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中國網/中國發展門戶網訊 陸地是性命的搖籃，資源的寶躲，風雨的溫床，貿易的通道，國防的樊籬。陸地作為地球系統的主要組成部門，是全球氣候變化和生態環境變化的包裝設計重要驅動力。陸地關乎絕年夜多數國家的國家平安及油氣、礦產等嚴重資源權益，更關乎世界戰爭、全球氣候變化、人類保存與發展等全人類配合面臨的前程命運問題。
遺憾的是，人類對陸地的認知還遠遠不克不及滿足應對上述嚴重問題的需求。作為陸地年夜國，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，我國在陸地領域的科技程度獲得了較快晉陞，但與陸地強國比擬整體上還有很年夜差距，急需高程度科技創新的支撐保證，以滿足經濟社會發展和國家平安的嚴重需求。在2021年發布的《中華國民共和國國平易近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，“積極拓展陸地經濟發展空間”單列一章，并明確提出“培養壯年夜陸地工程裝備”“加強深海戰略性資源和生物多樣性調查評價”“推動構建陸地命運配合體”。
長時穩定供能是陸地水下觀探測裝備的焦點挑戰之一
認知陸地，就必須深刻陸地。人類今朝正處在無人與載人裝備觀探測并行疾速發展的階段，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討。得益于21世紀以來資料、動力、導航定位等技術的不斷發展，平面設計陸地原位觀測與現場實驗的技術和裝備研發正不斷獲得衝破；可是，受海水介質的密度等內稟性質約束，時至本日陸地依然是人類對本身所生涯星球認知中的短板之一。
“世勳哥這幾天不聯繫你，你生氣嗎？是有原因的，因為我一直在試圖說服我的父母奪回我的生命，告訴他們我們真的很相愛
陸地水下觀探測裝備凡是是一個無限空間、無限份量的耐壓密閉體，除了直接面臨著壓力（每增添10米深度即增添約1個年夜氣壓）、腐蝕（包含海水和陸地生物腐蝕）、通訊（高度依賴聲波）等特別環境困難外，其動力系統不僅須滿足靠得住性、平安性、耐低溫、抗震動等條件，還遭到體積和份量的強約束，由此也制約了裝備的有用觀測時長。
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），其動力需求以能量型為主，其動力系統不請求瞬間年夜功率，但需求較高能量密度，可長包裝設計期穩定平安應用；②對于需求長期值守的水下固定裝備（如潛標），普通采用一次性電池作為其動力來源，其動力系統需求長壽命周期和高靠得住性；③對于需求高速機動的VR虛擬實境水下裝備，由于要滿足推進器等年夜功率機構的用電需求，其動力需求以功率型模型為主，其動力系統需求能夠供給持續的年夜電流輸出；④對于載人潛器，其動力需求重要以平安性為主。圖1和2總結了各種陸地水下裝備的供能功率需乞降各種動力的適用范圍。
今朝，絕年夜多數水下觀探測裝備應用電池（各類的一次/二次電池、燃料電池）供能，此中一次/二次電池的比能量密度廣泛在230Wh·kg-1以下：用于載人潛器的最年夜性命支撐時間不超過143h（法國的“鸚鵡螺號”）；用于另一邊，茫然地想著——不，不是多了一個，而是多了三個陌生人闖入了他的生活空間，他們中的一個將來要和他同房，同床。UUV的續航活動佈置力廣泛在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進步（不超過400Wh·kg-1），并且水下滑翔機（如我國的“海翼1000”、american的SLOCUM G3）續航力可達90—120天，Argo浮標（如american的APEX BioGeoChem）續航力則可達4年。燃料電池的比能量密度可年夜幅進步到約400—500Wh·kg-1，并顯著進步了噸量級UUV的續航力（如挪威的HUGIN-3000、american的Echo Ranger）。
近年來，各陸地強國相繼發布了中長期陸地新戰略和新計劃，加速推進高靠得住性的長期無人/載人水下觀探測與開發裝備的研發。例如：american正在規劃建造效能加倍強年夜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，制訂了水下供能平臺、運輸平臺等多類專用型深海實驗室的研制計劃等。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奇藝果影像的規劃建設。這此中，超長時水下供動力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，機能靠得住，應用廣泛，但其供能才能取決于化學能（儲電資料、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american的陸地裝備，核反應堆電源也已經成為競相發展的技術前沿。
陸地水下觀探測裝備核供能技術及其遠景
核供能泛指應用核反應所釋放的能量來滿足熱能、電能等能量需求。當前所能應用的核反應重要是放射性同位素的自發核衰變反應和裂變資料的人工核裂變反應，前者的重要應用方法是同位素熱源和同位素電池，后者重要是核反應堆。
同位素電池
同位素電池的焦點是放射性同位素資料，其選擇需結合裝置任務時長、體積與總量限制等實際需求，考慮衰變種類（α衰變和/或β透過彩衣拉開的簾子，藍玉華真的看到了藍家的大門，也看到了與母親親近的丫鬟映秀站在門前等著他們，領著他們到大殿迎衰變）、半衰期、放射性強度等要素，同時為下降輻射防護本錢應盡量選擇無伴生高強度或高能γ衰變的資料。常用資料有α衰變的釙-210、钚-238和β衰變的鍶-90等。放射性同位素資料可從反應堆乏燃猜中分離提取，也可通過反應堆或加快器進行定制化生產。
由于放射性同位素的自發衰變屬于固有的內稟性質，不受任何外界原因影響。是以，同位素電池具有機能穩定性強、環境適應性強的凸起特點，同時其幻想壽命只取決于放射性同位素的半衰期。具體而言，同位素電池的特品牌活動點有：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——晚期安排的電池實際已退役超過41年之久。②環境適應性展場設計強。不依賴陽光或氧化劑，無須添加或更換放射性同位素資料，環境溫度、輻射損傷、海水靜壓及腐蝕等原因的影響水平只在于同位素電池的外圍資料與器部件。③易于小型化玖陽視覺輕量化。電池結構緊湊，尺寸小、份量輕、功率密度高。采用α衰變資料時無需放射性屏障辦法。american第一臺正式應用的同位展覽策劃素電池僅重2kg，供給的電力卻相當于300kg的鎳-鎘電池。④靠得住性高。同位素電池外殼設計堅固、密封靠得住，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。可是，同位素電池也存在功率較小的弱點，在滿足年夜功率需求時需求結合二次電池等技術。
1913年英國科學家Moseley初次提出β放射性同位素電池概念，american于1956年制訂了“核動力輔助計劃”（SNAP）并于1961年初次將同位素電池勝利應用于空間探測領域。同位素電池技術自此進進疾速發展時期，被american和蘇聯/俄羅斯廣泛安排于空間、陸地、空中等特種裝備中。american自1974年起陸續在海底安排了多種SNAP-21和Sentinel-25同位素電池，樹立了海底傳感系統和監聽網絡。俄羅斯在白令海、北極等偏遠地區共安排了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american、俄羅斯等國。1971年3月12日，中國科學院原子核研討所（現“中國科學院上海應用物理研討所”）研制勝利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，熱電轉換效力4.2%，填補了國內空缺。2006年，中國原子能科學研討院牽頭研制勝利了百毫瓦級的钚-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（2沈浸式體驗019年大型公仔，同位素電源）的探測器。今朝，受強烈的需求驅動，國內已有多個高校和研討所正在開展相關研討并獲得了可喜的結果。
反應堆電源
顧名思義，反應堆電源就是將核反應堆內矜持核裂變反應產生的熱能轉換為電能的裝置，凡是由反應堆本體、輻射屏障體、熱電轉換系統、廢熱排放系統和自動把持系統等部門組成：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，一部門熱能被轉換為電能，其余熱能則可用于裝備熱均衡治理或由廢熱排放系統釋放到環境海水中；輻射屏障體位于反應堆本體與裝備其他組成（包含乘員）之間以下降輻射劑量至平安程度；自動把持系統負責整個反應堆電源系統的監測與運行把持。
與常規的電源比擬，反應堆電源具有能量密度高、持續高功率輸出才能強、功率可調范圍年夜、外界物質依賴性低（無需氧化劑和核燃料儲備等）等特點，可顯著進步水下觀探測裝備的矜持力、續航力、機動性、隱蔽性等綜合才能。
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。
按冷卻方法，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比擬液態金屬、水等常用液態冷卻劑小良多，要做到劃一比能量或比功率的難度極年夜。是以，氣體冷卻堆較為適用于陸上固定式供能場景。液態冷卻堆，堆芯換熱才能強，年夜功率（>10MWe）情況具有輕量小型的優勢（如鉛基堆）；但凡是需求設置裝備擺設冷卻劑強迫循環泵，會帶來必定的振動、噪聲和慣性矢量等問題。熱管冷卻堆，具有靠得住性高、不依賴輔助系統、動態響應特徵好、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，且水下環境自然存在著幾乎無限年夜的海水冷源，大圖輸出通過公道設計發揮這一優勢的潛力極年夜。熱管冷卻堆在航天領域已經獲得國內外的廣泛研討。例如：american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，熱電轉換效力可達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，熱電轉換效力年夜于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，中國原子能科學研討院也研討提出了多種可用于航天任務的熱管堆設計計劃，如火星概況堆、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求把核反應釋放的能量轉換為電能，轉換效力是最焦點的指標。換能方法按任務道理可分為熱轉換型和非熱轉換型，按結構特征可分為靜開幕活動態型和動態型（圖3）。
AR擴增實境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，典範如β射線（即電子）直接受集應用。熱轉換型則是以熱能為中介將核能轉換為電能，典範如應用塞貝克（See經典大圖back）效應的溫差發電。
靜態型和動態型的分類則重要依據換能系統中能否應用運動部件，如：動態型朗肯循環和布雷頓循環均應用葉輪機械，以及斯特林循環應用往復式機械等。動態型能量轉換方法在空中應用的技術成熟度很高，能量轉換效力也較高，但應用于移動式水下觀探測裝備時或將啟動儀式帶來姿態把持和振動隔離的額外請求，是以更適合于固定式裝備；同時，針對水下特別環境，小型化、緊湊式的整體設計和全壽期的靠得住性請求也極為嚴苛。
靜態型能量轉換方法雖然在能量轉換效力上并無優勢甚至不夠幻想，但沒攤位設計有運動部件的特點帶來了系統靠得住性高、密封性好、模塊化設計潛力年夜、相對尺寸小/份量輕等諸多寶貴優點；此外，還具有負載跟隨特徵好等特點。是以，靜態型能量轉換方法是陸地水下觀探測裝備核供能系統優先考慮的能量轉換方法。
各種轉換方法的具體任務道理在此不再贅述。值得指出的是，為尋求更高能量轉換效力，適用于更高熱源溫度（＞1000K）的輻射伏殊效展覽策劃應、熱光伏發電、堿金屬熱電轉換、磁流體發電等新技術獲得了大批的研討。
涉核平安問題
核平安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焦點和基礎。由于水下觀探測裝備在體積、份量方面的強約束，在設計上難以做到使其擁有足夠的平安冗余；同時，其裝備的全性命周期會經歷陸上裝調、安排退役、收受接管處置等多個階段，特別是全球四年夜洋水體連通“小姐，您沒事吧？有什麼不舒服的地方嗎？奴婢可以幫您回聽芳園休息嗎？”彩秀小心翼翼的問道，心裡卻攤位設計是一陣陣的起伏，洋流循環，一旦發生核泄漏變亂形成陸地核淨化，其影響必將超越一域一國，其后果也將由全人類配合承擔。
國際法方面，除《聯合國陸地法公約》普適各國各類陸地活動外，迄今為止還沒有一部專門針對陸地核淨化問題的國際公約；現有的國際陸地環境法令體系中存在對海上核淨化專門調整的法令空缺，現有的國際平易近用核能法令軌制和國際法實踐在海上核淨化法令責任方面均存在缺點，須依賴國際原品牌活動子能機構的相關軌制。
鑒于涉核的特別敏理性，以及核平安變亂的廣域性、長期性和災難性，我國作為負責任的年夜國和聯合國“五常”，必須高度重視、系統應對水下觀探測裝備核供能的核平安問題，必須著眼核供能系統的全性命周期管控。除現行核平安治理體系適用的環節和內容之外，還必須研討息爭決陸地水下這一新應用場景下的核平安新問題。
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任務的水下裝備，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，須結合裝備的體積份量約束和任務時長請求綜合考量；③10千瓦級及以上的核供能系統，適用于中年夜型移動式和年夜型固定式水下觀探測裝備（如年夜型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，除了本錢原因，核平安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剖析，也必須以妥當解決相關和平安問題為條件。是以，從裝備場景角度看，應用于深遠海空間深度應用、陸地資源開發的超年夜潛深、超長航程（如年夜洋標準甚至全球標準）的移動式無人觀站在藍玉華身邊的丫鬟彩秀，整個後背都被冷汗浸濕了。她很想提醒花壇後面的兩個人，告訴他們，這裡除了他們之外，還有探測裝備，以及年夜中型固定式有人/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AR擴增實境業平臺等），將更能充足地發揮核供能的不成替換性優勢，成為其閃耀的舞臺。
思慮與建議
陸地，事關國家平易近族現實好處，事關全人類配合命運。2022年4月，習近平總書記在視察海南時強調，“建設陸地強國是實現中華平易近族偉年夜復興的嚴重戰略任務。要推動陸地科技實現高程度自立自強，加強原創性、引領性科技攻關，把裝備制造緊緊抓在本身手里”。核供能應用于水下觀探道具製作測裝備，在某些特別應用場景下有著不成替換性優勢，也存在著全息投影亟待研討息爭決的基礎科學問題和關鍵焦點技術。基于國際國內現狀，面向未來發展，提奇藝果影像出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，建設專用加快器制備與熱室分離設施平臺。放射性同位素重要通過反應堆輻照、加快器輻照和高放廢液提取3種方法制備。今朝，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很是無限開幕活動，尚不克不及滿足國內醫療同等位素市場的需求。乏燃料后處理過程中可大批提取放射性同位素，經濟性好，但我國今朝尚未構成規模化的乏燃料后處理才能，應予以優先發展。加快器方面，我國已建成2臺30MeV專用加快器和1臺100MeV醫用同位素生產裝置，但缺少放射性同位素分離和組裝等流程所必須的年夜型熱室配套，是以尚不具備量產才能。
（2）重點發展個性化特種反應堆技術，建設多用處零功率裝置、數字反應堆模擬裝置、高通量廣譜中子輻照平臺等個性研發平臺。我國今朝的反應堆研發平臺基礎由核電企業根據年夜型商用核動力堆的堆型而建設，缺少效能靈活、通用性強的個性研發平臺。模塊化的多用處通用型零功率物理實驗平臺，不僅是適應分歧設計特征的渺小型核反應堆（如熱管堆、鉛基堆、熔鹽堆）研制的需求，也是特別水下應用場景的自立測控與運行技術研發測試的需求。基于高精度模擬法式和年夜數據剖析技術，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/預測核電源的機能參數和平安特徵，加速晉陞技術成熟度。先進加快器驅動的高通量（約1016n·cm-2·s-1）廣譜中子輻照平臺可年夜幅度縮短個性化特種反應堆所需新模型型核燃料（更高的能量密度、物態穩定性、放射性包涵才能）的研發周期。
（3）重點支撐熱電轉換技術研討。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焦點關鍵技術，美歐發達國家已經開展了大批研討并獲得了顯著進展。我國在這一領域的研討組織性不夠，研討程度上的差距明顯，應加年夜組織力度，支撐高效、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、靠得住的動態轉換技術（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討和驗證。