放射性同位素核電池的未來(lái)應(yīng)用暢想

-應(yīng)用于實(shí)際用途的核能應(yīng)用

核能(nuclear energy)是人類歷的一項(xiàng)偉大發(fā)現(xiàn)，在1945年之前，人類在能源利用領(lǐng)域只涉及到物理變化和化學(xué)變化。二戰(zhàn)時(shí)，誕生了，人類開(kāi)始將核能運(yùn)用于軍事、能源、工業(yè)、航天等領(lǐng)域。目前，美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、中國(guó)、日本、以色列等國(guó)相繼展開(kāi)對(duì)核能應(yīng)用前景的深入研究。

由于核能的能量密度比起傳統(tǒng)的煤礦及石油能源高上幾百萬(wàn)倍，加之其原料所占體積非常小，運(yùn)輸與儲(chǔ)存都很方便，一座1000百萬(wàn)瓦的核能電廠一年只需30公噸的鈾燃料，一航次的飛機(jī)就可以完成運(yùn)送，因此，除了見(jiàn)的大反應(yīng)堆核電站，科學(xué)家一直試圖研制微型的核電能源裝置。

其實(shí)早在1913年，英國(guó)物理學(xué)家亨利·莫塞萊就發(fā)明了核電池的技術(shù)。核電池（又稱原子能電池、氚電池或放射性同位素發(fā)電裝置）是指那些使用放射性同位素衰變時(shí)產(chǎn)生之能量來(lái)產(chǎn)生電力的裝置，它與傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆有所不同，它不是利用核裂變來(lái)產(chǎn)生能量，而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。

放射性同位素核電池工作原理

核電池取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展始于20世紀(jì)50年代,由于其具有體積小、重量輕和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),而且其能量大小、速度不受外界環(huán)境的溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場(chǎng)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。一個(gè)放射性同位素核電池是在1959年1月16日由美國(guó)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，放射性同位素電池的發(fā)展頗快。1961年美國(guó)發(fā)射的顆人造衛(wèi)星“探險(xiǎn)者1號(hào)”，上面的無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī)就是由放射性同位素電池供電的。從上世紀(jì)中葉起，美國(guó)在“者”10號(hào)、11號(hào)探測(cè)器，“旅行者”1號(hào)、2號(hào)探測(cè)器，木星和土星探測(cè)器中，都使用了同位素溫差發(fā)電器作為電源。就是因?yàn)椴捎煤穗娫矗绹?guó)“旅行者1號(hào)”行星探測(cè)器，才創(chuàng)造了世界衛(wèi)星遠(yuǎn)航的輝煌紀(jì)錄，目前它是離地球最遠(yuǎn)（飛行約近200億公里）和飛行速度的人造衛(wèi)星，它用了36年的時(shí)間，飛行到了太陽(yáng)系的邊緣。1976年，美國(guó)的“海盜1號(hào)”、“海盜2號(hào)”兩艘宇宙飛船先后在火星上著陸，在短短5個(gè)月中得到的火星情況，比以往人類歷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核電池。因?yàn)榛鹦潜砻鏈囟鹊臅円共畛^(guò)100℃，如此巨大的溫差，一般化學(xué)電池是無(wú)法工作的。

相比美國(guó)在核電池方面的深入研究，同時(shí)期的蘇聯(lián)也在這方面進(jìn)行了廣泛、深入的研究，在1967-1982年期間，共發(fā)射了24顆核動(dòng)力衛(wèi)星，都屬于海洋監(jiān)視衛(wèi)星。衛(wèi)星帶有以濃縮鈾235為燃料的熱離子反應(yīng)堆，核能功率為5-10千瓦。不過(guò)核動(dòng)力并不是用來(lái)驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星，只是利用放射性元素衰變時(shí)放出的熱量，通過(guò)熱電偶產(chǎn)生電能給衛(wèi)星上的設(shè)備供電。這些核動(dòng)力衛(wèi)星，多在200多公里的低軌道上工作，完成任務(wù)后核反應(yīng)堆艙段與衛(wèi)星體分離，并將小型火箭推到大約1000公里的軌道，可運(yùn)行600年。

美國(guó)“好奇”號(hào)火星車使用的 “放射性同位素?zé)犭姵亍?span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 12px; FONT-FAMILY: 黑體">(Radioisotope Thermoelectric Generator)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

搭載“放射性同位素?zé)犭姵亍钡摹昂闷妗碧?hào)火星車工作圖

核電池比起一般電池有很長(zhǎng)的壽命且其輸出能量遠(yuǎn)比一般化學(xué)電池為高，提供電能的同位素工作時(shí)間非常長(zhǎng)，甚至可能達(dá)到5000年。目前，核電池主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（如體積小重量輕的長(zhǎng)壽命的核電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于）、航天領(lǐng)域（如對(duì)電源要求特別嚴(yán)格的衛(wèi)星、宇宙飛船等）、航海、航空導(dǎo)航等領(lǐng)域、微型電動(dòng)機(jī)械、電動(dòng)汽車等。未來(lái)，不僅是在我們身邊，在極地、海島、高山、沙漠、深海等條件惡劣、交通不便的地方，核電池都可以有大顯身手之地，另外諸如遠(yuǎn)離人類服務(wù)中心的自動(dòng)無(wú)人氣象站、浮標(biāo)和燈塔、地震觀察站、飛機(jī)導(dǎo)航信標(biāo)、微波通訊中繼站、海底電纜中繼站等都可以借助核電池達(dá)到更好的工作效果。

應(yīng)用了核電池的

中國(guó)的“嫦娥三號(hào)”月球探測(cè)器也使用了核電池

雖然，核電池相比傳統(tǒng)電池具備諸多不可比的的優(yōu)點(diǎn)，但由于放射性同位素原料具有有放射性核輻射污染的危險(xiǎn)，必須妥善防護(hù)（比如1978年1月24日，蘇聯(lián)“宇宙”954號(hào)核動(dòng)力衛(wèi)星發(fā)生故障，核反應(yīng)堆艙段未能升高而自然隕落，未燃盡的帶有放射性的衛(wèi)星碎片散落在加拿大境內(nèi)，造成了嚴(yán)重污染）；而且一旦電池裝成后，不管是否使用，隨著放射性源的衰變，電性能都要衰降。同時(shí)，相比傳統(tǒng)的電池，核電池高昂的成本也成為其進(jìn)入民用市場(chǎng)的障礙。但是，在科技水平日新日益及精細(xì)化程度越來(lái)越高的今天，對(duì)能源的需求越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)電池供應(yīng)模塊的要求越越來(lái)越高，核電池由于其優(yōu)異的特點(diǎn)成為未來(lái)最可能取得快速發(fā)展的對(duì)象。

放射性物質(zhì)帶來(lái)的核輻射污染風(fēng)險(xiǎn)必須認(rèn)真對(duì)待

目前，在核電池實(shí)用方面，美國(guó)走在前列。據(jù)美國(guó)《信號(hào)》雜志網(wǎng)站的報(bào)道，美國(guó)研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）正在開(kāi)發(fā)以放射性同位素氚為動(dòng)力的原型電池，其壽命可能會(huì)持續(xù)幾十年或更長(zhǎng)時(shí)間。長(zhǎng)壽命電源可減輕戰(zhàn)場(chǎng)后勤負(fù)荷，延長(zhǎng)為傳感器和通信節(jié)點(diǎn)供能的時(shí)間，提供增強(qiáng)的態(tài)，勢(shì)感知，為人員提供當(dāng)前不存在的選項(xiàng)。

據(jù)報(bào)道介紹，與化學(xué)電池相比，這種新方法會(huì)明顯減少電池更換，降低后勤負(fù)擔(dān)，且同位素電源可提供比化學(xué)電池大5個(gè)數(shù)量級(jí)的能量密度，便得其體積可以做得更小、更輕。該新型電池有13年的半衰期（使用一半電量所用時(shí)間），這意味著，該電池在經(jīng)過(guò)最初13年使用后，電池還將剩余一半電量，再過(guò)13年電池將剩余25%的電量。且其研究人員計(jì)劃最終使用其他能續(xù)航更長(zhǎng)時(shí)間的同位素。相比傳統(tǒng)化學(xué)電池在不使用的情況下會(huì)在10年左右內(nèi)降解，衰減同位素鎳-63的衰變時(shí)間能持續(xù)100年，镅能持續(xù)432年。最重要的是，低劑量同位素更安全，這將大大減少使用人員的放射性核輻射接觸風(fēng)險(xiǎn)，大大提高使用人員的人身安全。

該研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃于2014年開(kāi)始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原型電池，計(jì)劃在五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，此外，該技術(shù)還可用于民用、商業(yè)目的，比如埋在橋梁或建筑物內(nèi)部的電源和傳感器可持續(xù)檢查材料的穩(wěn)定性。

編輯：廣州科技有限公司

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