锶-90热源技术开启核废料回收新时代

2023年秋季，小型团队Zeno Power完成了一项重大壮举：他们展示了数十年来首个锶-90热源装置，也是首家由商业公司实现的此类成果。Zeno Power与Pacific Northwest National Laboratory合作，在其实验室的放射化学处理实验室中制造并验证了Z1热源设计。Z1实验标志着对放射性同位素电源系统（RPS）技术开发的重新关注。2025年初，该热源被拆除，锶-90被送回美国能源部以继续使用。

这一新颖项目在其完整生命周期内的成功完成预示着核废料政策将迎来更广泛的转变。数十年来，核燃料循环的后端一直以政治僵局和临时储存乏燃料的库存增长为特征。尽管近年来反应堆技术取得重大创新，但美国能源部和私营部门直到现在才开始关注燃料循环的创新。

如今，多重有利因素正在推动对部署RPS的重新关注——这种小型核电池能够提供数十至数百瓦的热电功率。新技术和成本下降正为新的应用开辟严苛的环境。私营企业正寻求开采新资源，从海底的关键矿物到月球表面的稀有氦-3。行星地质学家和深海生物学家都在寻求对偏远地区的长期持续访问。在重新兴起的大国竞争背景下，美国及其盟友希望在竞争环境中保障安全。

这种新需求为燃料循环政策提供了潜在的调整方向。与其他放射性同位素应用（如医疗和工业用途）相比，RPS需要相对大量的核材料，通常达到数万居里。值得注意的是，最有前景的RPS燃料，如锶-90、铯-137和镅-241，大部分来自乏燃料中的热和辐射挑战。因此，RPS需求可能成为更广泛的回收和再利用技术的催化剂，以减少废料负担。

与此同时，现有的放射性同位素需求（尤其是医疗应用）预计将在全球范围内迅速增长。传统的医疗生产设施老旧且即将退役，可能导致供应缺口。

如今，创新正在燃料循环领域扩散，由市场和日益增长的政策推动。最终，这一转变可能将核“废料”从负担转变为战略资产。

与依赖太阳能或碳氢化合物的传统电源不同，RPS设备将自然衰变的放射性同位素产生的热能转化为可靠电力，可多年无需补充燃料。钚-238因其在美国宇航局（NASA）行星科学目标中的应用而广为人知。然而，在20世纪末，超过1,000个锶-90系统用于地面应用，其中仅美国就部署了100多个。

如今，RPS正经历显著的复兴，其驱动力来自于前沿环境的扩展应用。

航天领域的发展可能是最具代表性的。SpaceX和其他运载火箭创新者正广泛采用可重复使用的火箭技术以提高发射频率。在SpaceX的“星舰”（Starship）、Blue Origin的“新格伦”（New Glenn）和NASA的“太空发射系统”（Space Launch System）之间，美国现已拥有三种不同的超重型运载火箭，能够将此前难以想象的质量送入深空。同时，多家公司正在开发中型运载火箭以与“猎鹰9号”竞争，从而多样化前往月球表面的运输选择。

与运载火箭技术进步并行的是，前往月球表面的成本正在快速下降。在过去18个月中，美国商业公司Intuitive Machines和Firefly已将三台着陆器送上月球表面。这是首次由商业公司主导对月球和火星的深空探索。

除了月球表面的探索和机器人科学之外，太空采矿的兴趣正迅速增长。多家初创公司已签订合同，为国家安全应用提供月球氦-3，并着眼于未来向聚变反应堆和量子计算机供应原料的市场。

月球南极蕴藏着大量的水冰沉积物，可用于太空燃料补充，从而点燃预计到2040年达到数千亿美元的太空经济。

Firefly的Blue Ghost着陆器在3月初成功抵达月球表面。（照片：Firefly Aerospace）

月球表面的环境极为严酷。在赤道地区，一个完整的月球日持续一个月球月（相当于地球上的两周），意味着航天器需要忍受为期两周的极寒月夜。而富含水冰的区域（其中一些处于永久阴影中）更具挑战性。太阳能和电池难以在漫长的月夜中为航天器供电，也无法在阴影区域运行。这正是RPS的用武之地。

毫不夸张地说，RPS可能是月球经济的基础——甚至在火星经济中也是如此，因为微弱的太阳光和持续的沙尘暴使RPS成为长期任务的首选技术。

许多公司和国家正在探索多种先进的RPS技术用于太空应用。美国、英国、韩国、日本、印度、中国和澳大利亚都在扩大钚-238的生产能力或探索新的同位素，如锶-90和镅-241。与其他太空创新一样，许多国家正在转向公私合作模式。

在地球上，RPS技术的现代应用同样具有变革性。偏远地区、极端环境和战略基础设施对强大可靠的能源解决方案的需求日益增长。

在陆地上，RPS提供的能源解决方案是传统电池或可再生能源无法可靠实现的。它们可以为北极和南极的远程科学观测站供电。地下应用（如深矿井或地震仪）可以从其韧性电源中受益。从长远来看，无处不在的RPS可以支持高优先级、离网应用，如应急响应系统。

在海洋环境中，RPS可为海平面以下数千米的海床提供电力。就在过去的几个月里，国家对关键矿物供应的担忧重新点燃了对深海采矿的长期兴趣。这一新兴产业可以轻松供应镍、钴和铜，但其作业几乎在表面以下三英里处进行。RPS技术的长寿命和稳健性意味着它可以为这一新行业的环境监测设备供电，确保采矿活动以负责任的方式进行。更广泛地说，海床RPS可以支持多种类型的深海基础设施，从海上能源到海洋学，从关键基础设施保护到海上领域感知。