放射性同位素核电池的未来应用畅想

原子弹-最早应用于实际用途的核能应用

核能(nuclear energy)是人类历史上的一项伟大发现，在1945年之前，人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。二战时，原子弹诞生了，人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。目前，美国、俄罗斯、英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的深入研究。

由于核能的能量密度比起传统的煤矿及石油能源高上几百万倍，加之其原料所占体积非常小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送，因此，除了最常见的大反应堆核电站，科学家一直试图研制微型的核电能源装置。

其实早在1913年，英国物理学家亨利·莫塞莱就发明了核电池的技术。核电池（又称原子能电池、氚电池或放射性同位素发电装置）是指那些使用放射性同位素衰变时产生之能量来产生电力的装置，它与传统的核反应堆有所不同，它不是利用核裂变来产生能量，而是利用放射性同位素衰变放出载能粒子(如α粒子、β粒子和γ射线)并将其能量转换为电能的装置。

放射性同位素核电池工作原理

核电池取得实质性进展始于20世纪50年代,由于其具有体积小、重量轻和寿命长的特点,而且其能量大小、速度不受外界环境的温度、化学反应、压力、电磁场等影响,因此,它可以在很大的温度范围和恶劣的环境中工作。世界上第一个放射性同位素核电池是在1959年1月16日由美国人制成的，它重1800克，在280天内可发出11.6度电。在此之后，放射性同位素电池的发展颇快。1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号”，上面的无线电发报机就是由放射性同位素电池供电的。从上世纪中叶起，美国在“先驱者”10号、11号探测器，“旅行者”1号、2号探测器，木星和土星探测器中，都使用了同位素温差发电器作为电源。就是因为采用核电源，美国“旅行者1号”行星探测器，才创造了世界卫星远航史上的辉煌纪录，目前它是离地球最远（飞行约近200亿公里）和飞行速度最快的人造卫星，它用了36年的时间，飞行到了太阳系的边缘。1976年，美国的“海盗1号”、“海盗2号”两艘宇宙飞船先后在火星上着陆，在短短5个月中得到的火星情况，比以往人类历史上所积累的全部情况还要多，它们的工作电源也是放射性同位素核电池。因为火星表面温度的昼夜差超过100℃，如此巨大的温差，一般化学电池是无法工作的。

相比美国在核电池方面的深入研究，同时期的苏联也在这方面进行了广泛、深入的研究，在1967-1982年期间，共发射了24颗核动力卫星，都属于海洋监视卫星。卫星带有以浓缩铀235为燃料的热离子反应堆，核能功率为5-10千瓦。不过核动力并不是用来驱动卫星，只是利用放射性元素衰变时放出的热量，通过热电偶产生电能给卫星上的设备供电。这些核动力卫星，多在200多公里的低轨道上工作，完成任务后核反应堆舱段与卫星体分离，并将小型火箭推到大约1000公里的轨道，可运行600年。

美国“好奇”号火星车使用的 “放射性同位素热电池”(Radioisotope Thermoelectric Generator)内部结构图

搭载“放射性同位素热电池”的“好奇”号火星车工作图

核电池比起一般电池有很长的寿命且其输出能量远比一般化学电池为高，提供电能的同位素工作时间非常长，甚至可能达到5000年。目前，核电池主要应用于医学领域（如体积小重量轻的长寿命的核电池已经广泛应用于心脏起搏器）、航天领域（如对电源要求特别严格的卫星、宇宙飞船等）、航海、航空导航等领域、微型电动机械、电动汽车等。未来，不仅是在我们身边，在极地、海岛、高山、沙漠、深海等条件恶劣、交通不便的地方，核电池都可以有大显身手之地，另外诸如远离人类服务中心的自动无人气象站、浮标和灯塔、地震观察站、飞机导航信标、微波通讯中继站、海底电缆中继站等都可以借助核电池达到更好的工作效果。

应用了核电池的心脏起搏器

中国的“嫦娥三号”月球探测器也使用了核电池

虽然，核电池相比传统电池具备诸多不可比的的优点，但由于放射性同位素原料具有有放射性核辐射污染的危险，必须妥善防护（比如1978年1月24日，苏联“宇宙”954号核动力卫星发生故障，核反应堆舱段未能升高而自然陨落，未燃尽的带有放射性的卫星碎片散落在加拿大境内，造成了严重污染）；而且一旦电池装成后，不管是否使用，随着放射性源的衰变，电性能都要衰降。同时，相比传统的电池，核电池高昂的成本也成为其进入民用市场的最大障碍。但是，在科技水平日新日益及精细化程度越来越高的今天，对能源的需求越来越大，同时对电池供应模块的要求越越来越高，核电池由于其优异的特点成为未来最可能取得快速发展的对象。

放射性物质带来的核辐射污染风险必须认真对待

目前，在核电池实用方面，美国走在全世界前列。据美国《信号》杂志网站的报道，美国陆军研究实验室（ARL）正在开发以放射性同位素氚为动力的原型电池，其寿命可能会持续几十年或更长时间。长寿命电源可减轻战场后勤负荷，延长为传感器和通信节点供能的时间，提供增强的态，势感知，为作战人员提供当前不存在的作战选项。

据报道介绍，与化学电池相比，这种新方法会明显减少电池更换，降低后勤负担，且同位素电源可提供比化学电池大5个数量级的能量密度，便得其体积可以做得更小、更轻。该新型电池有13年的半衰期（使用一半电量所用时间），这意味着，该电池在经过最初13年使用后，电池还将剩余一半电量，再过13年电池将剩余25%的电量。且其研究人员计划最终使用其他能续航更长时间的同位素。相比传统化学电池在不使用的情况下会在10年左右内降解，衰减同位素镍-63的衰变时间能持续100年，镅能持续432年。最重要的是，低剂量同位素更安全，这将大大减少使用人员的放射性核辐射接触风险，大大提高使用人员的人身安全。

该研究团队计划于2014年开始进行现场测试原型电池，计划在五年内实现实用化，此外，该技术还可用于民用、商业目的，比如埋在桥梁或建筑物内部的电源和传感器可持续检查材料的稳定性。

编辑：广州极端科技有限公司

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