核電池又叫“放射性同位素電池”，它是通過半導(dǎo)體換能器將同位素在衰變過程中不斷地放出具有熱能的射線的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芏圃於?。核電池已成功地用作航天器的電源、心臟起搏器電源和一些特殊軍事用途。

核電池-簡(jiǎn)介

09年10月10日，據(jù)英國BBC網(wǎng)站報(bào)道，科研人員成功研制出硬幣大小的“核電池”(nuclear battery)，通過同位素的衰變產(chǎn)生電能。該研究成果被刊登在最新一期的《應(yīng)用物理雜志》等科學(xué)雜志。

核電池-原理

據(jù)了解，當(dāng)放射性物質(zhì)衰變時(shí)，能夠釋放出帶電粒子，如果正確利用的話，能夠產(chǎn)生電流。通常不穩(wěn)定(即具有放射性)的原子核會(huì)發(fā)生衰變現(xiàn)象，在放射出粒子及能量后可變得較為穩(wěn)定。核電池正是利用放射性物質(zhì)衰變會(huì)釋放出能量的原理所制成的，此前已經(jīng)有核電池應(yīng)用于軍事或者航空航天領(lǐng)域，但是體積往往很大。

過去在電池的研發(fā)過程中面臨的重大難關(guān)之一，就是為了提高性能，電池大小往往比產(chǎn)品本身還大。由美國密蘇里大學(xué)計(jì)算機(jī)工程系教授權(quán)載完(音)率領(lǐng)的研究組成功為“核電池”瘦身，研發(fā)出的“核電池”體積小但電力強(qiáng)。但權(quán)載完教授組研發(fā)出的核電池只是略大于1美分硬幣(直徑1.95厘米，厚1.55毫米)，但電力是普通化學(xué)電池的100萬倍。密蘇里大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)稱他們研制小型核電池的目的是，為微型機(jī)電系統(tǒng)或者納米級(jí)機(jī)電系統(tǒng)找到合適的能量來源。如何為微型或納米級(jí)機(jī)電系統(tǒng)找到足夠小的能量來源裝置，同微型裝置一樣是一個(gè)熱門研究領(lǐng)域。

核電池的另一誘人之處是，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。設(shè)想不久的將來，只需要一個(gè)硬幣大小的電池，就可以讓你的手機(jī)不充電使用5000年。

權(quán)載完教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了用于電池的芯片的改革。使用核電池時(shí)發(fā)出的放射能可能會(huì)損壞電池內(nèi)部的固體芯片結(jié)構(gòu)，但權(quán)載完利用液體芯片，最大限度地克服了這一問題。

核電池-外觀結(jié)構(gòu)

阿波羅登月艙里配有同位素電池

一般核電池在外形上與普通干電池相似，呈圓柱形。在圓柱的中心密封有放射性同位素源，其外面是熱離子轉(zhuǎn)換器或熱電偶式的換能器。換能器的外層為防輻射的屏蔽層，最外面一層是金屬筒外殼。

核電池-優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

核電池在衰變時(shí)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(chǎng)等的影響。

核電池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。

缺點(diǎn)

有放射性污染，必須妥善防護(hù);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。

核電池-類型

核電池可分為高電壓型和低電壓型兩種類型。

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)。以氚為放射源的試驗(yàn)電池,直徑為9.5毫米，長(zhǎng)度為13.5毫米，電壓500伏時(shí)電流為160皮安，12年衰降50%(若用鍶-90，25年衰降50%)。

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)。溫差電堆型的原理同以放射性同位素為熱源的溫差發(fā)電器相同，故又稱同位素溫差發(fā)電器。氣體電離型核電池是利用放射源使兩種不同逸出功的電極材料間的氣體電離，再由兩極收集載流子而獲得電能。這種電池有較高的功率。

核電池-利用

心臟搏動(dòng)調(diào)節(jié)裝置

衛(wèi)星

人造心臟的放射性同位素動(dòng)力源用的燃料是钚-238。

衛(wèi)星

在太空中邀游的衛(wèi)星，它對(duì)電源的要求特別嚴(yán)格，既要重量輕、體積小，能經(jīng)受強(qiáng)烈的振動(dòng)，而且還要求使用壽命長(zhǎng)。因此，國外在70年代初期相繼發(fā)射的幾個(gè)木星探測(cè)器上，都裝有用氧化钚和鉬制做的高性能核電池。后來發(fā)射的火星探測(cè)器，也裝有類似的核電池。

在氣象衛(wèi)星雨云號(hào)上也安裝了放射性同位素電池。這種氣象衛(wèi)星環(huán)繞地球周圍的軌道飛行，可以用來拍攝云圖，或者對(duì)大氣層和地球表面的地形進(jìn)行勘察和調(diào)查。

在探查木星的衛(wèi)星——先驅(qū)號(hào)上面裝置了四個(gè)30瓦的放射性同位素電池。

1976年，火星的衛(wèi)星飛船“海盜號(hào)”在火星表面成功地進(jìn)行了無人著陸，在這個(gè)衛(wèi)星船上也安置了兩個(gè)35瓦的放射性同位素電池。

水下監(jiān)聽器和海底電纜的中繼站

在深海里，太陽能電池派不上用場(chǎng)，其他如燃料電池和化學(xué)電池的使用壽命又太短，因此現(xiàn)在已將核電池用作水下監(jiān)聽器和海底電纜的中繼站的電源，用來監(jiān)聽敵潛水艇的活動(dòng)和通訊。

阿波羅飛船

1969年7月21日，人類第一次成功地登上月球，使用的是阿波羅11號(hào)飛船。在阿波羅11號(hào)飛船上，安裝了兩個(gè)放射性同位素裝置，其熱功率為15瓦，用的燃料為钚-238。但是，阿波羅11號(hào)上的放射性同位素裝置是供飛船在月面上過夜時(shí)取暖用的，也就是說它僅僅用于提供熱源。所以，該裝置又叫做ALRH(Apolo Lunar RI Heater)裝置，意思是阿波羅在月球上用的放射性同位素發(fā)熱器。

但是，在后來發(fā)射的用于探索月面的阿波羅宇宙飛船上，安裝的放射性同位素裝置全部是為了發(fā)電用的。這就是SNAP-27A裝置。它用的燃料是钚-238，設(shè)計(jì)的電輸出功率為63.5瓦，整個(gè)裝置重量為31千克，設(shè)計(jì)壽命為一年。主要是用于阿波羅月面探查的一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

在阿波羅12號(hào)飛船上首次裝載的放射性同位素電池——SNAP-27A裝置，其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)時(shí)考慮的一年，并能連續(xù)供給70瓦以上的電力，完全符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。由于這一實(shí)驗(yàn)獲得成功.后來在1970年發(fā)射的阿波羅14號(hào)以及隨后的阿彼羅15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)等飛船上都相繼安裝了SNAP-27A裝置。

核電池-發(fā)展

小型核電池

雖然在很久之前核電池就已經(jīng)應(yīng)用在航天領(lǐng)域，但是在因?yàn)榇笮〉南拗?，在地球上核電池的?yīng)用還很少。大多數(shù)核電池通過固態(tài)半導(dǎo)體截獲帶電粒子，因?yàn)榱Ｗ拥哪芰Ψ浅８咚园雽?dǎo)體隨著時(shí)間的推移將受到損傷，為了能讓電池長(zhǎng)期使用，核電池被制造的非常大。

但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。2009年10月，美國密蘇里大學(xué)的研究小組對(duì)外宣稱，外觀僅有硬幣大小(直徑1.95厘米，厚1.55毫米)，使用壽命可達(dá)普通電池100萬倍的微型“核電池”已經(jīng)被研發(fā)出來。

核電池-目的

為微型機(jī)電系統(tǒng)或者納米級(jí)機(jī)電系統(tǒng)找到合適的能量來源。

核電池-事故

“卡西尼”宇宙飛船便是由钚制成的核電池推動(dòng)

美國政府在冷戰(zhàn)期間，常制造可用上幾十年的钚核電池，多年來已造出幾十個(gè)推動(dòng)衛(wèi)星、行星探測(cè)器及間諜裝置的核電池，但亦曾發(fā)生意外，釋出有害物質(zhì)禍及全球。

1964年，一枚導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)載火箭失靈，導(dǎo)致衛(wèi)星上的钚核電池爆炸，所釋放的放射性物質(zhì)散落全球，令人關(guān)注钚的應(yīng)用。

1965年，喜瑪拉雅山一隊(duì)美國情報(bào)小組，在暴風(fēng)雪下遺失了一個(gè)偵察中國、以钚作能源的裝置。

1968年，一枚脫離軌道的天氣衛(wèi)星墜落太平洋，幸好聯(lián)邦調(diào)查人員在加州對(duì)開起回完整的核電池。

1997年，美國太空總署準(zhǔn)備發(fā)射“卡西尼”號(hào)土星探測(cè)器時(shí)，便有數(shù)百名示威者在場(chǎng)抗議，指出一旦發(fā)生意外，探測(cè)器的核電池有機(jī)會(huì)爆裂，最終導(dǎo)致數(shù)以千計(jì)的人因癌癥而死。當(dāng)局的專家現(xiàn)時(shí)指出，最新的钚核電池更能防止破裂，將危害人類的機(jī)會(huì)減至極低。