小火箭出品
本文作者：邢強博士
本文共6887字，92圖。預計閱讀時間：30分鐘。
放射性同位素電池
俗稱：核電池、熱核電池。在美國宇航局NASA剛剛確定的最新財年預算專項計劃中，放射性同位素電池成為了年度研發的重中之重。
放射性同位素電池本質上是利用放射性衰變獲得能量的發電機。 此裝置利用熱電偶陣列（傳說中的西貝克效應）接收一定程度的放射性物質衰變熱量，然後將熱量轉換電能。
北極
蘇聯對北極的探索和研究是義無反顧的，是拚盡全力的，也是留下了不少回憶的。
不過，就像在太空領域的競賽一樣，美國和蘇聯在極地探險與科學考察領域的競賽也是激烈的。
公元1937年5月，蘇聯工程師伊萬帶領團隊，在距離北極點僅20公里的冰面上，建立起人類第一座北極科考浮動站，是為北極1號站。
4位蘇聯工程師發揚一不怕苦，二不怕死的精神，硬是在北極點附近借助簡陋的帳篷和用雪塊堆砌的房屋生存了下來，並且取得了海洋學、天氣學方面大量的第一手數據。
關於北極探險的傳奇故事，詳見小火箭的公號文章《北極航線：連續飛行63小時》。
到1938年2月19日，伊萬他們駐扎的那塊浮冰已經碎裂為16塊，他們隨其中一塊浮冰漂浮，到了格陵蘭島東海岸附近，被蘇聯破冰船泰米爾號救起，圓滿完成任務。
此時，他們已經隨那塊不算大的浮冰，在冰冷的北冰洋海面，整整漂浮了2850公里！
美國人不甘示弱，一直積極準備極地探險，不過他們在對極寒氣象的耐受能力方面，的確比蘇聯人稍微弱了一點。
不過，美國人有法子。他們不準備在冰上常駐了，而是決定派船去。
他們派出了美國有史以來的第3艘核潛艇SSN-578號。這艘水下排水量只有2894噸，長度只有81.57米的核潛艇，於1957年12月23日正式入役。
她攜帶美國寄予厚望的S3W核反應堆，在8位軍官和76位海軍士兵的操縱下，在1958年年底啟航，奔赴北極。
8枚533毫米直徑魚雷（6枚前向，2枚後向）在冰冷的海水中，通過了可靠性測試。
公元1959年3月17日，SSN-578號核潛艇來到北極點冰蓋下方。
84名官兵原本計劃用魚雷炸出大洞來測試武器系統在北極的運用情況，後來隨艇工程師仔細分析和計算後，認為冰蓋不算太厚，可以嘗試用艇身直接破冰！
當日，艇長詹姆士下令：
上浮！
沉悶的摩擦和撞擊聲很快就被清脆和綿長的冰面破裂聲所代替，SSN-578號核潛艇在北極點衝出了冰面。
這是人類第一次駕駛航海船舶出現在北極點海面！
面對美國的領先，蘇聯工程師沒有氣餒，更沒有停止發展的腳步。
公元1977年8月17日，趕在革命勝利60周年的時候，蘇聯核動力破冰船北極號，依靠她自身2.3萬噸的體量和2台功率為171兆瓦的OK-900型核反應堆提供的強勁動力，一路破冰前行，到達了北極點。
小火箭風格：
換算過來，北極號核動力破冰船的總功率為46.5萬馬力。
就這樣，在1977年，蘇聯的北極號核動力破冰船成為了人類第一艘到達北極點的水面船隻。
燈塔
從1937年蘇聯成功建立人類第一座長期駐留浮動科考站以來，蘇聯在北極建站的熱情就一發不可收拾。
上圖為蘇聯在北極建立31座浮動科考站的年代和存續時間圖。在1950年到1990年，從未有過間斷。蘇聯解體後，俄羅斯繼續進行北極建站科考活動，從2003年恢復建設到現在，已經建設了十座。
什麽也沒能阻擋蘇聯/俄羅斯對極地的探索熱情。
那麽，問題來了：
在沒有遙感衛星提供的地圖數據和GPS星座提供的全球定位服務的上世紀50年代到70年代，蘇聯是如何搞定極地導航的？？
終於到了本文要說的第一個主題了：
核燈塔！
燈塔麽，大家都很熟悉的，比如上圖為1841年開工建造的燈塔的設計手稿。
按曾經的紀錄，世界最高的燈塔是日本橫濱的海洋塔。從塔基到塔頂，全高106米，全塔重1.2萬噸。
不過，日本橫濱海洋塔並非按傳統方式設計和建造的燈塔，而且從應用層面來講，該塔已經在2008年7月28日停止了燈塔功能，並在當年9月1日被從航路標識圖中刪除。
亞歷山大燈塔位於埃及的亞歷山大港對面的法羅斯島上，因此也叫做“法羅斯島燈塔”，是古代世界七大奇跡之一。
在前283年由小亞細亞的建築師索斯特拉特設計，在托勒密王朝時建造。由於歷史的模糊記載，預估高度115~140米之間。它在倒塌之前是僅次於胡夫金字塔和卡弗拉金字塔的世界第三高建築物。
回到小火箭風格，我們不妨對世界最高的燈塔給出一些限定條件：
第一：該建築本身在設計之初的本意就是用來做航海燈塔之用；
第二：至今仍在屹立；
第三：採用傳統的磚木或者磚石結構製成。
加上這3個條件，小火箭找到了這樣一座燈塔：
法國普魯蓋爾諾燈塔（左），全高82.5米，公元1902年建成，全部由石料壘成。
小火箭風格：
北緯48°38′20″N, 西經4°34′9″W
普魯蓋爾諾燈塔的內部螺旋樓梯結構。
蘇聯在上世紀30年代到70年代修繕和新建了大量燈塔，有效保障了北極科考與航運。
上圖為建在加裡寧格勒海岸邊的燈塔。
燈塔為海上的安全航行提供了較為有效的保障。
但是，在蘇聯北極沿海地區，事情沒有這麽簡單。
核能
冰冷的海水拍擊燈塔，遠離人煙的地區難獲補給。
在北極建燈塔，並成功運營下去，需要解決3大難題：
第一：北極地區極寒，普通設備難以可靠工作，此為高寒困難；
第二：北極地區光照條件較弱，全年有不短的時間甚至是沒有陽光的極夜，難以使用太陽能技術來發電，此為無光困難；
第三：北極地區遠離較大規模的城鎮，甚至方圓數百裡沒有人煙，難以找到長期值守的工作人員來維護保養燈塔，此為無人困難。
怎麽辦？
用核能！
沒錯的，在蘇聯時期，很多工程問題，一旦遇到瓶頸，人們馬上就會想到核能：
武器系統作戰效能上不去怎麽辦？上核彈頭！
防空飛彈精度不夠怎麽辦？ 自己在頭頂爆一顆核彈來防空！
油田燃氣大火，撲不滅怎麽辦？爆一顆核彈，封了那油田！
挖水庫，工期太緊來不及，怎麽辦？爆一顆核彈，炸出個水庫！
破冰船，功率不夠怎麽辦？用核能！
探測器，飛太遠，沒電了可怎整？用核能！
燈塔，環境惡劣還沒人維護，怎麽辦？用核能！
這是一座蘇聯時期曾經多次指引破冰船奔赴北極深處的功勳燈塔。
如今，這座燈塔已經被廢棄，靜靜地矗立在海邊，回首過往的種種傳奇。
這座燈塔與之前咱們提到的埃及亞歷山大燈塔、日本海洋塔、法國普魯蓋爾諾燈塔有什麽區別呢？
咱們不妨走進去看一看！
飽經風霜的燈塔外牆
後人留下的印跡
燈塔裡面的日誌，記錄了往昔的榮耀。這座在當年的系列燈塔中，罕有的具備長期有人值守條件的燈塔，擁有詳細的記錄，這些如今已經成為了珍貴的歷史資料。
燈塔內部，碩大的放射性危險標誌格外醒目！這裡有放射性元素！
這就是幾年前，人們從燈塔裡取出來的燈塔能量之源，核電池！
蘇聯核電池的設計結構圖：
核心部件為一塊放射源，通常為鍶-90。
放射性元素在衰變過程中放出熱量，與環境親密接觸的散熱片則相對冰冷。這樣就產生了溫差。核電池就是利用這樣的溫差來發電的。
對於已經掌握了核裂變技術的蘇聯來說，為什麽不使用鈾、鈈這些傳統放射源，而是非得青睞於鍶呢？
通常放射性元素的第一次核衰變時間會較短，且放出的輻射能量較高，接近最後或倒數第二次衰變的輻射產物所放出的輻射能量通常較小，鍶-90是少數的例外，擁有較長的半衰期（28.79年）。
而且鍶-90衰變成釔-90的反應是個接近完美的典型β衰變，其中產生的伽瑪衰變微不足道，通常是可以忽略的。
掌握了鍶-90放射性同位素電池技術的蘇聯工程師，開始大量在蘇聯燈塔中安置核能系統，並且很多新建的燈塔一開始就圍繞核電池來設計，並且能夠前沿布置在以前想都不敢想的遠方。
核電池，一旦啟動，就能夠可靠使用將近30年（實際上，經常會超期服役，而且超期服役的結果僅僅是輸出功率的降低）。
蘇聯對核燈塔的建設開始一發不可收拾：一口氣建了1008座核燈塔！
從巴倫支海北面到神秘的遠東，綿延不斷的北極冰川，見證了核燈塔的崛起。
1963年9月，蘇聯N級（627A型）核潛艇K-181號執行北冰洋冰蓋下的水下航行任務。
公元1963年9月29日，K-181號在北極點上浮，破冰而出。
當然，歷史上的很多事情，我們不必在今天重提了。核電池技術自有其進化與發展的命運。
如今，隨著全球定位系統的發展，核燈塔已經完成了她的歷史使命。
1008顆核電池，在逐步拆解和銷毀。
上圖為挪威專門在斯托爾斯科格邊境檢查站放置的輻射探測器。這些探測器用來阻止來自俄羅斯科拉半島的放射源流入挪威境內。
標準
鍶-90核電池，的確好用。
但是，後來人類對鍶-90有了新的認識：這家夥對人類的影響太大了。
上世紀60年代和70年代，美國牙醫露易絲女士，發放了25萬份表格，收集到了8.5萬顆兒童自然脫落的乳牙。
上圖為每個捐贈乳牙的兒童會收到的一枚“科學勳章”，上面寫著：
我把我的牙齒獻給了科學。
露易絲醫生的研究結果公布出來，讓世界為之觸動：
1963年後出生的兒童乳牙中的鍶-90的含量比1963年前出生者高出整整50倍！
要知道，鍶-90在自然環境中，含量極其微小。大部分鍶-90來自於人類的核試驗。
時任美國總統肯尼迪在讀了露易絲醫生的報告後，決定和蘇聯好好談一談。
最終，為了孩子，為了子孫後代，美國和蘇聯第一次在核試驗領域達成共識，雙方共同停止了在大氣層內進行核試驗的計劃。
作為核電池能量來源的鍶-90，還在繼續使用中。
上圖為美國以鍶-90為核心的放射性同位素電池作為能源的浮標。
不知旁邊小船裡面的遊客如果知道了這座浮標裡面有一大堆放射性元素的話，還會不會那麽淡定地在浮標旁邊玩耍。
蘇聯用大量核燈塔，美國有不少核浮標。他們不約而同地使用著鍶-90核電池。這些電池的重量從851公斤到2723公斤不等。
不過，露易絲醫生的報告影響是巨大的，為了讓鍶-90核電池盡量不對子孫後代產生影響，美國和蘇聯制定了有關鍶-90核電池的嚴格的技術標準，小火箭統計如下：
第一：核電池的外殼必須由高強度哈式合金或與之性能相當或比其更優的合金製成；
（小火箭注：哈式合金是一種鎳鉻鉬合金，具有非常優秀的耐腐蝕性能。即使是在濕氧、亞硫酸、醋酸、甲酸和強氧化鹽的介質中，哈式合金也能夠保持出色的耐蝕性、耐均勻腐蝕性及耐晶間腐蝕性。）
第二：製成的核電池，包裹著鍶-90核心，要能夠耐受805℃的高溫烘烤而不產生嚴重的形變；
第三：把整塊電池搬到9米高的地方，然後松手，讓核電池自然墜落，摔到鋼筋混凝土表面，電池殼體不得開裂、破損；
第四：把一枚7公斤重的尖頭鋼釺舉到1米高度，向核電池扎去，外殼不應被刺破；
第五：把核電池放到100MPa的高壓環境中，外殼依然堅固可靠，不變形、不泄漏；
第六：炙烤核電池到最高允許工作溫度，然後立刻把電池扔到0℃的冰水混合物中，連續監測10分鐘，未發現任何泄漏情況，才算合格。
核電池的檢測合格標準給小火箭留下了深刻的印象。
我對此有兩個感想：
首先，這標準要是能夠用在未來的手機和平板電腦上，那就厲害了；
其次，我倒是很好奇，當年會有哪些工程師來自告奮勇，抱著核電池做這樣一系列試驗啊！
太空
以鍶-90為核心的核電池面臨著嚴格技術標準的限制，需要使用異常堅固的外殼，這就限制了她在太空領域的使用。
工程師們對核能的誘惑是無法抵擋的，於是，很快大家又找到了鈈-238這種物質。
鈈-238的半衰期為87.74年，比鍶-90的28.79年要長。她會放出大量的熱，伴隨著低能的伽馬和自發裂變射線/粒子。
鈈-238是α輻射體，輻射性特別強，但是其輻射的穿透性又特別低，對防護設施的要求不高。實際上，只需一張A4紙就能夠擋住鈈-238放射出的大部分α粒子。
（提醒：這是專業機構測試的數據，不得在家自己這樣嘗試）。
上圖為一塊被自身放射性衰變產生的熱量烤得通紅的鈈-238（二氧化鈈）。
自1959年，美國就從美國海軍的早期導航技術驗證衛星上嘗試使用了核電池。
而對鈈-238的成功應用，終於讓工程師們嘗到了甜頭。
太空環境與蘇聯北極燈塔環境之間，有不少相同點：
遠離人煙，無法經常派人來維護設備；
在沒有陽光照射時，非常寒冷；
要求長時間可靠工作，基本要求是10年以上的無人值守。
於是，核電池在太空領域的應用是理所應當的。
上圖為阿波羅12號飛船的宇航員正在小心翼翼地取出一塊鈈-238核電池，準備放置在月球表面。攝於1969年11月19日。
嗯，是的，在1969年7月阿波羅11號飛船實現人類首次登月之後4個月，人類就實現了重返月球。不過，今天來看，最近的重返月球活動，還需要再等好幾年。
這是阿波羅14號飛船的宇航員在把一塊鈈-238核電池與月球表面的設備用電線連起來之後拍的照片。攝於1971年2月5日。
公元1997年10月15日，協調世界時上午8點43分，攜帶著惠更斯著陸器的卡西尼探測器由大力神4B運載火箭在美國佛羅裡達州卡納維拉爾角發射場第40號工位發射升空。
這場推遲多次的發射終於在這一天將卡西尼探測器送上了漫漫征程。
1999年8月18日，卡西尼探測器先後飛掠月球和地球。這兩次飛掠，可謂驚心動魄。卡西尼探測器到月球的最近距離只有37.7萬公里，已經小於了地球到月球的平均距離。而卡西尼探測器飛掠地球時，到地球的最近距離僅有1171公里！這個距離接近於地球直徑的1/11。
另外，小火箭強調的是，這種行星間的飛行，任務強度非常大，卡西尼飛掠地球的這次擦肩，距離她上一次與金星的親密接觸僅55天！
為什麽叫驚心動魄呢？這就得從卡西尼探測器身上帶著的神秘能量來源說起了。土星到太陽的平均距離為9個天文部門（也就是地球到太陽距離的9倍）。太陽能帆板接收太陽輻射的能量與電池板到太陽距離的平方成反比。
這樣來算的話，環繞土星的探測器如果使用太陽能帆板的話，其產生電能的效率將僅僅是環繞地球的同等規格太陽能帆板的1.23%。而受運載火箭能力的限制（實際上即使運載火箭能力足夠，科學家也更傾向於把更多的重量指標分配給用於觀測土星及其衛星的各種儀器設備），卡西尼探測器不能帶著面積巨大的太陽能帆板。
於是，工程師們打起了核能源的主意。卡西尼探測器上並沒有太陽能帆板。整個卡西尼探測器在將近20年的飛行過程中，幾乎所有的電能都來自於3塊核電池。上圖就是卡西尼的核電池。
這些核電池的核心部件是以二氧化鈈形態存在的足足有32.7公斤重的鈈-238。
實際上，依附在卡西尼探測器上面的惠更斯著陸器在奔向土星的漫漫征程中也同樣依靠卡西尼身上的這些核電池的電力。只有在分離之後，惠更斯才會啟動自身的化學電池系統，這就是後話了。（整個系統有120個核裝置。）
上圖為環境工程師詹米在這些鈈核電池裝在卡西尼探測器上之前，做最後一次輻射測量時的場景。
工程師們正在小心翼翼地為卡西尼探測器安裝核電池。
也就是說，在1999年的8月18日，太空中有32.7公斤的鈈-238以每秒10公里以上的速度在地球上方1171公里的地方與地球擦肩而過。
NASA是做過最壞的打算的。一旦卡西尼探測器這次飛掠的彈道沒能計算正確，或者期間出了其他一些意外，這些鈈就有可能再入地球稠密大氣層。
當時地球總人口是50億人，這些鈈-238如果泄露出來的話，其輻射量換算成罹患癌症的比例，相當於5000人會因此而遭殃。
當然，發生這種悲劇的概率經多方計算，被認定為低於百萬分之一，而且NASA在飛掠彈道這方面，幾乎還沒怎麽失過手，當年如果把鈈-238的事情公布出來反而會引起不必要的恐慌，因此有關1999年那次飛掠地球的引力彈弓沒有引起大家的廣泛注意。
如今，卡西尼探測器已經壽終正寢，此時說起這些倒也無妨了吧。
在1999年在世的，地球上的所有生物，都為了探索未知的事業承擔了一定程度的風險。從這個角度來說，大家都對卡西尼探測器的成功有所貢獻。
這是保存在博物館內的先驅者H號探測器。這艘探測器原本被命名為先驅者12號，但是因為種種原因，並未被發射到太空。
熟悉小火箭前文講述的蘇聯核燈塔的核電池結構的好友，應該一眼就能看出先驅者H號伸出的兩隻觸角頂端的，就是核電池。
從這個結構設計上，我們能夠體會到上世紀70年代，工程師想要使用核電池，但是又對核電池的威力有著十足的敬畏的心情。
到了新視野號探測器的時候，同樣是使用核電池，不過人類工程師此時已經自信多了。
2公斤重的核電池，其提供的功率可以和300公斤重的鎳鎘電池相匹敵，而且使用壽命能夠在35年以上。
如果有一天，外星人捕獲了人類的深空探測器，小火箭期望他們能夠從核電池上體會到人類的文明。
沒錯，人類也曾愚蠢地把暴力用於同類，只有在相互的核武器能夠把人類摧毀數十遍的恐怖威懾下，才保持著脆弱的和平。
但是，要知道，人類用難以置信的韌勁和強烈的好奇心，以柔弱的身軀常駐南極和北極；以人類的智慧，用核能點亮了極寒之地的長明燈塔；人類多病，但是以鈈-238核電池驅動的心髒起搏器，僅40克的重量，1.7厘米×4.5厘米的尺寸，就能讓心跳長期維持在75次/分鐘的水準。
全文完。
2018年5月23日至27日，於銀河·太陽系·地球
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本文是邢強博士原創文章。歡迎朋友圈轉發。
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