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        水下觀探測裝備核供能方案的思考

        發布時間:2022-08-11 10:30:53  |  來源:中國網·中國發展門戶網  |  作者:彭子龍 等  |  責任編輯:殷曉霞


         中國網/中國發展門戶網訊  海洋是生命的搖籃,資源的寶藏,風雨的溫床,貿易的通道,國防的屏障。海洋作為地球系統的重要組成部分,是全球氣候變化和生態環境變化的主要驅動力。海洋關乎絕大多數國家的國家安全及油氣、礦產等重大資源權益,更關乎世界和平、全球氣候變化、人類生存與發展等全人類共同面臨的前途命運問題。

        遺憾的是,人類對海洋的認知還遠遠不能滿足應對上述重大問題的需要。作為海洋大國,我國擁有約1.8萬公里的海岸線,近300萬平方公里的藍色國土。近年來,我國在海洋領域的科技水平得到了較快提升,但與海洋強國相比整體上還有很大差距,急需高水平科技創新的支撐保障,以滿足經濟社會發展和國家安全的重大需求。在2021年發布的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中,“積極拓展海洋經濟發展空間”單列一章,并明確提出“培育壯大海洋工程裝備”“加強深海戰略性資源和生物多樣性調查評價”“推動構建海洋命運共同體”。

        長時穩定供能是海洋水下觀探測裝備的核心挑戰之一

        認知海洋,就必須深入海洋。人類目前正處在無人與載人裝備觀探測并行快速發展的階段,未來必將走向深/遠海載人駐留觀測——通過建設深海原位實驗室甚至海底城市,開展“更廣、更深、更精、更久”的接觸或原位觀測與研究。得益于21世紀以來材料、能源、導航定位等技術的不斷發展,海洋原位觀測與現場實驗的技術和裝備研發正不斷取得突破;但是,受海水介質的密度等內稟性質約束,時至今日海洋仍然是人類對自身所生活星球認知中的短板之一。

        海洋水下觀探測裝備通常是一個有限空間、有限重量的耐壓密閉體,除了直接面臨著壓力(每增加10米深度即增加約1個大氣壓)、腐蝕(包括海水和海洋生物腐蝕)、通信(高度依賴聲波)等特殊環境困難外,其能源系統不僅須滿足可靠性、安全性、耐低溫、抗震動等條件,還受到體積和重量的強約束,由此也制約了裝備的有效觀測時長。

        具體而言,①對于小型水下移動裝備(如水下滑翔機、Argo浮標、長航程AUV等),其能源需求以能量型為主,其能源系統不要求瞬間大功率,但需要較高能量密度,可長期穩定安全使用;②對于需要長期值守的水下固定裝備(如潛標),一般采用一次性電池作為其能源來源,其能源系統需要長壽命周期和高可靠性;③對于需要高速機動的水下裝備,由于要滿足推進器等大功率機構的用電需求,其能源需求以功率型為主,其能源系統需要能夠提供持續的大電流輸出;④對于載人潛器,其能源需求主要以安全性為主。圖1和2總結了各種海洋水下裝備的供能功率需求和各種能源的適用范圍。

        目前,絕大多數水下觀探測裝備使用電池(各類的一次/二次電池、燃料電池)供能,其中一次/二次電池的比能量密度普遍在230Wh·kg-1以下:用于載人潛器的最大生命支持時間不超過143h(法國的“鸚鵡螺號”);用于UUV的續航力普遍在20—30h@2—3kn;用于水下滑翔機或Argo浮標時的比能量密度可顯著提高(不超過400Wh·kg-1),并且水下滑翔機(如我國的“海翼1000”、美國的SLOCUM G3)續航力可達90—120天,Argo浮標(如美國的APEX BioGeoChem)續航力則可達4年。燃料電池的比能量密度可大幅提高到約400—500Wh·kg-1,并顯著提高了噸量級UUV的續航力(如挪威的HUGIN-3000、美國的Echo Ranger)。

        近年來,各海洋強國相繼推出了中長期海洋新戰略和新計劃,加快推進高可靠性的長期無人/載人水下觀探測與開發裝備的研發。例如:美國正在規劃建造功能更加強大的長周期通用型深海實驗室;俄羅斯針對北冰洋油氣開發的長周期水下固定平臺需求,制定了水下供能平臺、運輸平臺等多類專用型深海實驗室的研制方案等。我國在“十四五”期間也將推動長期載人海底原位實驗平臺和深海載人移動實驗平臺的規劃建設。這其中,超長時水下供能源技術無疑是瓶頸挑戰:一次/二次電池和燃料電池技術,技術成熟,性能可靠,應用廣泛,但其供能能力取決于化學能(儲電材料、燃料與氧化劑)的初始攜帶量。核能來自核反應過程的能量釋放,具有能量密度高的本質特征;同位素電池(或稱同位素電源)早在1974年即已應用于美國的海洋裝備,核反應堆電源也已經成為競相發展的技術前沿。

        海洋水下觀探測裝備核供能技術及其前景

        核供能泛指利用核反應所釋放的能量來滿足熱能、電能等能量需求。當前所能利用的核反應主要是放射性同位素的自發核衰變反應和裂變材料的人工核裂變反應,前者的主要利用方式是同位素熱源和同位素電池,后者主要是核反應堆。

        同位素電池

        同位素電池的核心是放射性同位素材料,其選擇需結合裝置工作時長、體積與總量限制等實際需求,考慮衰變種類(α衰變和/或β衰變)、半衰期、放射性強度等要素,同時為降低輻射防護成本應盡量選擇無伴生高強度或高能γ衰變的材料。常用材料有α衰變的釙-210、钚-238和β衰變的鍶-90等。放射性同位素材料可從反應堆乏燃料中分離提取,也可通過反應堆或加速器進行定制化生產。

        由于放射性同位素的自發衰變屬于固有的內稟性質,不受任何外界因素影響。因此,同位素電池具有性能穩定性強、環境適應性強的突出特點,同時其理想壽命只取決于放射性同位素的半衰期。具體而言,同位素電池的特點有:①壽命長。例如,钚-238和鍶-90的半衰期分別為87.74±0.04年和28.6±0.3年,其同位素電池設計壽命可達5—10年——早期部署的電池實際已服役超過41年之久。②環境適應性強。不依賴陽光或氧化劑,無須添加或更換放射性同位素材料,環境溫度、輻射損傷、海水靜壓及腐蝕等因素的影響程度只在于同位素電池的外圍材料與器部件。③易于小型化輕量化。電池結構緊湊,尺寸小、重量輕、功率密度高。采用α衰變材料時無需放射性屏蔽措施。美國第一臺正式應用的同位素電池僅重2kg,提供的電力卻相當于300kg的鎳-鎘電池。④可靠性高。同位素電池外殼設計堅固、密封可靠,能經受海水靜壓力和長期腐蝕等極端環境,并且能抵御機械撞擊、爆炸熱沖擊、高溫燒蝕等嚴酷考驗。但是,同位素電池也存在功率較小的弱點,在滿足大功率需求時需要結合二次電池等技術。

        1913年英國科學家Moseley首次提出β放射性同位素電池概念,美國于1956年制定了“核動力輔助計劃”(SNAP)并于1961年首次將同位素電池成功應用于空間探測領域。同位素電池技術自此進入快速發展時期,被美國和蘇聯/俄羅斯廣泛部署于空間、海洋、地面等特種裝備中。美國自1974年起陸續在海底部署了多種SNAP-21和Sentinel-25同位素電池,建立了海底傳感系統和監聽網絡。俄羅斯在白令海、北極等偏遠地區共部署了1000多個鍶-90同位素電池,用于無人氣象站、燈塔、觀測站和監聽站的電力供應。

        我國同位素電池研發長期落后于美國、俄羅斯等國。1971年3月12日,中國科學院原子核研究所(現“中國科學院上海應用物理研究所”)研制成功我國首個同位素電池;該電池采用釙-210衰變源,電功率1.4 W,熱電轉換效率4.2%,填補了國內空白。2006年,中國原子能科學研究院牽頭研制成功了百毫瓦級的钚-238同位素電池。這類技術隨后被應用在嫦娥三號(2013年,同位素熱源)和嫦娥四號(2019年,同位素電源)的探測器。目前,受強烈的需求驅動,國內已有多個高校和研究所正在開展相關研究并取得了可喜的成果。

        反應堆電源

        顧名思義,反應堆電源就是將核反應堆內自持核裂變反應產生的熱能轉換為電能的裝置,通常由反應堆本體、輻射屏蔽體、熱電轉換系統、廢熱排放系統和自動控制系統等部分組成:反應堆本體內核裂變反應產生的熱能被傳輸到熱電轉換系統后,一部分熱能被轉換為電能,其余熱能則可用于裝備熱平衡管理或由廢熱排放系統釋放到環境海水中;輻射屏蔽體位于反應堆本體與裝備其他組成(包括乘員)之間以降低輻射劑量至安全水平;自動控制系統負責整個反應堆電源系統的監測與運行控制。

        與常規的電源相比,反應堆電源具有能量密度高、持續高功率輸出能力強、功率可調范圍大、外界物質依賴性低(無需氧化劑和核燃料儲備等)等特點,可顯著提高水下觀探測裝備的自持力、續航力、機動性、隱蔽性等綜合能力。?

        按中子能譜,反應堆電源可分為熱中子堆、超熱中子堆和快中子堆。采用快中子能譜能夠把鈾-238增殖轉換為核燃料钚-239,可實現不換料供能壽命與裝備同壽期。

        按冷卻方式,反應堆電源可分為氣體冷卻堆、液態冷卻堆和熱管冷卻堆。氣體冷卻堆,技術成熟度高;但由于氣體的熱導和熱容相比液態金屬、水等常用液態冷卻劑小很多,要做到同等比能量或比功率的難度極大。因此,氣體冷卻堆較為適用于陸上固定式供能場景。液態冷卻堆,堆芯換熱能力強,大功率(>10MWe)情況具有輕量小型的優勢(如鉛基堆);但通常需要配置冷卻劑強迫循環泵,會帶來一定的振動、噪聲和慣性矢量等問題。熱管冷卻堆,具有可靠性高、不依賴輔助系統、動態響應特性好、靜默運行等優勢。尤其是小功率(<1MWe)情況下的固態耦合熱應力和裝配工藝問題較小,且水下環境天然存在著幾乎無限大的海水冷源,通過合理設計發揮這一優勢的潛力極大。熱管冷卻堆在航天領域已經得到國內外的廣泛研究。例如:美國的HOMER系列熱管冷卻堆,采用高富集度鈾燃料,鈉鉀熱管冷卻,斯特林循環發電,電功率可達25kW,熱電轉換效率可達20%;MSR鋰熱管冷卻堆,電功率為百千瓦量級,堆外熱離子轉換發電,熱電轉換效率大于10%;SAIRS和LEGO-LRCS鈉熱管冷卻快堆,分別采用堿金屬熱電轉換和斯特林循環發電,電功率分別為約100kW和30kW。在我國,中國原子能科學研究院也研究提出了多種可用于航天任務的熱管堆設計方案,如火星表面堆、月表核電站等。

        核能到電能的轉換技術

        同位素電池和反應堆電源均需要把核反應釋放的能量轉換為電能,轉換效率是最核心的指標。換能方式按工作原理可分為熱轉換型和非熱轉換型,按結構特征可分為靜態型和動態型(圖3)。

        非熱轉換型是將核反應所釋放的粒子的動能直接或經次級效應轉換成電能,典型如β射線(即電子)直接收集利用。熱轉換型則是以熱能為中介將核能轉換為電能,典型如利用塞貝克(Seeback)效應的溫差發電。

        靜態型和動態型的分類則主要依據換能系統中是否使用運動部件,如:動態型朗肯循環和布雷頓循環均使用葉輪機械,以及斯特林循環使用往復式機械等。動態型能量轉換方式在地面應用的技術成熟度很高,能量轉換效率也較高,但應用于移動式水下觀探測裝備時或將帶來姿態控制和振動隔離的額外要求,因此更適合于固定式裝備;同時,針對水下特殊環境,小型化、緊湊式的整體設計和全壽期的可靠性要求也極為嚴苛。

        靜態型能量轉換方式雖然在能量轉換效率上并無優勢甚至不夠理想,但沒有運動部件的特點帶來了系統可靠性高、密封性好、模塊化設計潛力大、相對尺寸小/重量輕等諸多寶貴優點;此外,還具有負載跟隨特性好等特點。因此,靜態型能量轉換方式是海洋水下觀探測裝備核供能系統優先考慮的能量轉換方式。

        各種轉換方式的具體工作原理在此不再贅述。值得指出的是,為追求更高能量轉換效率,適用于更高熱源溫度(>1000K)的輻射伏特效應、熱光伏發電、堿金屬熱電轉換、磁流體發電等新技術得到了大量的研究。

        涉核安全問題

        核安全問題是核供能系統必須面對的特有問題,是水下觀探測裝備采用核供能的核心和基礎。由于水下觀探測裝備在體積、重量方面的強約束,在設計上難以做到使其擁有足夠的安全冗余;同時,其裝備的全生命周期會經歷陸上裝調、部署服役、回收處置等多個階段,特別是全球四大洋水體連通,洋流循環,一旦發生核泄漏事故造成海洋核污染,其影響必將超出一域一國,其后果也將由全人類共同承擔。

        國際法方面,除《聯合國海洋法公約》普適各國各類海洋活動外,迄今為止還沒有一部專門針對海洋核污染問題的國際公約;現有的國際海洋環境法律體系中存在對海上核污染專門調整的法律空白,現有的國際民用核能法律制度和國際法實踐在海上核污染法律責任方面均存在缺陷,須依賴國際原子能機構的相關制度。

        鑒于涉核的特殊敏感性,以及核安全事故的廣域性、長期性和災難性,我國作為負責任的大國和聯合國“五?!?,必須高度重視、系統應對水下觀探測裝備核供能的核安全問題,必須著眼核供能系統的全生命周期管控。除現行核安全管理體系適用的環節和內容之外,還必須研究和解決海洋水下這一新應用場景下的核安全新問題。

        水下觀探測裝備的核供能適用性

        綜上所述,根據核供能技術及其熱電轉換技術的技術特點與成熟度情況,從壽命角度核供能無疑更適合于單次長時甚至超長時工作的水下裝備,從功率角度則可定性小結為:①千瓦級以下的核供能系統,適用于微型、小型的固定式、移動式水下觀探測裝備,可采用同位素核熱源與靜態熱電轉換技術;②千瓦級的核供能系統,適用于小型的移動式水下觀探測裝備和中型的固定式水下觀探測裝備(如長航程AUV等),采用同位素或反應堆核熱源與靜態或動態熱電轉換技術,須結合裝備的體積重量約束和工作時長要求綜合考量;③10千瓦級及以上的核供能系統,適用于中大型移動式和大型固定式水下觀探測裝備(如大型UUV、ROV、載人深潛器、深海實驗室等),宜采用反應堆核熱源與動態熱電轉換技術。

        必須強調的是,除了成本因素,核安全是核供能應用于水下觀探測裝備的強約束條件;以上關于適用性的定性分析,也必須以妥善解決相關和安全問題為前提。因此,從裝備場景角度看,應用于深遠??臻g深度利用、海洋資源開發的超大潛深、超長航程(如大洋尺度甚至全球尺度)的移動式無人觀探測裝備,以及大中型固定式有人/無人觀探測裝備(如深海實驗室等)或平臺(如水下供能基站、水下工程作業平臺等),將更能充分地發揮核供能的不可替代性優勢,成為其閃耀的舞臺。

        思考與建議

        海洋,事關國家民族現實利益,事關全人類共同命運。2022年4月,習近平總書記在視察海南時強調,“建設海洋強國是實現中華民族偉大復興的重大戰略任務。要推動海洋科技實現高水平自立自強,加強原創性、引領性科技攻關,把裝備制造牢牢抓在自己手里”。核供能應用于水下觀探測裝備,在某些特殊應用場景下有著不可替代性優勢,也存在著亟待研究和解決的基礎科學問題和關鍵核心技術?;趪H國內現狀,面向未來發展,提出4個方面的建議。

        (1)重點發展放射性同位素制備和分離技術,建設專用加速器制備與熱室分離設施平臺。放射性同位素主要通過反應堆輻照、加速器輻照和高放廢液提取3種方式制備。目前,我國僅有5座可生產放射性同位素的非專用反應堆,但它們可制備的放射性同位素種類和產量均非常有限,尚不能滿足國內醫療等同位素市場的需求。乏燃料后處理過程中可大量提取放射性同位素,經濟性好,但我國目前尚未形成規?;姆θ剂虾筇幚砟芰?,應予以優先發展。加速器方面,我國已建成2臺30MeV專用加速器和1臺100MeV醫用同位素生產裝置,但缺乏放射性同位素分離和組裝等流程所必需的大型熱室配套,因此尚不具備量產能力。

        (2)重點發展個性化特種反應堆技術,建設多用途零功率裝置、數字反應堆模擬裝置、高通量廣譜中子輻照平臺等共性研發平臺。我國目前的反應堆研發平臺基本由核電企業根據大型商用核動力堆的堆型而建設,缺乏功能靈活、通用性強的共性研發平臺。模塊化的多用途通用型零功率物理實驗平臺,不僅是適應不同設計特征的微小型核反應堆(如熱管堆、鉛基堆、熔鹽堆)研制的需要,也是特殊水下應用場景的自主測控與運行技術研發測試的需要?;诟呔饶M程序和大數據分析技術,開發高度集成的、多物理耦合的數字核電源模擬裝置,可全方位、全壽期模擬/預測核電源的性能參數和安全特性,加快提升技術成熟度。先進加速器驅動的高通量(約1016n·cm-2·s-1)廣譜中子輻照平臺可大幅度縮短個性化特種反應堆所需新型核燃料(更高的能量密度、物態穩定性、放射性包容能力)的研發周期。

        (3)重點支持熱電轉換技術研究。熱電轉換技術是水下觀探測、空間探測等場景下應用核供能的核心關鍵技術,美歐發達國家已經開展了大量研究并取得了顯著進展。我國在這一領域的研究組織性不夠,研究水平上的差距明顯,應加大組織力度,支持高效、穩定的靜態轉換技術(如堿金屬熱電轉換技術、熱光伏轉換技術等),緊湊、可靠的動態轉換技術(如超臨界二氧化碳循環、熱聲發電技術等),以及耦合應用技術的創新研究和驗證。

        (4)重點支持水下特殊應用場景下的核安全問題研究。包括但不限于:①制定水下觀探測裝備核供能系統的核安全設計準則與審評導則,推動海洋極端意外情況下安全指標及其試驗驗證方法的確定等;②服役過程中核供能系統全自主狀態監測、故障診斷、事故容錯、運行控制的技術可靠性;③服役過程中事故工況下核供能系統的安全應急技術,以確保在發生外力撞擊、電力失效、超限下沉等意外事故時核材料的完整包容和核熱的充分導出,不致發生放射性泄漏;④服役過程中切實有效的核材料實物保護,確保核材料被有意(如有預謀的盜搶)或無意(如捕魚時誤撈)獲取而致擴散的風險足夠小,以及確保核材料一旦失去管控的應急措施足夠及時和有效。


        (作者:彭子龍,中國科學院贛江創新研究院;閻述學,中國科學院沈陽自動化研究所;殷建平,中國科學院南海海洋研究所;楊磊,中國科學院近代物理研究所;蔡翔舟,中國科學院上海應用物理研究所;郁杰,中國科學院合肥物質科學研究院?!吨袊茖W院院刊》供稿。)

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