水下观探测装备核供能方案的思考

彭子龙 阎述学 殷建平 杨 磊 蔡翔舟 郁 杰

1 中国科学院赣江创新研究院 赣州 341119

2 中国科学院沈阳自动化研究所 沈阳 110169

3 中国科学院南海海洋研究所 广州 510301

4 中国科学院近代物理研究所 兰州 730000

5 中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800

6 中国科学院合肥物质科学研究院 合肥 230031

海洋是生命的摇篮，资源的宝藏，风雨的温床，贸易的通道，国防的屏障。海洋作为地球系统的重要组成部分，是全球气候变化和生态环境变化的主要驱动力。海洋关乎绝大多数国家的国家安全及油气、矿产等重大资源权益，更关乎世界和平、全球气候变化、人类生存与发展等全人类共同面临的前途命运问题。

遗憾的是，人类对海洋的认知还远远不能满足应对上述重大问题的需要。作为海洋大国，我国拥有约1.8 万公里的海岸线，近 300 万平方公里的蓝色国土。近年来，我国在海洋领域的科技水平得到了较快提升，但与海洋强国相比整体上还有很大差距，急需高水平科技创新的支撑保障，以满足经济社会发展和国家安全的重大需求。在 2021 年发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》中，“积极拓展海洋经济发展空间”单列一章，并明确提出“培育壮大海洋工程装备”“加强深海战略性资源和生物多样性调查评价”“推动构建海洋命运共同体”。

1 长时稳定供能是海洋水下观探测装备的核心挑战之一

认知海洋，就必须深入海洋。人类目前正处在无人与载人装备观探测并行快速发展的阶段，未来必将走向深/远海载人驻留观测——通过建设深海原位实验室甚至海底城市，开展“更广、更深、更精、更久”的接触或原位观测与研究。得益于 21 世纪以来材料、能源、导航定位等技术的不断发展，海洋原位观测与现场实验的技术和装备研发正不断取得突破；但是，受海水介质的密度等内禀性质约束，时至今日海洋仍然是人类对自身所生活星球认知中的短板之一。

海洋水下观探测装备通常是一个有限空间、有限重量的耐压密闭体，除了直接面临着压力（每增加 10 米深度即增加约 1 个大气压）、腐蚀（包括海水和海洋生物腐蚀）、通信（高度依赖声波）等特殊环境困难外，其能源系统不仅须满足可靠性、安全性、耐低温、抗震动等条件，还受到体积和重量的强约束，由此也制约了装备的有效观测时长。

具体而言，① 对于小型水下移动装备（如水下滑翔机、Argo 浮标、长航程 AUV 等①本文所用英文缩写：Argo（Array for Real-time Geostrophic Oceanography），地转海洋学实时观测阵列；UUV（Unmanned Underwater Vehicle），无人水下航行器或无人潜航器；AUV（Autonomous Underwater Vehicle），自主式水下航行器或自主水下机器人；ROV（Remote Operated Vehicle），遥控无人潜水器或遥控水下机器人。），其能源需求以能量型为主，其能源系统不要求瞬间大功率，但需要较高能量密度，可长期稳定安全使用；② 对于需要长期值守的水下固定装备（如潜标），一般采用一次性电池作为其能源来源，其能源系统需要长寿命周期和高可靠性；③ 对于需要高速机动的水下装备，由于要满足推进器等大功率机构的用电需求，其能源需求以功率型为主，其能源系统需要能够提供持续的大电流输出；④ 对于载人潜器，其能源需求主要以安全性为主。图 1 和 2 总结了各种海洋水下装备的供能功率需求和各种能源的适用范围[1]。

图1 各种深海活动装备的功率需求Figure 1 Demand of electric power for activities in deep sea

目前，绝大多数水下观探测装备使用电池（各类的一次/二次电池、燃料电池）供能[2,3]，其中一次/二次电池的比能量密度普遍在 230 Wh·kg-1以下：用于载人潜器的最大生命支持时间不超过 143 h（法国的“鹦鹉螺号”）；用于 UUV 的续航力普遍在 20—30 h@2—3 kn②kn（knot），节（1节=1海里/小时=1.852公里/小时）；https://www2.whoi.edu/site/osl/vehicles/remus-100/；https://gdmissionsystems.com/products/underwater-vehicles/bluefin-21-autonomous-underwater -vehicle；http://www.sia.cas.cn/kycg/cgzh/202008/t20200827_5677598.html。；用于水下滑翔机或 Argo 浮标时的比能量密度可显著提高（不超过 400 Wh·kg-1），并且水下滑翔机（如我国的“海翼 1000”、美国的 SLOCUM G3③http://www.teledynemarine.com/slocum-glider/.）续航力可达 90—120 天，Argo 浮标（如美国的 APEX BioGeoChem④http://www.teledynemarine.com/apex-biogeochem?ProductLineID=61.）续航力则可达 4 年。燃料电池的比能量密度可大幅提高到约 400—500 Wh·kg-1，并显著提高了吨量级 UUV 的续航力（如挪威的 HUGIN-3000、美国的 Echo Ranger[4]）。

近年来，各海洋强国相继推出了中长期海洋新战略和新计划，加快推进高可靠性的长期无人/载人水下观探测与开发装备的研发。例如：美国正在规划建造功能更加强大的长周期通用型深海实验室；俄罗斯针对北冰洋油气开发的长周期水下固定平台需求，制定了水下供能平台、运输平台等多类专用型深海实验室的研制方案等。我国在“十四五”期间也将推动长期载人海底原位实验平台和深海载人移动实验平台的规划建设。这其中，超长时水下供能源技术无疑是瓶颈挑战：一次/二次电池和燃料电池技术，技术成熟，性能可靠，应用广泛，但其供能能力取决于化学能（储电材料、燃料与氧化剂）的初始携带量。核能来自核反应过程的能量释放，具有能量密度高的本质特征；同位素电池（或称同位素电源）早在 1974 年即已应用于美国的海洋装备，核反应堆电源也已经成为竞相发展的技术前沿。

图2 各种能源的使用范围Figure 2 Scope of use of various electric power

2 海洋水下观探测装备核供能技术及其前景

核供能泛指利用核反应所释放的能量来满足热能、电能等能量需求。当前所能利用的核反应主要是放射性同位素的自发核衰变反应和裂变材料的人工核裂变反应，前者的主要利用方式是同位素热源和同位素电池，后者主要是核反应堆[5]。

2.1 同位素电池

同位素电池的核心是放射性同位素材料，其选择需结合装置工作时长、体积与总量限制等实际需求，考虑衰变种类（α 衰变和/或 β 衰变）、半衰期、放射性强度等要素，同时为降低辐射防护成本应尽量选择无伴生高强度或高能 γ 衰变的材料。常用材料有 α 衰变的钋 -210、钚 -238 和 β 衰变的锶 -90 等。放射性同位素材料可从反应堆乏燃料中分离提取，也可通过反应堆或加速器进行定制化生产。

由于放射性同位素的自发衰变属于固有的内禀性质，不受任何外界因素影响。因此，同位素电池具有性能稳定性强、环境适应性强的突出特点，同时其理想寿命只取决于放射性同位素的半衰期。具体而言，同位素电池的特点有：① 寿命长。例如，钚 -238 和锶 -90 的半衰期分别为 87.74±0.04 年和 28.6±0.3 年，其同位素电池设计寿命可达 5—10 年——早期部署的电池实际已服役超过 41 年之久[6]。② 环境适应性强。不依赖阳光或氧化剂，无须添加或更换放射性同位素材料，环境温度、辐射损伤、海水静压及腐蚀等因素的影响程度只在于同位素电池的外围材料与器部件。③ 易于小型化轻量化。电池结构紧凑，尺寸小、重量轻、功率密度高。采用 α 衰变材料时无需放射性屏蔽措施。美国第一台正式应用的同位素电池仅重 2 kg，提供的电力却相当于 300 kg 的镍-镉电池。④ 可靠性高。同位素电池外壳设计坚固、密封可靠，能经受海水静压力和长期腐蚀等极端环境，并且能抵御机械撞击、爆炸热冲击、高温烧蚀等严酷考验。但是，同位素电池也存在功率较小的弱点，在满足大功率需求时需要结合二次电池等技术。

1913 年英国科学家 Moseley[7]首次提出 β 放射性同位素电池概念，美国于 1956 年制定了“核动力辅助计划”（SNAP）[8]并于 1961 年首次将同位素电池成功应用于空间探测领域[9]。同位素电池技术自此进入快速发展时期，被美国和苏联/俄罗斯广泛部署于空间、海洋、地面等特种装备中。美国自 1974 年起陆续在海底部署了多种 SNAP-21 和 Sentinel-25 同位素电池，建立了海底传感系统和监听网络。俄罗斯在白令海、北极等偏远地区共部署了 1 000 多个锶 -90 同位素电池，用于无人气象站、灯塔、观测站和监听站的电力供应。

我国同位素电池研发长期落后于美国、俄罗斯等国。1971 年 3 月12日，中国科学院原子核研究所（现“中国科学院上海应用物理研究所”）研制成功我国首个同位素电池；该电池采用钋 -210 衰变源，电功率 1.4 W，热电转换效率 4.2%，填补了国内空白[10]。2006 年，中国原子能科学研究院牵头研制成功了百毫瓦级的钚 -238 同位素电池[11]。这类技术随后被应用在嫦娥三号（2013 年，同位素热源）[12]和嫦娥四号（2019 年，同位素电源）[13]的探测器。目前，受强烈的需求驱动，国内已有多个高校和研究所正在开展相关研究并取得了可喜的成果。

2.2 反应堆电源

顾名思义，反应堆电源就是将核反应堆内自持核裂变反应产生的热能转换为电能的装置，通常由反应堆本体、辐射屏蔽体、热电转换系统、废热排放系统和自动控制系统等部分组成：反应堆本体内核裂变反应产生的热能被传输到热电转换系统后，一部分热能被转换为电能，其余热能则可用于装备热平衡管理或由废热排放系统释放到环境海水中；辐射屏蔽体位于反应堆本体与装备其他组成（包括乘员）之间以降低辐射剂量至安全水平；自动控制系统负责整个反应堆电源系统的监测与运行控制。

与常规的电源相比，反应堆电源具有能量密度高、持续高功率输出能力强、功率可调范围大、外界物质依赖性低（无需氧化剂和核燃料储备等）等特点，可显著提高水下观探测装备的自持力、续航力、机动性、隐蔽性等综合能力。

按中子能谱，反应堆电源可分为热中子堆、超热中子堆和快中子堆。采用快中子能谱能够把铀 -238 增殖转换为核燃料钚 -239，可实现不换料供能寿命与装备同寿期。

按冷却方式，反应堆电源可分为气体冷却堆、液态冷却堆和热管冷却堆。气体冷却堆，技术成熟度高；但由于气体的热导和热容相比液态金属、水等常用液态冷却剂小很多，要做到同等比能量或比功率的难度极大。因此，气体冷却堆较为适用于陆上固定式供能场景。液态冷却堆，堆芯换热能力强，大功率（＞10 MWe）情况具有轻量小型的优势（如铅基堆）；但通常需要配置冷却剂强迫循环泵，会带来一定的振动、噪声和惯性矢量等问题。热管冷却堆，具有可靠性高、不依赖辅助系统、动态响应特性好、静默运行等优势。尤其是小功率（＜1 MWe）情况下的固态耦合热应力和装配工艺问题较小，且水下环境天然存在着几乎无限大的海水冷源，通过合理设计发挥这一优势的潜力极大[14]。热管冷却堆在航天领域已经得到国内外的广泛研究。例如：美国的 HOMER 系列热管冷却堆，采用高富集度铀燃料，钠钾热管冷却，斯特林循环发电，电功率可达 25 kW，热电转换效率可达 20%；MSR 锂热管冷却堆，电功率为百千瓦量级，堆外热离子转换发电，热电转换效率大于 10%；SAIRS 和 LEGO-LRCS 钠热管冷却快堆，分别采用碱金属热电转换和斯特林循环发电，电功率分别为约 100 kW 和 30 kW。在我国，中国原子能科学研究院也研究提出了多种可用于航天任务的热管堆设计方案，如火星表面堆、月表核电站等。

2.3 核能到电能的转换技术

同位素电池和反应堆电源均需要把核反应释放的能量转换为电能，转换效率是最核心的指标。换能方式按工作原理可分为热转换型和非热转换型，按结构特征可分为静态型和动态型（图 3）。

图3 核能到电能的各种转换方式Figure 3 Various approaches of converting nuclear energy to electricity

非热转换型是将核反应所释放的粒子的动能直接或经次级效应转换成电能，典型如 β 射线（即电子）直接收集利用。热转换型则是以热能为中介将核能转换为电能，典型如利用塞贝克（Seeback）效应的温差发电。

静态型和动态型的分类则主要依据换能系统中是否使用运动部件，如：动态型朗肯循环和布雷顿循环均使用叶轮机械，以及斯特林循环使用往复式机械等。动态型能量转换方式[15,16]在地面应用的技术成熟度很高，能量转换效率也较高，但应用于移动式水下观探测装备时或将带来姿态控制和振动隔离的额外要求，因此更适合于固定式装备；同时，针对水下特殊环境，小型化、紧凑式的整体设计和全寿期的可靠性要求也极为严苛。

静态型能量转换方式虽然在能量转换效率上并无优势甚至不够理想，但没有运动部件的特点带来了系统可靠性高、密封性好、模块化设计潜力大、相对尺寸小/重量轻等诸多宝贵优点；此外，还具有负载跟随特性好等特点。因此，静态型能量转换方式是海洋水下观探测装备核供能系统优先考虑的能量转换方式。

各种转换方式的具体工作原理[17-26]在此不再赘述。值得指出的是，为追求更高能量转换效率，适用于更高热源温度（＞1 000 K）的辐射伏特效应[27-30]、热光伏发电[31-34]、碱金属热电转换[35]、磁流体发电[36]等新技术得到了大量的研究。

2.4 涉核安全问题

核安全问题是核供能系统必须面对的特有问题，是水下观探测装备采用核供能的核心和基础。由于水下观探测装备在体积、重量方面的强约束，在设计上难以做到使其拥有足够的安全冗余；同时，其装备的全生命周期会经历陆上装调、部署服役、回收处置等多个阶段，特别是全球四大洋水体连通，洋流循环，一旦发生核泄漏事故造成海洋核污染，其影响必将超出一域一国，其后果也将由全人类共同承担[37,38]。

国际法方面，除《联合国海洋法公约》普适各国各类海洋活动外，迄今为止还没有一部专门针对海洋核污染问题的国际公约；现有的国际海洋环境法律体系中存在对海上核污染专门调整的法律空白，现有的国际民用核能法律制度和国际法实践在海上核污染法律责任方面均存在缺陷[39]，须依赖国际原子能机构的相关制度[40]。

鉴于涉核的特殊敏感性，以及核安全事故的广域性、长期性和灾难性，我国作为负责任的大国和联合国“五常”，必须高度重视、系统应对水下观探测装备核供能的核安全问题，必须着眼核供能系统的全生命周期管控。除现行核安全管理体系适用的环节和内容之外，还必须研究和解决海洋水下这一新应用场景下的核安全新问题。

2.5 水下观探测装备的核供能适用性

综上所述，根据核供能技术及其热电转换技术的技术特点与成熟度情况，从寿命角度核供能无疑更适合于单次长时甚至超长时工作的水下装备，从功率角度则可定性小结为：① 千瓦级以下的核供能系统，适用于微型、小型的固定式、移动式水下观探测装备，可采用同位素核热源与静态热电转换技术；② 千瓦级的核供能系统，适用于小型的移动式水下观探测装备和中型的固定式水下观探测装备（如长航程 AUV 等），采用同位素或反应堆核热源与静态或动态热电转换技术，须结合装备的体积重量约束和工作时长要求综合考量；③ 10 千瓦级及以上的核供能系统，适用于中大型移动式和大型固定式水下观探测装备（如大型 UUV、ROV、载人深潜器、深海实验室等），宜采用反应堆核热源与动态热电转换技术。

必须强调的是，除了成本因素，核安全是核供能应用于水下观探测装备的强约束条件；以上关于适用性的定性分析，也必须以妥善解决相关和安全问题为前提。因此，从装备场景角度看，应用于深远海空间深度利用、海洋资源开发的超大潜深、超长航程（如大洋尺度甚至全球尺度）的移动式无人观探测装备，以及大中型固定式有人/无人观探测装备（如深海实验室等）或平台（如水下供能基站、水下工程作业平台等），将更能充分地发挥核供能的不可替代性优势，成为其闪耀的舞台。

3 思考与建议

海洋，事关国家民族现实利益，事关全人类共同命运。2022 年 4 月，***总书记在视察海南时强调，“建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务。要推动海洋科技实现高水平自立自强，加强原创性、引领性科技攻关，把装备制造牢牢抓在自己手里”。核供能应用于水下观探测装备，在某些特殊应用场景下有着不可替代性优势，也存在着亟待研究和解决的基础科学问题和关键核心技术。基于国际国内现状，面向未来发展，提出 4 个方面的建议。

（1）重点发展放射性同位素制备和分离技术，建设专用加速器制备与热室分离设施平台。放射性同位素主要通过反应堆辐照、加速器辐照和高放废液提取 3 种方式制备。目前，我国仅有 5 座可生产放射性同位素的非专用反应堆，但它们可制备的放射性同位素种类和产量均非常有限，尚不能满足国内医疗等同位素市场的需求。乏燃料后处理过程中可大量提取放射性同位素，经济性好，但我国目前尚未形成规模化的乏燃料后处理能力，应予以优先发展。加速器方面，我国已建成 2 台 30 MeV 专用加速器和 1 台 100 MeV 医用同位素生产装置，但缺乏放射性同位素分离和组装等流程所必需的大型热室配套，因此尚不具备量产能力。

（2）重点发展个性化特种反应堆技术，建设多用途零功率装置、数字反应堆模拟装置、高通量广谱中子辐照平台等共性研发平台。我国目前的反应堆研发平台基本由核电企业根据大型商用核动力堆的堆型而建设，缺乏功能灵活、通用性强的共性研发平台。模块化的多用途通用型零功率物理实验平台，不仅是适应不同设计特征的微小型核反应堆（如热管堆、铅基堆、熔盐堆）研制的需要，也是特殊水下应用场景的自主测控与运行技术研发测试的需要。基于高精度模拟程序和大数据分析技术，开发高度集成的、多物理耦合的数字核电源模拟装置，可全方位、全寿期模拟/预测核电源的性能参数和安全特性，加快提升技术成熟度。先进加速器驱动的高通量（约 1016n·cm-2· s-1）广谱中子辐照平台可大幅度缩短个性化特种反应堆所需新型核燃料（更高的能量密度、物态稳定性、放射性包容能力）的研发周期。

（3）重点支持热电转换技术研究。热电转换技术是水下观探测、空间探测等场景下应用核供能的核心关键技术，美欧发达国家已经开展了大量研究并取得了显著进展。我国在这一领域的研究组织性不够，研究水平上的差距明显，应加大组织力度，支持高效、稳定的静态转换技术（如碱金属热电转换技术、热光伏转换技术等），紧凑、可靠的动态转换技术（如超临界二氧化碳循环、热声发电技术等），以及耦合应用技术的创新研究和验证。

（4）重点支持水下特殊应用场景下的核安全问题研究。包括但不限于：① 制定水下观探测装备核供能系统的核安全设计准则与审评导则，推动海洋极端意外情况下安全指标及其试验验证方法的确定等；② 服役过程中核供能系统全自主状态监测、故障诊断、事故容错、运行控制的技术可靠性；③ 服役过程中事故工况下核供能系统的安全应急技术，以确保在发生外力撞击、电力失效、超限下沉等意外事故时核材料的完整包容和核热的充分导出，不致发生放射性泄漏；④ 服役过程中切实有效的核材料实物保护，确保核材料被有意（如有预谋的盗抢）或无意（如捕鱼时误捞）获取而致扩散的风险足够小，以及确保核材料一旦失去管控的应急措施足够及时和有效。

致谢感谢中国科学院院部詹文龙、中国科学院沈阳自动化研究所李硕和中国科学院重大科技任务局吴园涛在本文酝酿策划与成稿过程中所给予的重要指导；感谢中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术研究所何梅生、余大利、汪振等协助收集整理相关资料。