核電池的基本原理、種類概述

放射性同位素電池的熱源是放射性同位素。它們在蛻變過程中會不斷以具有熱能的射線的形式，向外放出比一般物質(zhì)大得多的能量。這種很大的能量有兩個令人喜愛的特點。一是蛻變時放出的能量大小、速度，不受外界環(huán)境中的溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場的影響，因此，核電池以抗干擾性強(qiáng)和工作準(zhǔn)確可靠而著稱。另一個特點是蛻變時間很長，這決定了放射性同位素電池可長期使用。

放射性同位素電池采用的放射性同位素來主要有鍶-90(Sr-90，半衰期為28年)、钚-238(Pu-238，半衰期 89.6年)、釙-210(Po-210半衰期為138.4天)等長半衰期的同位素。將它制成圓柱形電池。燃料放在電池中心，周圍用熱電元件包覆，放射性同位素發(fā)射高能量的α射線，在熱電元件中將熱量轉(zhuǎn)化成電流。

放射性同位素電池的核心是換能器。目前常用的換能器叫靜態(tài)熱電換能器，它利用熱電偶的原理在不同的金屬中產(chǎn)生電位差，從而發(fā)電。

它的優(yōu)點是可以做得很小，只是效率頗低，熱利用率只有10%～20%，大部分熱能被浪費(fèi)掉。在外形上，放射性同位素電池雖有多種形狀，但最外部分都由合金制成，起保護(hù)電池和散熱的作用;次外層是輻射屏蔽層，防止輻射線泄漏出來;第三層就是換能器了，在這里熱能被轉(zhuǎn)換成電能;最后是電池的心臟部分，放射性同位素原子在這里不斷地發(fā)生蛻變并放出熱量。

按能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，核電池一般可分為直接轉(zhuǎn)換式和間接轉(zhuǎn)換式。更具體地講,包括直接充電式核電池、氣體電離式核電池、輻射伏特效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換核電池、熒光體光電式核電池、熱致光電式核電池、溫差式核電池、熱離子發(fā)射式核電池、電磁輻射能量轉(zhuǎn)換核電池和熱機(jī)轉(zhuǎn)換核電池等。

按提供的電壓的高低, 核電池可分為高壓型(幾百至幾千V)和低壓型(幾十mV— 1 V 左右)兩類。高電壓型核電池以含有β射線源(鍶-90或氚)的物質(zhì)制成發(fā)射極，周圍用涂有薄碳層的鎳制成收集電極，中間是真空或固體介質(zhì)。低電壓型核電池又分為溫差電堆型、氣體電離型和熒光-光電型三種結(jié)構(gòu)。

核電池的主要發(fā)展歷程

第一個放射性同位素電池是在1959年1月16日由美國人制成的，它重1800克，在280天內(nèi)可發(fā)出11.6度電。在此之后，核電池的發(fā)展頗快。

1961年美國發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星“探險者1號”，上面的無線電發(fā)報機(jī)就是由核電池供電的。1976年，美國的“海盜1號”、“海盜2號”兩艘宇宙飛船先后在火星上著陸，在短短5個月中得到的火星情況，比以往人類歷史上所積累的全部情況還要多，它們的工作電源也是放射性同位素電池。

2012年，美國“好奇”號登錄火星?！昂闷妗敝亓砍^900公斤，是2004年登陸火星的“勇氣”號和“機(jī)遇”號重量的約5倍。

“好奇”號的動力由一臺多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器提供，其本質(zhì)上是一塊核電池。該系統(tǒng)主要包括兩個組成部分：一個裝填钚-238二氧化物的熱源和一組固體熱電偶，可以將钚-238產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電力。這一系統(tǒng)設(shè)計使用壽命為14年，也高于太陽能電池板。該系統(tǒng)足以為“好奇”號同時運(yùn)轉(zhuǎn)的諸多儀器提供充足能量。

核電池材料

一般來說,核電池結(jié)構(gòu)最里邊是其心臟部分,為放射性同位素,它不斷地發(fā)生衰變并放出熱量;同位素的外層為換能材料,在這里熱能被轉(zhuǎn)換成電能;接著是輻射屏蔽層,防止輻射線泄漏出來;最外邊一般由合金制成,起保護(hù)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和散熱的作用?？梢姾穗姵厮貌牧仙婕巴凰胤派湓?、能量轉(zhuǎn)換材料、防輻射材料、散熱材料等。由于其特殊的用途決定了所選用材料的特殊性。

同位素放射源

同位素放射源在不同類型的核電池中所起的作用也不盡相同。直接充電式核電池是利用放射源發(fā)射的帶電粒子來產(chǎn)生電勢差;氣體電離式核電池和輻射伏特效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換核電池是利用其發(fā)射的粒子束對介質(zhì)的電離作用來產(chǎn)生電勢;熒光體光電式核電池是利用其發(fā)射射線誘發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光后通過光電轉(zhuǎn)換成電能;而熱致光電式核電池、溫差式核電池和熱機(jī)轉(zhuǎn)換電池則利用放射源產(chǎn)生的熱能來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

作為核電池的能量來源,同位素放射源都必須滿足以下條件:半衰期長(以保證電池的長壽命)、功率密度高、放射性危險性小、容易加工、經(jīng)濟(jì)和易于屏蔽等。

根據(jù)放射性同位素放出的射線不同,可以將其分為α源、β源、γ源3類,其中適合作為核電池放射源的有近10種。包括γ源60Co; β源90Sr,137Cs,144Ce 和147Pm; α源210Po,233Pu,241Am,242Cm和244Cm 等。

這些同位素單質(zhì)或化合物通常用耐高溫材料做成的外殼密封,一起構(gòu)成核電池的能量核心。在空間應(yīng)用中最為合適的放射性同位素的是α熱源,如238Pu和210Po,它們的外照射劑量低,所需屏蔽重量小,可以大大節(jié)省火箭發(fā)射費(fèi)用。238Pu的壽命長,半衰期為87.7a,衰變時釋放的能量為5.48MeV。美國在空間飛行器上均使用238Pu熱源。就238Pu熱源的燃料形式而言,早期曾使用過金屬钚(如SNAP-3B和SNAP-9A),之后使用了氧化钚微球(如SNAP-19B和SNAP-27)、氧化钚-鉬陶瓷(如SNAP-19和百瓦級RTG),現(xiàn)今已發(fā)展為熱壓氧化钚(238PuO2)塊(如通用型RTG)。

電能轉(zhuǎn)換材料

核電池的發(fā)電機(jī)制各有不同,所用能量轉(zhuǎn)換材料也不同。

直接充電式核電池的兩個電極都選用金屬,發(fā)射電子的一端為正極,接收電子的一端為負(fù)極。美國康奈爾大學(xué)科學(xué)家利用銅板和同位素63Ni板作為新型電池,在衰變時63Ni會釋放β粒子,失去電子獲得正電荷,銅板接收β粒子帶負(fù)電;外接負(fù)載構(gòu)成回路時,鎳銅電池便會開始工作,源源不斷地產(chǎn)生電流,為負(fù)載提供電能。63Ni半衰期達(dá)100a,按半衰期來算,該電池至少工作50a。

氣體電離式核電池的能量轉(zhuǎn)換靠溢出功有差異的材料實現(xiàn),一般高溢出功的材料有鉑、氧化鉛、鉬和金等;低溢出功的材料有鎂和鋁等;放射性氣體電介質(zhì)通常為氚或85Kr。若用二氧化鉛(高逸出功)和鎂(低逸出功)作為電極,開路電壓可達(dá)1.5V 左右。

輻射伏特效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換核電池、熒光體光電式核電池、熱致光電式核電池和溫差式核電池的發(fā)展都與半導(dǎo)體技術(shù)密切相關(guān)。隨著半導(dǎo)體材料制造技術(shù)的提高,使得這些電池的實際應(yīng)用成為可能。例如,美國能源部提出的先進(jìn)放射性同位素發(fā)電體系(ARPS)的開發(fā)計劃中就包括熱致光電式核電池,使用的半導(dǎo)體為Ga-Sb元件,另外,Ge和Ga-As元件可較好地滿足要求。采用這種材料制造的核電池的能量轉(zhuǎn)換效率比目前使用溫差式核電池高出2—3倍,這一計劃的實施意味著未來空間能源在輸出同樣的功率時,可以使用較少的放射性同位素原料,并大大減少電池的重量和成本。

溫差式核電池作為一種成熟的核電池,所用的能量轉(zhuǎn)換材料為熱電材料,是核電池的重要部件,其功能是將放射性同位素衰變時產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。溫差熱電轉(zhuǎn)換部分是由一些性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料組成,如碲化鉍、碲化鉛、鍺硅合金和硒族化合物等,把這些材料串聯(lián)起來,P型半導(dǎo)體元件和N 型半導(dǎo)體元件就作為電池的兩極。它與周圍介質(zhì)之間的溫差通過半導(dǎo)體溫差熱電元件轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱莶?源源不斷地發(fā)出電來。如將一個包含約11mg的210Po放射源密封在直徑約10mm 的小球里,再與7個鉻鎳康銅溫差電偶組成的核電池,其溫差為78℃,開路電壓為42mV。迄今為止,美國空間領(lǐng)域應(yīng)用的溫差式核電池總共使用了3種類型的熱電材料。早期均采用PbTe作熱電材料。后來研制了TAGS(Te,Ag,Ge和Si)合金作P型元件,N 型元件仍為PbTe,熱接點溫度可達(dá)500—610℃。近年來,在百瓦級溫差式核電池和通用型溫差核電池中又使用了新的熱電材料SiGe,使熱接點溫度提高到1000℃。

密封保護(hù)材料

由于核電池的應(yīng)用環(huán)境一般較惡劣,可能要經(jīng)受住外部高溫及低溫的考驗,而且為保障其安全使用,必須做到萬無一失,否則就有可能發(fā)生泄漏,出現(xiàn)大的核污染事故。核電池的密封保護(hù)包括同位素放射源的包覆、能量轉(zhuǎn)換層外的防輻射層和外殼。目前的密封保護(hù)材料主要包括金屬合金、碳素材料及陶瓷材料。

1989年美國發(fā)射的“伽利略號木星探測器、1990年“尤里西斯號暠太陽極區(qū)探測器以及1997年克西尼號土星登陸器所用核電池的同位素放射源都是包覆后的燃料顆粒,它也可以用于空間放射性同位素加熱單元。

238PuO2包覆顆粒是在238PuO2核芯外包覆厚度為5μm 的裂解碳層和厚度大于10μm 的ZrC層。然后將包覆顆粒分散在石墨基體中進(jìn)行壓制,由于石墨基體有良好的導(dǎo)熱性能,在壓制過程中包覆顆粒分布不均勻不會影響熱轉(zhuǎn)換,通過每顆燃料顆粒的溫降也僅僅0.01℃。壓塊中的燃料核芯可以有兩種尺寸(300和1200μm),分別占顆粒體積的62.5%和72%。裂解碳層采用CVD 工藝,以烴類氣體(如乙炔、乙烯和丙烯等)為前驅(qū)體在流化床中進(jìn)行包覆,為疏松結(jié)構(gòu),能儲存238Pu放射時產(chǎn)生的He氣,也能起到應(yīng)力緩沖的作用。包覆的ZrC則是通過鋯的有機(jī)化合物為前驅(qū)體熱解而成,ZrC 層可以耐高溫,也可以作為燃料釋放He氣的容器,有效防止了燃料的泄漏,提高了空間核電池的安全性。

Mohamed等設(shè)計的溫差式核電池中,同樣采用了熱解石墨和ZrC包覆過的PuO2顆粒燃料壓塊作為熱源。該壓制塊用Pt-30%Rh合金箔包覆。合金外部則為熱解石墨層,作為絕熱材料;熱源最外部為緩沖層,所用材料為具有精細(xì)編織結(jié)構(gòu)的碳-碳復(fù)合材料。外殼所用材料是鋁合金,在外殼和熱源之間填充多層絕熱材料和溫差轉(zhuǎn)換材料。

Schock等設(shè)計的熱光電轉(zhuǎn)換核電池的結(jié)構(gòu),每個通用熱源模塊包括4個62.5 W的PuO2燃料團(tuán),密封在銥合金襯里中。其它的模塊單元為石墨,其作用是為了在空間探測器發(fā)射前后及過程中發(fā)生事故時保護(hù)銥襯里的完整。其中包括兩層致密碳層和一層緩沖碳層,它們用精細(xì)編織體制作,是一種非常堅韌的耐高溫三維碳-碳復(fù)合材料。緩沖層作為返回進(jìn)入大氣層發(fā)生意外時的燒蝕體,致密層是為了防止著陸時襯里破裂。在致密層和緩沖層之間的高溫絕熱材料是碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料,它可以防止返回過程中驟熱驟冷對襯里的影響以及著陸前次聲波氣流引起的襯里碎裂。

熱源密封在密封罐里以防止污染物泄漏而影響半導(dǎo)體的性能。密封罐材料為Mo-50%Re,因為該合金具有很好的低溫延性。密封罐外包覆了一層鎢,以減少升華,而且鎢包覆層經(jīng)過粗糙處理,能提高電池的轉(zhuǎn)換效率。密封罐內(nèi)部與緩沖層相連,襯有一層銥以防止石墨和鉬反應(yīng)。該核電池的外殼為鋁合金,電池外殼與密封罐之間通過ZrO2陶瓷球支撐,以減少熱損失。在鋁殼和密封罐之間的空隙中,密封罐的兩頭及其中的兩個側(cè)面填充了絕熱材料,由60層0.008mm 厚的鎢薄片組成,層間分布ZrO2顆粒。同時在密封罐兩側(cè)面則放置著熱光電轉(zhuǎn)換材料。這種結(jié)構(gòu)能使90%的熱能為熱光電轉(zhuǎn)換材料所利用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如作為人工心臟和心臟起博器電源時,外殼則采用惰性金屬合金,如鉑、鉭、金及其合金等。