什么是核电池?

2022-04-12 10:32  来源: 核辐射它说    核电池  核工程与核技术

当放射性物质衰变时,能够释放出带电粒子,如果正确利用的话,能够产生电流。通常不稳定(即具有放射性)的原子核会发生衰变现象,在放射出粒子及能量后可变得较为稳定。核电池正是利用放射性物质衰变会释放出能量的原理所制成的,此前已经有核电池应用于军事和小型核电池航空航天领域,但是体积往往很大。


当放射性物质衰变时,能够释放出带电粒子,如果正确利用的话,能够产生电流。通常不稳定(即具有放射性)的原子核会发生衰变现象,在放射出粒子及能量后可变得较为稳定。核电池正是利用放射性物质衰变会释放出能量的原理所制成的,此前已经有核电池应用于军事和小型核电池航空航天领域,但是体积往往很大。 过去在电池的研发过程中面临的重大难关之一,就是为了提高性能,电池大小往往比产品本身还大。由美国密苏里大学计算机工程系教授权载完(音)率领的研究组成功为“核电池”瘦身,研发出的“核电池”体积小但电力强。但权载完教授组研发出的核电池只是略大于1美分硬币(直径1.95厘米,厚1.55毫米),但电力是普通化学电池的100万倍。密苏里大学研究团队称他们研制小型核电池的目的是,为微型机电系统或者纳米级机电系统找到合适的能量来源。如何为微型或纳米级机电系统找到足够小的能量来源装置,同微型装置一样是一个热门研究领域。

外观结构

一般核电池在外形上与普通干电池相似,呈圆柱形。在圆柱的中心密封有放射性同位素源,其外面是热离子转换器或热电偶式的换能器。换能器的外层为防辐射的屏蔽层,最外面一层是金属筒外壳。

优缺点

优点:

核电池在衰变时放出的能量大小、速度,不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场等的影响。

核电池提供电能的同位素工作时间非常长,甚至可能达到5000年。

缺点:

有放射性污染,必须妥善防护;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。

类型

核电池可分为高电压型和低电压型两种类型。

按能量转换机制,它可分为九类之多:直接充电式核电池、气体电离式核电池、辐射伏特效应能量转换核电池、荧光体光电式核电池、热致光电式核电池、温差式核电池、热离子发射式核电池、电磁辐射能量转换核电池和热机转换核电池等。

应用最广泛的是温差式核电池和热机转换核电池。

高电压型

高电压型核电池以含有β射线源(锶-90或氚)的物质制成发射极,周围用涂有薄碳层的镍制成收集电极,中间是真空或固体介质。以氚为放射源的试验电池,直径为9.5毫米,长度为13.5毫米,电压500伏时电流为160皮安,12年衰降50%(若用锶-90,25年衰降50%)。

低电压型

低电压型核电池又分为温差电堆型、气体电离型和荧光-光电型三种结构。温差电堆型的原理同以放射性同位素为热源的温差发电器相同,故又称同位素温差发电器。气体电离型核电池是利用放射源使两种不同逸出功的电极材料间的气体电离,再由两极收集载流子而获得电能。这种电池有较高的功率。荧光-光电型核电池利用放射性同位素衰变时产生的射线激发荧光材料发光,再使用光电转换板(太阳能电池板)将荧光转化为电力。这种电池效率较低。

在医学领域的应用

在医学上,这种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,全世界已经有成千上万的心脏病患者植入了核电池驱动的心脏起搏器,挽救了他们的生命,使他们能够重新享受人生的幸福。心脏起搏器的电源体积非常小,比1节2号电池还小,重量仅100多克,若用放射源为238Pu,150mg即可保证心脏起搏器在体内连续工作10年以上。如换用产生同样功率的化学电池,要保证同样的使用寿命,其重量几乎与成人的体重一样。核电池保证患者不必再为更换埋在体内已经不能再工作的化学电池而冒着生命危险,忍受极大痛苦,反复进行开胸手术。

心脏搏动调节装置人造心脏的放射性同位素动力源用的燃料是钚-238。

航天领域的应用

卫星

在太空中邀游的卫星,它对电源的要求特别严格,既要重量轻、体积小,能经受强烈的振动,而且还要求使用寿命长。因此,国外在70年代初期相继发射的几个木星探测器上,都装有用氧化钚和钼制做的高性能核电池。后来发射的火星探测器,也装有类似的核电池。

 

卫星在气象卫星雨云号上也安装了放射性同位素电池。这种气象卫星环绕地球周围的轨道飞行,可以用来拍摄云图,或者对大气层和地球表面的地形进行勘察和调查。

在探查木星的卫星——先驱号上面装置了四个30瓦的放射性同位素电池。

1976年,火星的卫星飞船“海盗号”在火星表面成功地进行了无人着陆,在这个卫星船上也安置了两个35瓦的放射性同位素电池。

航海、航空导航等领域的应用

水下监听器和海底电缆的中继站

在深海里,太阳能电池派不上用场,其他如燃料电池和化学电池的使用寿命又太短,因此已将核电池用作水下监听器和海底电缆的中继站的电源,用来监听敌潜水艇的活动和通讯。

阿波罗飞船

1969年7月21日,人类第一次成功地登上月球,使用的是阿波罗11号飞船。在阿波罗11号飞船上,安装了两个放射性同位素装置,其热功率为15瓦,用的燃料为钚-238。但是,阿波罗11号上的放射性同位素装置是供飞船在月面上过夜时取暖用的,也就是说它仅仅用于提供热源。所以,该装置又叫做ALRH(Apolo Lunar RI Heater)装置,意思是阿波罗在月球上用的放射性同位素发热器。

但是,在后来发射的用于探索月面的阿波罗宇宙飞船上,安装的放射性同位素装置全部是为了发电用的。这就是SNAP-27A装置。它用的燃料是钚-238,设计的电输出功率为63.5瓦,整个装置重量为31千克,设计寿命为一年。主要是用于阿波罗月面探查的一系列科学实验。

在阿波罗12号飞船上首次装载的放射性同位素电池——SNAP-27A装置,其寿命远远超过设计时考虑的一年,并能连续供给70瓦以上的电力,完全符合预期的设计要求。由于这一实验获得成功.后来在1970年发射的阿波罗14号以及随后的阿彼罗15号、16号、17号等飞船上都相继安装了SNAP-27A装置。

美国“好奇号”火星车

“好奇”号重量超过900公斤,是2004年登陆火星的“勇气”号和“机遇”号重量的约5倍,其着陆过程将首次使用一种被称作“天空起重机”的辅助设备助降。由于难度高、风险大,美国航天局称之为“恐怖7分钟”。

“好奇”号的动力由一台多任务放射性同位素热电发生器提供,其本质上是一块核电池。该系统主要包括两个组成部分:一个装填钚-238二氧化物的热源和一组固体热电偶,可以将钚-238产生的热能转化为电力。这一系统设计使用寿命为14年,也高于太阳能电池板。该系统足以为“好奇”号同时运转的诸多仪器提供充足能量。

中国“嫦娥三号”月球车

随“嫦娥三号”登月的我国首辆月球车,也将装载核动力装置。这将使我国成为继美俄之后,第三个将核动力 应用于太空探测的国家。

在微型电动机械中的应用

微型电动机械(MEMS)是一个飞速发展的领域,从汽车安全气囊的触发感应器到环境监控系统的药品释放,微型电动机械已经应用到了人们的日常生活中,并有希望生产大量不同的具有创新意义的设备。但这些设备受到缺乏随机电源的限制,正在研究的解决方法包括燃料电池、矿物燃料以及

化学电池都有其局限性,最大的问题就是体积太大。Cornell大学和Wisconsin Madison大学在早期研发的核电池装置基本上就是由一小量63Ni放置在一个普通的PN 结所组成。63Ni所放射出来的粒子把二极管的原子电离,得到分离的空穴和电子对而产生电流。在此基础上,又研发了改进的核电池能作为小型机械发电机的电源。

在电动汽车上的应用

电动汽车是环保型汽车发展的一个方向,电动汽车所用的电池多为化学电池,体积庞大,增加了自身的负载,且也同样存在充电后使用时间短和寿命短的问题。当前,世界上有部分科学家大胆地提出在电动汽车上使用核电池的设想。随着深海等领域用核电池的成熟,核电池必将在汽车这一能源大户中得到应用。

因此,可以预计在21世纪科学家们将会在电动汽车上应用一种长期工作不需维修、高效大功率、小体积、低成本的核电池。

研发国家

美国航天器使用核电池的历史

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。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。

以钚238放射性同位素作热源的同位素温差发电器,曾用于美国“子午仪”号导航卫星(低轨道导航卫星系列。又称海军导航卫星系统,英文缩写为NNSS。主要功用是:为核潜艇和各类海面舰船等提供高精度断续的二维定位,用于海上石油勘探和海洋调查定位、陆地用户定位和大地测量等。从1960年4月到80年代初共发射30多颗。美国在1964年4月发射“子午仪”号导航卫星时,因发射失败卫星所携带的放射性同位素源被烧毁,钚238散布在大气层中并扩散至全球。后来改用特种石墨作同位素源外壳,以防烧毁。)、“林肯”号试验卫星(早在1965年,美国林肯号试验卫星上便使用钚 238放射性同位素作热源的同位素温差发电器)和“雨云”号卫星(是美国第二代试验气象卫星系列。从1964年8月到1978年10月共发射了7颗。雨云号卫星的任务是试验新的气象观测仪器和探测方法。美国在1965年发射的一颗军用卫星中,用反应堆温差发电器作为电源。但由于电源调节器出现故障仅工作43天。1968年5月“雨云”号气象卫星发射失败时,核电源落入圣巴巴拉海峡,后被打捞上来。)。

第一个放射性同位素电池是在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,核电池的发展颇快。

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核电池供电的。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。

前苏联航天器使用核电池的情况

另据了解,前苏联在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。

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,造成严重污染。1983年1月“宇宙”1402号核动力卫星发生类似故障,核反应堆舱段在南大西洋上空再入大气层时完全烧毁。

随着后来美苏太空竞赛的冷却,人类探索深空的脚步放缓。由于在近地轨道,核电池的性价比不及太阳能电池,此外,全球钚238主要产自俄罗斯,燃料来源的局限也拖累了核电池的发展、应用。

中国在自主研发的核电池上迈出大步

月球在绕地球公转的同时进行自转,周期27.32166日,正好是一个恒星月,所以我们看不见月球背面。这种现象我们称“同步自转”,几乎是卫星世界的普遍规律。由于月球自转和公转都是28天,所以“月球夜”会长达14天(月球日即白昼也有14天)。由于月球昼夜要半个月交替一次,温差高达300℃,那里是零下150度到180度,太冷了,月球车上的所有的仪器全部要冻坏。普通电池无法应对。所使用的各种高级的蓄电池,什么锂电池、氢电池,各种各样的电池对我们来说都没有用。长时间经受极大温差对我国月球探测器是个极大挑战。迫使我们一定要想出新的办法,于是我们国家自己研制了原子能的电池,欧阳自远院士说,我国的月球车实际上在同时使用太阳能和核能作为能源。黑暗中的月面,温度骤降到零下100多摄氏度,为防止车载仪器被冻坏,休眠中的月球车就得靠核电池的能量来保温,并维持与地面的通讯。而一旦新一个白昼来临,太阳能电池就能重新驱动月球车工作。

中国第一块放射性同位素电池于1971年3月12日诞生于中科院上海原子核所,以钋210为燃料,输出电功率为1.4瓦,热功率35.5瓦,并进行了模拟太空应用的地面试验。随着我国核电站数量的增加,由乏燃料后处理提取的镎237原料的逐渐积累,为后来开发钚238电池,提供了物质基础。

据欧阳自远院士介绍,近年来,我国在自主研发的核电池上迈出了大步。我国月球车搭载的核电池,是由中国原子能科学研究院牵头研发的。

从中国原子能科学研究院该院官方网站上,可以得知,从2004年开始,该院正式启动航天用同位素电池的研发;到2006年,研制出我国第一颗钚238同位素电池;2008年通过了专家组的鉴定。这颗电池的研制成功,填补了我国长期以来在该研究领域的空白,标志着我国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。

核电池的用武之地不仅仅局限于太空。在高山、深海、南北极乃至人体中到处可以找到它的影踪。心脏起搏器用的核电池重量仅40克,体积很小,寿命可达十年。病人免除了经常做开胸手术的痛苦。在极地、海岛、高山、沙漠、深海等条件恶劣、交通不便的地方都是RTG的大显身手之地。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使用免维护、长寿命的RTG供电。

据原子能院的官网文章介绍,第一颗“国产”同位素电池的各项指标均超过了预期要求,研制全过程安全无误,功率为百毫瓦级。这将保证中国首次将核能用于航天器。据悉,为了保证着陆器的能源供应,嫦娥三号就是使用了这种原子能电池(RTG同位素电池)。

我国首次实用核电池将随“嫦娥三号”软着陆月球,并用于嫦娥三号的着陆器和月球车上。这种原子能电池可以连续工作30年。有了它,再不怕月球晚上温度骤降到零下150度到180度。完全可以确保探测器上仪器不至于被冻坏。为防止车载仪器被冻坏,夜间休眠中的月球车可以靠核电池放出来的热量保温。而一旦新一个白昼来临,太阳能电池就能替代核电池,重新驱动月球车工作。

对嫦娥三号来说,核电池中的钚金属块238它相当于一个热源。这一热源对将在月球环境下生存的嫦娥三号的保温作用是至关重要的。其释放出的热量及经过温差热电转换器的转换形成的电流,充分满足了嫦娥三号的能量需求。它的能力虽不足以让火箭升空,却可以用于小规模供电,支持嫦娥三号所带月球车低速移动;支持嫦娥三号所带设备正常工作;支持嫦娥三号与地球之间的通讯。

中国第一个钚-238同位素电池

中国第一个钚-238同位素电池是在中国原子能科学研究院诞生的,同位素电池的研制成功标志着中国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。

2004年,原子能院同位素所承担了“百毫瓦级钚-238同位素电池研制”任务,在两年时间里要完成总体设计和一系列相关工艺研究,研制出样品。

同位素所和协作单位并按制定的研究方案开展了大量的模拟实验、示踪实验、热实验等工作。最终检测表明电池性能完全达到了技术指标要求,辐射防护检测的各项指标均符合国家安全要求。中国第一个钚-238同位素电池诞生了。

小型核电池

虽然在很久之前核电池就已经应用在航天领域,但是在因为大小的限制,在地球上核电池的应用还很少。大多数核电池通过固态半导体截获带电粒子,因为粒子的能量非常高所以半导体随着时间的推移将受到损伤,为了能让电池长期使用,核电池被制造的非常大。

中国第一块放射性同位素电池于1971年3月12日诞生于中科院上海原子核所,以钋210为燃料,输出电功率为1.4瓦,热功率35.5瓦,并进行了模拟太空应用的地面试验。随着我国核电站数量的增加,由乏燃料后处理提取镎237原料的逐渐积累,为今后开发钚238电池提供了物质基础。从2004年开始,中国原子能科学研究院启动了太空同位素电池的研发,2006年该院研制出我国第一颗钚238同位素电池。

我国将于2013年发射“嫦娥三号”探测器在月球进行软着陆并施放月球车。前不久月球探测工程首席科学家欧阳自远院士接受媒体采访时透露,中国月球车将配备核电池来帮助月球车进行“冬眠”,等到太阳再次在月面上升起时,电池自动重启,月球车开始进入工作状态,这样的核电池可持续工作30年。

目的:为微型机电系统或者纳米级机电系统找到合适的能量来源。

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图为技术

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