核電池的基本原理及種類

嫦娥四號除了太陽能板之外，還帶了一塊“核電池”，可以在夜晚的時候也可以開展一些科研觀測，而不必像三號那樣一到晚上就得睡覺。

一說到核電，很多人會自然想到核電站，實際上核電池與核電站的唯一關(guān)系就是都運用了核技術(shù)，但是它們的原理是截然不同的。

核電站是利用核裂變產(chǎn)生的熱量，將水變?yōu)樗魵馔苿悠啓C發(fā)電。核電站的發(fā)電過程與普通火力電站的區(qū)別就是一個是用核能產(chǎn)生熱，一個是燒煤產(chǎn)生熱。而核電池，是使用同位素自然衰變產(chǎn)生的熱量，通過溫差熱電效應，轉(zhuǎn)化為電能。

核電池，又稱同位素電池，它是利用放射性同位素衰變放出載能粒子(如α粒子、β粒子和γ射線)并將其能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。

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—1V 左右)兩類按能量轉(zhuǎn)換機制,它可分為直接轉(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)換核電池和熱機轉(zhuǎn)換核電池等。其中直接充電式核電池、氣體電離式核電池屬于直接轉(zhuǎn)換式,應用較少。目前應用最廣泛的是溫差式核電池和熱機轉(zhuǎn)換核電池。

核電池取得實質(zhì)性進展始于20世紀50年代,由于其具有體積小、重量輕和壽命長的特點,而且其能量大小、速度不受外界環(huán)境的溫度、化學反應、壓力、電磁場等影響,因此,它可以在很大的溫度范圍和惡劣的環(huán)境中工作。目前已經(jīng)在航天、極地、心臟起搏器等領(lǐng)域成功應用。

核電池的基本原理及種類

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、化學反應、壓力、電磁場的影響，因此，核電池以抗干擾性強和工作準確可靠而著稱。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。“好奇”重量超過900公斤，是2004年登陸火星的“勇氣”號和“機遇”號重量的約5倍。

“好奇”號的動力由一臺多任務放射性同位素熱電發(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凰胤派湓础⒛芰哭D(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。

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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極。美國康奈爾大學科學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粒子帶負電;外接負載構(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,為負載提供電能。63Ni半衰期達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1.5V 左右。

輻射伏特效應能量轉(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)展都與半導體技術(shù)密切相關(guān)。隨著半導體材料制造技術(shù)的提高,使得這些電池的實際應用成為可能。例如,美國能源部提出的先進放射性同位素發(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)殡娔堋夭顭犭娹D(zhuǎn)換部分是由一些性能優(yōu)異的半導體材料組成,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型半導體元件和N 型半導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℃。

密封保護材料

由于核電池的應用環(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行壓制,由于石墨基體有良好的導熱性能,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,也能起到應力緩沖的作用。包覆的ZrC則是通過鋯的有機化合物為前驅(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編織結(jié)構(gòu)的碳-碳復合材料。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,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,它們用精細編織體制作,是一種非常堅韌的耐高溫三維碳-碳復合材料。緩沖層作為返回進入大氣層發(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碳復合材料,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。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。

核電池的應用

航天領(lǐng)域的應用

宇宙航行對電源的要求非常高,除了功率必須滿足要求外,不僅要求體積小、重量輕和壽命長,還要能經(jīng)受宇航中各種苛刻條件的考驗。太陽能電池廣泛應用在人造地球衛(wèi)星上,但是當進行遠離太陽的深空航行時,太陽能電池就顯得力不從心,除了因光線太弱導致能量不足外,還有可能因受到強烈的宇宙射線的照射而使能量轉(zhuǎn)換元件失效。而核電池可以滿足各種航天器對電源的長期、安全、可靠供電的要求,被航天界普遍看好并廣泛應用。

20世紀,美國發(fā)射的地球衛(wèi)星、登月飛船、空間探測器都使用核電池作為動力,且多為溫差式核電池。例如,1961年發(fā)射的“探險者1號導航衛(wèi)星,使用核電池作電源,到了1972年還能清晰地接收到它發(fā)出的訊號。1969年7月21日,美國宇航員乘阿波羅11號飛船成功登上月球。在阿波羅11號飛船上,安裝了兩個放射性同位素裝置,其熱功率為15 W，用的燃料為238Pu。在月球嚴酷的自然環(huán)境下,同位素電池仍能正常穩(wěn)定工作。后來發(fā)射的阿波羅12,14,15,16 及17 號相繼安裝了SNAP-27A 核電池,它用的燃料也是238Pu,設計輸出功率為63.5W,整個裝置重量為31kg,設計壽命為1年,但實際上,其壽命遠遠超過設計時的1年,并能連續(xù)供給70W 以上的電力。

1997年10月“卡西尼號宇宙飛船沿著金星--地球-木星的借力飛行路線于2001年5月18日正式進入土星系,并獲得了清晰的土衛(wèi)九照片。它的核電池所用核材料為238PuO2陶瓷壓塊,可提供750W 的總功率,到探測器11年的飛行任務結(jié)束時仍能發(fā)出628W 的電力。

隨著人類航天活動的日益拓展,必然對空間電源提出新的需求,同位素電池成為航天技術(shù)進步的更重要工具。

航海、航空導航等領(lǐng)域的應用

處于深海、遠海、急流險灘處的燈塔和導航浮標等需要的能源必須保證壽命長,通常的太陽能電池、燃料電池和其他化學電池很難勝任,而采用核電池,能保證光源幾十年內(nèi)不換電池,不用為經(jīng)常更換電池和維修發(fā)電機而煩惱。

軍事上,還將核電池用作水下監(jiān)聽器的電源,用來監(jiān)聽敵方潛水艇的活動。它的工作時間可長達十幾年,而且可以長期不用人去看管和維修。它們就像機智勇敢的偵察兵,十幾年如一日地在水下執(zhí)行著警戒任務。還有一些海底設施,如海下聲納、各種海下科學儀器與軍事設施、海底油井閥門的開關(guān)和海底電纜中繼器等,所用核電池既能耐5—6km 深海的高壓,安全可靠地工作,花費成本又少,令人十分稱心。

地面上有許多終年積雪凍冰的高山地區(qū)、遙遠荒涼的孤島、荒無人煙的沙漠,還有南極、北極等,也需要建立氣象站和導航站。如果用其它電源,更換和維修是極其困難的。若用核電池,可以建成自動氣象站或自動導航站,實現(xiàn)自動記錄和自動控制,常年無須更換和維修電源。

在醫(yī)學領(lǐng)域的應用

在醫(yī)學上,這種體積小重量輕的長壽命的核電池已經(jīng)廣泛應用于心臟起搏器,全世界已經(jīng)有成千上萬的心臟病患者植入了核電池驅(qū)動的心臟起搏器,挽救了他們的生命,使他們能夠重新享受人生的幸福。心臟起搏器的電源體積非常小,比1節(jié)2號電池還小,重量僅100多克,若用放射源為238Pu,150mg即可保證心臟起搏器在體內(nèi)連續(xù)工作10年以上。如換用產(chǎn)生同樣功率的化學電池,要保證同樣的使用壽命,其重量幾乎與成人的體重一樣。核電池保證患者不必再為更換埋在體內(nèi)已經(jīng)不能再工作的化學電池而冒著生命危險,忍受極大痛苦,反復進行開胸手術(shù)。

放射性同位素心臟起搏器于上世紀70?年代初開始應用，最早使用的是法國和美國。法國用于放射性同位素心臟起搏器[6]的電池為碲化鉍半導體型，燃料為238Pu 二元合金，輸出功率700?μW，外形尺寸Φ2.3 cm×5 cm，重40 g。美國使用金屬熱電偶型電池的心臟起博器[6]，燃料為金屬238Pu，輸出功率230?μW，形尺寸Φ1.7 cm×4.5 cm。放射性同位素電池還能用作人工心臟、人工肺臟、人工腎臟、心臟輔助裝置、神經(jīng)模擬器、人工血壓調(diào)節(jié)器、括約肌刺激器等的電源。

在微型電動機械中的應用

微型電動機械(MEMS)是一個飛速發(fā)展的領(lǐng)域,從汽車安全氣囊的觸發(fā)感應器到環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的藥品釋放,微型電動機械已經(jīng)應用到了人們的日常生活中,并有希望生產(chǎn)大量不同的具有創(chuàng)新意義的設備。但這些設備受到缺乏隨機電源的限制,目前正在研究的解決方法包括燃料電池、礦物燃料以及化學電池都有其局限性,最大的問題就是體積太大。

Cornell大學和Wisconsin Madison大學在早期研發(fā)的核電池裝置基本上就是由一小量63Ni放置在一個普通的PN 結(jié)所組成。63Ni所放射出來的粒子把二極管的原子電離,得到分離的空穴和電子對而產(chǎn)生電流。在此基礎(chǔ)上,又研發(fā)了改進的核電池能作為小型機械發(fā)電機的電源。

在手機等電子產(chǎn)品上的應用

微型核電池雖然只有鈕扣般大小,主要成分是235U,但卻擁有在手機第一次使用后能夠連續(xù)提供1年以上待機時間的電量,從而使廠商節(jié)省了生產(chǎn)充電器的成本。另外,在手機中,射頻濾波器占用了相當多空間,且這些微型電動機械濾波器需要相對較高的直流電壓。一個微型核電池可以用以產(chǎn)生10—100V的電壓,直接對濾波器進行有效的供電。

雖然還存在技術(shù)、成本和安全等方面的問題,但可以預見,等這些問題得到有效解決,微型核電池很有希望安裝在各種手提設備上。

核電池前景展望

核微型電池的未來發(fā)展取決于以下幾個方面的因素：安全、能源轉(zhuǎn)換效率和成本。如果我們可以把電池中放射性材料數(shù)量維持在足夠低的水平，從而使其發(fā)出的輻射足夠少，那末僅僅電池的簡單包裝就能夠?qū)⑵渥钃醵ＷC安全。同時，我們還必須找到各種途徑，進一步提高核微型電池提供的能量，特別是在轉(zhuǎn)化效率方面。

另一個主要挑戰(zhàn)是：如何使放射性同位素電源價格低廉，而且易于與電子器件集成。例如，在我們的實驗系統(tǒng)中，曾使用了1毫居里的鎳-63，其成本為25美元，這對于大規(guī)模生產(chǎn)的電子設備來說太昂貴了?？赡艿谋容^便宜的替代物是同位素氚，它是某些核反應堆工作時大量產(chǎn)生的副產(chǎn)品。就一個核微型電池所需要氚的量來說，也許只需花費幾美分。一旦克服了上述挑戰(zhàn)，核微型電池將很快應用在手機和PDA等手持設備中。就像前面提到的那樣，核電池還可以為傳統(tǒng)電池供電。

審核編輯 ：李倩

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