么淡定地在浮标旁边玩耍。
苏联用大量核灯塔，美国有不少核浮标。他们不约而同地使用着锶-90核电池。这些电池的重量从851公斤到2723公斤不等。
不过，露易丝医生的报告影响是巨大的，为了让锶-90核电池尽量不对子孙后代产生影响，美国和苏联制定了有关锶-90核电池的严格的技术标准，小火箭统计如下：
第一：核电池的外壳必须由高强度哈式合金或与之性能相当或比其更优的合金制成；
（小火箭注：哈式合金是一种镍铬钼合金，具有非常优秀的耐腐蚀性能。即使是在湿氧、亚硫酸、醋酸、甲酸和强氧化盐的介质中，哈式合金也能够保持出色的耐蚀性、耐均匀腐蚀性及耐晶间腐蚀性。）
第二：制成的核电池，包裹着锶-90核心，要能够耐受805℃的高温烘烤而不产生严重的形变；
第三：把整块电池搬到9米高的地方，然后松手，让核电池自然坠落，摔到钢筋混凝土表面，电池壳体不得开裂、破损；
第四：把一枚7公斤重的尖头钢钎举到1米高度，向核电池扎去，外壳不应被刺破；
第五：把核电池放到100MPa的高压环境中，外壳依然坚固可靠，不变形、不泄漏；
第六：炙烤核电池到最高允许工作温度，然后立刻把电池扔到0℃的冰水混合物中，连续监测10分钟，未发现任何泄漏情况，才算合格。
核电池的检测合格标准给小火箭留下了深刻的印象。
我对此有两个感想：
首先，这标准要是能够用在未来的手机和平板电脑上，那就厉害了；
其次，我倒是很好奇，当年会有哪些工程师来自告奋勇，抱着核电池做这样一系列试验啊！
以锶-90为核心的核电池面临着严格技术标准的限制，需要使用异常坚固的外壳，这就限制了她在太空领域的使用。
工程师们对核能的诱惑是无法抵挡的，于是，很快大家又找到了钚-238这种物质。
钚-238的半衰期为87.74年，比锶-90的28.79年要长。她会放出大量的热，伴随着低能的伽马和自发裂变射线/粒子。
钚-238是α辐射体，辐射性特别强，但是其辐射的穿透性又特别低，对防护设施的要求不高。实际上，只需一张A4纸就能够挡住钚-238放射出的大部分α粒子。
（提醒：这是专业机构测试的数据，不得在家自己这样尝试）。
上图为一块被自身放射性衰变产生的热量烤得通红的钚-238（二氧化钚）。
自1959年，美国就从美国海军的早期导航技术验证卫星上尝试使用了核电池。
而对钚-238的成功应用，终于让工程师们尝到了甜头。
太空环境与苏联北极灯塔环境之间，有不少相同点：
远离人烟，无法经常派人来维护设备；
在没有阳光照射时，非常寒冷；
要求长时间可靠工作，基本要求是10年以上的无人值守。
于是，核电池在太空领域的应用是理所应当的。
上图为阿波罗12号飞船的宇航员正在小心翼翼地取出一块钚-238核电池，准备放置在月球表面。摄于1969年11月19日。
嗯，是的，在1969年7月阿波罗11号飞船实现人类首次登月之后4个月，人类就实现了重返月球。不过，今天来看，最近的重返月球活动，还需要再等好几年。
这是阿波罗14号飞船的宇航员在把一块钚-238核电池与月球表面的设备用电线连起来之后拍的照片。摄于1971年2月5日。
公元1997年10月15日，协调世界时上午8点43分，携带着惠更斯着陆器的卡西尼探测器由大力神4B运载火箭在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场第40号工位发射升空。
这场推迟多次的发射终于在这一天将卡西尼探测器送上了漫漫征程。
1999年8月18日，卡西尼探测器先后飞掠月球和地球。这两次飞掠，可谓惊心动魄。卡西尼探测器到月球的最近距离只有37.7万公里，已经小于了地球到月球的平均距离。而卡西尼探测器飞掠地球时，到地球的最近距离仅有1171公里！这个距离接近于地球直径的1/11。
另外，小火箭强调的是，这种行星间的飞行，任务强度非常大，卡西尼飞掠地球的这次擦肩，距离她上一次与金星的亲密接触仅55天！
为什么叫惊心动魄呢？这就得从卡西尼探测器身上带着的神秘能量来源说起了。土星到太阳的平均距离为9个天文单位（也就是地球到太阳距离的9倍）。太阳能帆板接收太阳辐射的能量与电池板到太阳距离的平方成反比。
这样来算的话，环绕土星的探测器如果使用太阳能帆板的话，其产生电能的效率将仅仅是环绕地球的同等规格太阳能帆板的1.23%。而受运载火箭能力的限制（实际上即使运载火箭能力足够，科学家也更倾向于把更多的重量指标分配给用于观测土星及其卫星的各种仪器设备），卡西尼探测器不能带着面积巨大的太阳能帆板。
于是，工程师们打起了核能源的主意。卡西尼探测器上并没有太阳能帆板。整个卡西尼探测器在将近20年的飞行过程中，几乎所有的电能都来自于3块核电池。上图就是卡西尼的核电池。
这些核电池的核心部件是以二氧化钚形态存在的足足有32.7公斤重的钚-238。
实际上，依附在卡西尼探测器上面的惠更斯着陆器在奔向土星的漫漫征程中也同样依靠卡西尼身上的这些核电池的电力。只有在分离之后，惠更斯才会启动自身的化学电池系统，这就是后话了。（整个系统有120个核装置。）
上图为环境工程师詹米在这些钚核电池装在卡西尼探测器上之前，做最后一次辐射测量时的场景。
工程师们正在小心翼翼地为卡西尼探测器安装核电池。
也就是说，在1999年的8月18日，太空中有32.7公斤的钚-238以每秒10公里以上的速度在地球上方1171公里的地方与地球擦肩而过。
NASA是做过最坏的打算的。一旦卡西尼探测器这次飞掠的弹道没能计算正确，或者期间出了其他一些意外，这些钚就有可能再入地球稠密大气层。
当时地球总人口是50亿人，这些钚-238如果泄露出来的话，其辐射量换算成罹患癌症的比例，相当于5000人会因此而遭殃。
当然，发生这种悲剧的概率经多方计算，被认定为低于百万分之一，而且NASA在飞掠弹道这方面，几乎还没怎么失过手，当年如果把钚-238的事情公布出来反而会引起不必要的恐慌，因此有关1999年那次飞掠地球的引力弹弓没有引起大家的广泛注意。
如今，卡西尼探测器已经寿终正寝，此时说起这些倒也无妨了吧。
在1999年在世的，地球上的所有生物，都为了探索未知的事业承担了一定程度的风险。从这个角度来说，大家都对卡西尼探测器的成功有所贡献。
这是保存在博物馆内的先驱者H号探测器。这艘探测器原本被命名为先驱者12号，但是因为种种原因，并未被发射到太空。
熟悉小火箭前文讲述的苏联核灯塔的核电池结构的好友，应该一眼就能看出先驱者H号伸出的两只触角顶端的，就是核电池。
从这个结构设计上，我们能够体会到上世纪70年代，工程师想要使用核电池，但是又对核电池的威力有着十足的敬畏的心情。
到了新视野号探测器的时候，同样是使用核电池，不过人类工程师此时已经自信多了。
2公斤重的核电池，其提供的功率可以和300公斤重的镍镉电池相匹敌，而且使用寿命能够在35年以上。
如果有一天，外星人捕获了人类的深空探测器，小火箭期望他们能够从核电池上体会到人类的文明。
没错，人类也曾愚蠢地把暴力用于同类，只有在相互的核武器能够把人类摧毁数十遍的恐怖威慑下，才保持着脆弱的和平。
但是，要知道，人类用难以置信的韧劲和强烈的好奇心，以柔弱的身躯常驻南极和北极；以人类的智慧，用核能点亮了极寒之地的长明灯塔；人类多病，但是以钚-238核电池驱动的心脏起搏器，仅40克的重量，1.7厘米×4.5厘米的尺寸，就能让心跳长期维持在75次/分钟的水平。
全文完。
2018年5月23日至27日，于银河·太阳系·地球
《孤独的船》
孤帆一只
航行海面
既不寻找幸福
也不逃避快乐
心无所系
只身前行
畅游蔚蓝大海
沐浴金色阳光
不惧未来
不念过往
坚韧内心之外
一切皆为浮沫
原作：莱蒙托夫
译作：小火箭 邢强
相关阅读：
版权声明：
本文是邢强博士原创文章。欢迎朋友圈转发。
微信号：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
欢迎 加入 小火箭 ，进入航空航天大家庭！
针对iOS系统的打赏二维码已经补充↑↑↑。
感谢您对小火箭的支持！