2019年1月3日，嫦娥四號(hào)月球探測(cè)器已成功軟著陸。這是全人類首次成功登陸月球背面。嫦娥四號(hào)此次著陸在在崎嶇的極區(qū)，這意味著嫦娥三號(hào)相比于以往的號(hào)更難以獲得光照，觀測(cè)環(huán)境，尤其是夜間環(huán)境會(huì)更冷，為了不讓探測(cè)器因?yàn)槭囟鴫牡簦隙鹚奶?hào)也必須更注意保溫。

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

一說(shuō)到核電，很多人會(huì)自然想到核電站，實(shí)際上核電池與核電站的唯一關(guān)系就是都運(yùn)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?dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。核電站的發(fā)電過(guò)程與普通火力電站的區(qū)別就是一個(gè)是用核能產(chǎn)生熱，一個(gè)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(guò)溫差熱電效應(yīng)，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(jī)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(yīng)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(jī)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(yīng)用較少。目前應(yīng)用最廣泛的是溫差式核電池和熱機(jī)轉(zhuǎn)換核電池。

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。目前已經(jīng)在航天、極地、心臟起搏器等領(lǐng)域成功應(yīng)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?cè)谕懽冞^(guò)程中會(huì)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(gè)令人喜愛(ài)的特點(diǎn)。一是蛻變時(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)的影響，因此，核電池以抗干擾性強(qiáng)和工作準(zhǔn)確可靠而著稱。另一個(gè)特點(diǎn)是蛻變時(shí)間很長(zhǎng)，這決定了放射性同位素電池可長(zhǎng)期使用。

放射性同位素電池采用的放射性同位素來(lái)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(zhǎng)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(diǎn)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(fèi)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(hù)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(lái);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(jī)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(yīng)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(jī)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—1V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(gè)放射性同位素電池是在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，核電池的發(fā)展頗快。

1961年美國(guó)發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星“探險(xiǎn)者1號(hào)”，上面的無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī)就是由核電池供電的。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(guó)“好奇”號(hào)登錄火星。“好奇”重量超過(guò)900公斤，是2004年登陸火星的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)重量的約5倍。

“好奇”號(hào)的動(dòng)力由一臺(tái)多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(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(gè)組成部分：一個(gè)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(shè)計(jì)使用壽命為14年，也高于太陽(yáng)能電池板。該系統(tǒng)足以為“好奇”號(hào)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的諸多儀器提供充足能量。

核電池材料

一般來(lái)說(shuō),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(lái);最外邊一般由合金制成,起保護(hù)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和散熱的作用。可見核電池所用材料涉及同位素放射源、能量轉(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(lái)產(chǎn)生電勢(shì)差;氣體電離式核電池和輻射伏特效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換核電池是利用其發(fā)射的粒子束對(duì)介質(zhì)的電離作用來(lái)產(chǎn)生電勢(shì);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(guò)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(jī)轉(zhuǎn)換電池則利用放射源產(chǎn)生的熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

作為核電池的能量來(lái)源,同位素放射源都必須滿足以下條件:半衰期長(zhǎng)(以保證電池的長(zhǎng)壽命)、功率密度高、放射性危險(xiǎn)性小、容易加工、經(jīng)濟(jì)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。

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(yīng)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(fèi)用。238Pu的壽命長(zhǎng),半衰期為87.7a,衰變時(shí)釋放的能量為5.48MeV。美國(guó)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(guò)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(jí)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(jī)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(gè)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(fù)極。美國(guó)康奈爾大學(xué)科學(xué)家利用銅板和同位素63Ni板作為新型電池,在衰變時(shí)63Ni會(huì)釋放β粒子,失去電子獲得正電荷,銅板接收β粒子帶負(fù)電;外接負(fù)載構(gòu)成回路時(shí),鎳銅電池便會(huì)開始工作,源源不斷地產(chǎn)生電流,為負(fù)載提供電能。63Ni半衰期達(dá)100a,按半衰期來(lái)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(shí)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(dá)1.5V左右。

輻射伏特效應(yīng)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(dǎo)體技術(shù)密切相關(guān)。隨著半導(dǎo)體材料制造技術(shù)的提高,使得這些電池的實(shí)際應(yīng)用成為可能。例如,美國(guó)能源部提出的先進(jìn)放射性同位素發(fā)電體系(ARPS)的開發(fā)計(jì)劃中就包括熱致光電式核電池,使用的半導(dǎo)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(jì)劃的實(shí)施意味著未來(lái)空間能源在輸出同樣的功率時(shí),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(shí)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(dǎo)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(lái),P型半導(dǎo)體元件和N型半導(dǎo)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(guò)半導(dǎo)體溫差熱電元件轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?shì)差,源源不斷地發(fā)出電來(lái)。如將一個(gè)包含約11mg的210Po放射源密封在直徑約10mm的小球里,再與7個(gè)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(guó)空間領(lǐng)域應(yīng)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(lái)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(diǎn)溫度可達(dá)500—610℃。近年來(lái),在百瓦級(jí)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(diǎn)溫度提高到1000℃。

密封保護(hù)材料

由于核電池的應(yīng)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(yàn),而且為保障其安全使用,必須做到萬(wàn)無(wú)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(hù)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(hù)材料主要包括金屬合金、碳素材料及陶瓷材料。

1989年美國(guó)發(fā)射的“伽利略號(hào)木星探測(cè)器、1990年“尤里西斯號(hào)暠太陽(yáng)極區(qū)探測(cè)器以及1997年克西尼號(hào)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(jìn)行壓制,由于石墨基體有良好的導(dǎo)熱性能,在壓制過(guò)程中包覆顆粒分布不均勻不會(huì)影響熱轉(zhuǎn)換,通過(guò)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(jìn)行包覆,為疏松結(jié)構(gòu),能儲(chǔ)存238Pu放射時(shí)產(chǎn)生的He氣,也能起到應(yīng)力緩沖的作用。包覆的ZrC則是通過(guò)鋯的有機(jī)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(shè)計(jì)的溫差式核電池中,同樣采用了熱解石墨和ZrC包覆過(guò)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(xì)編織結(jié)構(gòu)的碳-碳復(fù)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(shè)計(jì)的熱光電轉(zhuǎn)換核電池的結(jié)構(gòu),每個(gè)通用熱源模塊包括4個(gè)62.5W的PuO2燃料團(tuán),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(cè)器發(fā)射前后及過(guò)程中發(fā)生事故時(shí)保護(hù)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(xì)編織體制作,是一種非常堅(jiān)韌的耐高溫三維碳-碳復(fù)合材料。緩沖層作為返回進(jìn)入大氣層發(fā)生意外時(shí)的燒蝕體,致密層是為了防止著陸時(shí)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(qiáng)碳復(fù)合材料,它可以防止返回過(guò)程中驟熱驟冷對(duì)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(dǎo)體的性能。密封罐材料為Mo-50%Re,因?yàn)樵摵辖鹁哂泻芎玫牡蜏匮有浴Ｃ芊夤尥獍擦艘粚渔u,以減少升華,而且鎢包覆層經(jīng)過(guò)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(yīng)。該核電池的外殼為鋁合金,電池外殼與密封罐之間通過(guò)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(gè)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(shí)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(xué)領(lǐng)域,如作為人工心臟和心臟起博器電源時(shí),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(yīng)用

航天領(lǐng)域的應(yīng)用

宇宙航行對(duì)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(zhǎng),還要能經(jīng)受宇航中各種苛刻條件的考驗(yàn)。太陽(yáng)能電池廣泛應(yīng)用在人造地球衛(wèi)星上,但是當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)離太陽(yáng)的深空航行時(shí),太陽(yáng)能電池就顯得力不從心,除了因光線太弱導(dǎo)致能量不足外,還有可能因受到強(qiáng)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(duì)電源的長(zhǎng)期、安全、可靠供電的要求,被航天界普遍看好并廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì),美國(guó)發(fā)射的地球衛(wèi)星、登月飛船、空間探測(cè)器都使用核電池作為動(dòng)力,且多為溫差式核電池。例如,1961年發(fā)射的“探險(xiǎn)者1號(hào)導(dǎo)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(hào)。1969年7月21日,美國(guó)宇航員乘阿波羅11號(hào)飛船成功登上月球。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15W，用的燃料為238Pu。在月球嚴(yán)酷的自然環(huán)境下,同位素電池仍能正常穩(wěn)定工作。后來(lái)發(fā)射的阿波羅12,14,15,16及17號(hào)相繼安裝了SNAP-27A核電池,它用的燃料也是238Pu,設(shè)計(jì)輸出功率為63.5W,整個(gè)裝置重量為31kg,設(shè)計(jì)壽命為1年,但實(shí)際上,其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)的1年,并能連續(xù)供給70W以上的電力。

1997年10月“卡西尼號(hào)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(jìn)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(cè)器11年的飛行任務(wù)結(jié)束時(shí)仍能發(fā)出628W的電力。

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

航海、航空導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用

處于深海、遠(yuǎn)海、急流險(xiǎn)灘處的燈塔和導(dǎo)航浮標(biāo)等需要的能源必須保證壽命長(zhǎng),通常的太陽(yáng)能電池、燃料電池和其他化學(xué)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(jī)而煩惱。

軍事上,還將核電池用作水下監(jiān)聽器的電源,用來(lái)監(jiān)聽敵方潛水艇的活動(dòng)。它的工作時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)十幾年,而且可以長(zhǎng)期不用人去看管和維修。它們就像機(jī)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(wù)。還有一些海底設(shè)施,如海下聲納、各種海下科學(xué)儀器與軍事設(shè)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(fèi)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(yuǎn)荒涼的孤島、荒無(wú)人煙的沙漠,還有南極、北極等,也需要建立氣象站和導(dǎo)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(dòng)氣象站或自動(dòng)導(dǎo)航站,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄和自動(dòng)控制,常年無(wú)須更換和維修電源。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

在醫(yī)學(xué)上,這種體積小重量輕的長(zhǎng)壽命的核電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于心臟起搏器,全世界已經(jīng)有成千上萬(wàn)的心臟病患者植入了核電池驅(qū)動(dòng)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(hào)電池還小,重量?jī)H100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(xué)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(xué)電池而冒著生命危險(xiǎn),忍受極大痛苦,反復(fù)進(jìn)行開胸手術(shù)。

放射性同位素心臟起搏器于上世紀(jì)70年代初開始應(yīng)用，最早使用的是法國(guó)和美國(guó)。法國(guó)用于放射性同位素心臟起搏器[6]的電池為碲化鉍半導(dǎo)體型，燃料為238Pu二元合金，輸出功率700μW，外形尺寸Φ2.3cm×5cm，重40g。美國(guó)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230μW，形尺寸Φ1.7cm×4.5cm。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(dòng)機(jī)械中的應(yīng)用

微型電動(dòng)機(jī)械(MEMS)是一個(gè)飛速發(fā)展的領(lǐng)域,從汽車安全氣囊的觸發(fā)感應(yīng)器到環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的藥品釋放,微型電動(dòng)機(jī)械已經(jīng)應(yīng)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(shè)備。但這些設(shè)備受到缺乏隨機(jī)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(xué)電池都有其局限性,最大的問(wèn)題就是體積太大。

Cornell大學(xué)和WisconsinMadison大學(xué)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(gè)普通的PN結(jié)所組成。63Ni所放射出來(lái)的粒子把二極管的原子電離,得到分離的空穴和電子對(duì)而產(chǎn)生電流。在此基礎(chǔ)上,又研發(fā)了改進(jìn)的核電池能作為小型機(jī)械發(fā)電機(jī)的電源。

在手機(jī)等電子產(chǎn)品上的應(yīng)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(jī)第一次使用后能夠連續(xù)提供1年以上待機(jī)時(shí)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(jī)中,射頻濾波器占用了相當(dāng)多空間,且這些微型電動(dòng)機(jī)械濾波器需要相對(duì)較高的直流電壓。一個(gè)微型核電池可以用以產(chǎn)生10—100V的電壓,直接對(duì)濾波器進(jìn)行有效的供電。

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

核電池前景展望

核微型電池的未來(lái)發(fā)展取決于以下幾個(gè)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(jiǎn)單包裝就能夠?qū)⑵渥钃醵ＷC安全。同時(shí)，我們還必須找到各種途徑，進(jìn)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(gè)主要挑戰(zhàn)是：如何使放射性同位素電源價(jià)格低廉，而且易于與電子器件集成。例如，在我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，曾使用了1毫居里的鎳-63，其成本為25美元，這對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的電子設(shè)備來(lái)說(shuō)太昂貴了。可能的比較便宜的替代物是同位素氚，它是某些核反應(yīng)堆工作時(shí)大量產(chǎn)生的副產(chǎn)品。就一個(gè)核微型電池所需要氚的量來(lái)說(shuō)，也許只需花費(fèi)幾美分。一旦克服了上述挑戰(zhàn)，核微型電池將很快應(yīng)用在手機(jī)和PDA等手持設(shè)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。