钚生產(chǎn)工作十分困難。所有人都想當然地以為它就在那里，并一直在那里。生活要比這更復(fù)雜一些。

橡樹嶺國家實驗室的一個“輻射室”，钚就在這里被制備。圖片來源：Alexandra Witze

Ken Wilson透過一扇黃色玻璃窗，凝視著另一邊的雜亂瓶子和化學設(shè)備。在這樣一個“輻射室”工作是Wilson的日常職責，他是美國田納西州橡樹嶺國家實驗室頂尖的原子能技術(shù)工程師。通過機械臂，他開始抓起這些瓶子，打開瓶蓋，并將液體倒入另一個容器。

最終，Wilson會將這些液體倒入一種深棕色液體中。這種液體就是钚-238濃縮液：一種高放射性同位素，Wilson在做的就是對它進行提純。而钚-238的終極目標是宇宙深處，其衰變產(chǎn)生的熱量將為美國宇航局（NASA）的空間項目提供能量，例如未來的火星探測器和計劃前往太陽系外的宇宙飛船等。

這批钚-238將讓NASA如釋重負，因為越來越多的人擔憂這種物質(zhì)將要耗盡。自然界中不存在這種同位素，因此它必須在原子反應(yīng)堆中制造。但1988年美國的主要供給源關(guān)閉，能源部（DOE）旗下的南卡羅來納州薩瓦那河工廠停止生產(chǎn)钚-238，作為逐步淘汰核武器計劃的一部分。4年之后，DOE開始從俄羅斯采購少量的钚-238，但采購活動最后也停止了。

結(jié)果是，NASA目前只有35公斤的钚-238，無法滿足火星項目的需要。在2013年年底，情況更糟，當時的預(yù)算緊縮致使NASA取消了一個開發(fā)放射性同位素能源的項目。

這也是Wilson在橡樹嶺進行提純工作的原因。從去年開始，NASA每年支付給DOE 5000萬美元恢復(fù)其長期失速的钚-238制作能力。這是一項艱巨的工作，“钚生產(chǎn)工作十分困難。所有人都想當然地以為它就在那里，并一直在那里。生活要比這更復(fù)雜一些?！奔s翰斯·霍普金斯大學行星學家Ralph McNutt說。他正在參與NASA內(nèi)部開發(fā)用于空間項目的原子能源的研究。

熱點區(qū)域

首臺放射性同位素動力設(shè)備出現(xiàn)于上世紀50年代末和60年代初的美蘇空間項目中。從1961年發(fā)射的海軍導航衛(wèi)星到2011年的“好奇”號火星探測器，美國在27個空間項目中使用了放射性同位素動力設(shè)備。

所有這些設(shè)備都遵循著相同的基本原理：隨著同位素的衰變，放射性會加熱兩種金屬或半導體的結(jié)合點。多虧熱電效應(yīng)——這會產(chǎn)生電流，飛行器能夠用來為設(shè)備提供能源，或?qū)⒛芰績Υ嬖陔姵乩?。更小的放射性同位素設(shè)備也能讓探針在寒冷的宇宙中保持溫度。

之所以選擇钚-238，部分原因是每克物質(zhì)能產(chǎn)生大量的能量，另外也更安全：它只釋放出相對容易防護的α粒子。

目前，NASA更傾向于設(shè)計一個核動力源——多任務(wù)放射性同位素熱電機（MMRTG），在任務(wù)開始時能使用4.8千克二氧化钚產(chǎn)生2000瓦熱量和110瓦電能。钚-238的半衰期是87.7年，能在數(shù)十年里產(chǎn)生能量，但產(chǎn)出會隨著時間而減少。

擁有35千克二氧化钚的NASA似乎有能力發(fā)展核動力航天器。但這些儲備時間已久，目前能滿足NASA不到一半的能量需求?？紤]到進化中的行星項目時間周期較長，并且保證钚的持續(xù)供應(yīng)存在挑戰(zhàn)，該機構(gòu)遠沒有目前表現(xiàn)得這樣走運。

NASA將使用約5公斤二氧化钚作為計劃2020年發(fā)射的新火星探測器的“發(fā)電機”。而未來的太陽系外任務(wù)將需要更多的“發(fā)電機”。

與DOE的新合約將首次為NASA提供穩(wěn)定的钚-238供給。DOE的目標是，到2021年，每年生產(chǎn)1.5千克二氧化钚，這些氧化物能轉(zhuǎn)化為1.1千克钚-238。該局行星科學部門副主任David Schurr表示，這樣一來，NASA將有足夠燃料在10年里維持兩個任務(wù)。“在未來20年可預(yù)見項目上，我們可能會更好。”他說。

生產(chǎn)線

钚-238新生產(chǎn)線在愛達荷國家實驗室啟動，該實驗室主要從核反應(yīng)堆乏燃料中提取同位素镎-237。然后，這些镎被送往橡樹嶺。在阿巴拉契亞山區(qū)的一個秋日的早上，橡樹開始換上紅色和橘黃色的外衣，這讓人們很容易忘記這里曾輝煌的原子能歷史。但不會太久，穿過老舊鈾濃縮工廠和廢棄警戒塔的通往實驗室的路又會“熱鬧起來”。

在橡樹嶺國家實驗室園區(qū)里，镎-237將先被加壓制成橡皮大小和形狀的小球。這些球然后一個接一個滑入一根長鋁管中，并運送到該實驗室歷史最悠久的一座建筑：高通量同位素反應(yīng)堆。

輻射管理者Chris Bryan望著一個看起來像室內(nèi)游泳池的東西，展示著一個微型化的反應(yīng)堆堆芯組合的物理模型。它被安裝在一個直徑2.4米、鑲有許多小孔的鈹圓筒上。在反應(yīng)堆運行前，Bryan將把裝滿镎的鋁管插到這些小洞中，以便其與堆芯充分接觸。Bryan 解釋道，“我們正試著將盡可能多的镎擠入一個有限的體積內(nèi)”。

一旦這些管子處在適當?shù)奈恢蒙?，Bryan將把整個裝置放入游泳池，這些水將充當防輻射屏障，然后打開反應(yīng)堆25天。在這段時間里，大量中子轟擊镎-237，結(jié)果產(chǎn)生能迅速衰變成钚-238的镎-238。

這一過程一旦完成，這些管子將被移走，工作人員會使用添加了保護裝置的軌道推車將它們放到隔壁房間。這里，Wilson和同事透過黃色玻璃監(jiān)視著機械臂的運作。他們的工作是利用硝酸溶解被輻射的小球，然后將钚提取并濃縮成氧化物粉末，最終它們會被裝進防護桶。

終于，防輻射卡車會將這些桶運到洛斯阿拉莫斯國家實驗室。在這里，這些氧化物將被壓成燃料芯塊。

當然，這一精心設(shè)計的過程還有許多其他階段。首先，橡樹嶺國家實驗室的反應(yīng)堆沒有足夠的空間轉(zhuǎn)化所有的镎-237。镎小球在這里被制作好后，一部分將被運往愛達荷實驗室，其改進型試驗反應(yīng)堆將完成一些照射工作。

現(xiàn)在主要工作仍在橡樹嶺?；瘜W工程師Robert Wham負責規(guī)劃如何安全地進行兩個試驗批次，以便每年生產(chǎn)1.5千克二氧化钚?！斑@里的人之前沒有使用過镎，我們幾乎是從零開始?！彼f。

NASA也在尋找方法，以便從現(xiàn)有的钚中提取更多能量。其噴氣推進實驗室材料工程師Jean-Pierre Fleurial領(lǐng)導的研究小組正試圖建造熱電偶——該設(shè)備能從钚的放射性衰變中發(fā)電。通過將目前用于熱電偶的鉛基材料更換為鈷—銻材料，F(xiàn)leurial小組在放射開始時獲得的能量將至少多25%。

能量渴求

直到去年，NASA還致力于開發(fā)空間斯特林發(fā)動機，該設(shè)備利用1/4的钚就能產(chǎn)生與MMRTG相同的能量。斯特林變流器有時類似高科技蒸汽機：钚衰變產(chǎn)生的熱量驅(qū)動氦氣膨脹，反過來推動活塞發(fā)電。一個土衛(wèi)六項目曾計劃使用斯特林技術(shù)，但由于經(jīng)費限制，NASA于2013年11月取消了該計劃。

這一決定引來了馬里蘭大學的Jessica Sunshine等行星學家的指責。例如，NASA最近提出的項目建議書——低成本“發(fā)現(xiàn)”級宇宙飛船，甚至不允許使用超過加熱設(shè)備的最低限度的放射性同位素。

盡管NASA決定取消斯特林項目，但一個小規(guī)模研究計劃依然在繼續(xù)。格倫研究中心放射性同位素動力系統(tǒng)項目負責人John Hamley及其同事目前正繼續(xù)研究不同構(gòu)造的12種斯特林變流器。該項目已經(jīng)進行了10年，以便證實活塞能長時間地可靠工作，以滿足長期空間任務(wù)的需求。

如果NASA需要钚為人類空間探索提供能量，所有的這些努力還不夠。該機構(gòu)目前正計劃將宇航員送上小行星或更遠的深空，這需要的能量將比少量钚-238產(chǎn)生的能量大得多。Schurr表示，如果一個行星項目可能需要300~900瓦能量，人類深空探索則需要更大的飛船，同樣也需要數(shù)萬瓦的能量。明年年初將發(fā)布的一份NASA內(nèi)部報告估計了空間核動力的需求，它指出，可能需要一個類似于裂變反應(yīng)堆的自持能量源。

再回到橡樹嶺，Wham還在考慮如何制備更多的钚。如果需要，他說自己將使用更多的輻射室，制作更多的钚?！叭绻麄儊碚椅覀儯胍嗟漠a(chǎn)品，我們知道怎么做?！彼f。（張章）

《中國科學報》 (2014-12-01 第3版 國際)