核電池又叫“放射性同位素電池”，它是通過半導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變為電能而製造而成。核電池已成功地用作太空飛行器的電源、心臟起搏器電源和一些特殊軍事用途。2012年8月7日，美國好奇號火星車抵達火星，核電池壽命可達14年。核電池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)並將其能量轉換為電能的裝置。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)兩類按能量轉換機制,它可分為直接轉換式和間接轉換式。更具體地講,包括直接充電式核電池、氣體電離式核電池、輻射伏特效應能量轉換核電池、螢光體光電式核電池、熱致光電式核電池、溫差式核電池、熱離子發射式核電池、電磁輻射能量轉換核電池和熱機轉換核電池等。其中直接充電式核電池、氣體電離式核電池屬於直接轉換式,套用較少。目前套用最廣泛的是溫差式核電池和熱機轉換核電池。核電池取得實質性進展始於20世紀50年代,由於其具有體積小、重量輕和壽命長的特點,而且其能量大小、速度不受外界環境的溫度、化學反應、壓力、電磁場等影響,因此,它可以在很大的溫度範圍和惡劣的環境中工作。
基本介紹
- 中文名：核電池
- 外文名：Nuclear battery
- 又稱：放射性同位素電池
- 類型：高電壓和低電壓型
- 中國第一塊：1971年3月12日
- 用途：航天等
原理,外觀結構,優缺點,類型,高電壓型,低電壓型,套用,研發國家,相關事故,
原理
據了解，當放射性物質衰變時，能夠釋放出帶電粒子，如果正確利用的話，能夠產生電流。通常不穩定(即具有放射性)的原子核會發生衰變現象，在放射出粒子及能量後可變得較為穩定。核電池正是利用放射性物質衰變會釋放出能量的原理所製成的，此前已經有核電池套用于軍事或者航空航天領域，但是體積往往很大。 過去在電池的研發過程中面臨的重大難關之一，就是為了提高性能，電池大小往往比產品本身還大。由美國密蘇里大學計算機工程系教授權載完(音)率領的研究組成功為“核電池”瘦身，研發出的“核電池”體積小但電力強。但權載完教授組研發出的核電池只是略大於1美分硬幣(直徑1.95厘米，厚1.55毫米)，但電力是普通化學電池的100萬倍。密蘇里大學研究團隊稱他們研製小型核電池的目的是，為微型機電系統或者納米級機電系統找到合適的能量來源。如何為微型或納米級機電系統找到足夠小的能量來源裝置，同微型裝置一樣是一個熱門研究領域。
小型核電池
小型核電池外觀結構
優缺點
優點：
核電池在衰變時放出的能量大小、速度，不受外界環境中的溫度、化學反應、壓力、電磁場等的影響。
核電池提供電能的同位素工作時間非常長，甚至可能達到5000年。
缺點：
有放射性污染，必須妥善防護；而且一旦電池裝成後，不管是否使用，隨著放射性源的衰變，電性能都要衰降。
類型
核電池可分為高電壓型和低電壓型兩種類型。
按能量轉換機制，它可分為九類之多：直接充電式核電池、氣體電離式核電池、輻射伏特效應能量轉換核電池、螢光體光電式核電池、熱致光電式核電池、溫差式核電池、熱離子發射式核電池、電磁輻射能量轉換核電池和熱機轉換核電池等。
目前套用最廣泛的是溫差式核電池和熱機轉換核電池。
高電壓型
高電壓型核電池以含有β射線源（鍶-90或氚）的物質製成發射極，周圍用塗有薄碳層的鎳製成收集電極，中間是真空或固體介質。以氚為放射源的試驗電池,直徑為9.5毫米，長度為13.5毫米，電壓500伏時電流為160皮安，12年衰降50%（若用鍶-90，25年衰降50%）。
低電壓型
低電壓型核電池又分為溫差電堆型、氣體電離型和螢光－光電型三種結構。溫差電堆型的原理同以放射性同位素為熱源的溫差發電器相同，故又稱同位素溫差發電器。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。螢光－光電型核電池利用放射性同位素衰變時產生的射線激發螢光材料發光，再使用光電轉換板（太陽能電池板）將螢光轉化為電力。這種電池效率較低。
套用
在醫學領域的套用
在醫學上,這種體積小重量輕的長壽命的核電池已經廣泛套用於心臟起搏器,全世界已經有成千上萬的心臟病患者植入了核電池驅動的心臟起搏器,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2號電池還小,重量僅100多克,若用放射源為238Pu,150mg即可保證心臟起搏器在體內連續工作10年以上。如換用產生同樣功率的化學電池,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已經不能再工作的化學電池而冒著生命危險,忍受極大痛苦,反覆進行開胸手術。
心臟搏動調節裝置
人造心臟的放射性同位素動力源用的燃料是鈽－238。
航天領域的套用
衛星
在太空中邀游的衛星，它對電源的要求特別嚴格，既要重量輕、體積小，能經受強烈的振動，而且還要求使用壽命長。因此，國外在70年代初期相繼發射的幾個木星探測器上，都裝有用氧化鈽和鉬製做的高性能核電池。後來發射的火星探測器，也裝有類似的核電池。在氣象衛星雨雲號上也安裝了放射性同位素電池。這種氣象衛星環繞地球周圍的軌道飛行，可以用來拍攝雲圖，或者對大氣層和地球表面的地形進行勘察和調查。
衛星
衛星在探查木星的衛星——先驅號上面裝置了四個30瓦的放射性同位素電池。
1976年，火星的衛星飛船“海盜號”在火星表面成功地進行了無人著陸，在這個衛星船上也安置了兩個35瓦的放射性同位素電池。
航海、航空導航等領域的套用
水下監聽器和海底電纜的中繼站
阿波羅飛船
但是，在後來發射的用於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電用的。這就是SNAP－27A裝置。它用的燃料是鈽－238，設計的電輸出功率為63.5瓦，整個裝置重量為31千克，設計壽命為一年。主要是用於阿波羅月面探查的一系列科學實驗。
在阿波羅12號飛船上首次裝載的放射性同位素電池——SNAP－27A裝置，其壽命遠遠超過設計時考慮的一年，並能連續供給70瓦以上的電力，完全符合預期的設計要求。由於這一實驗獲得成功.後來在1970年發射的阿波羅14號以及隨後的阿彼羅15號、16號、17號等飛船上都相繼安裝了SNAP－27A裝置。
美國“好奇號”火星車
“好奇”號重量超過900公斤，是2004年登入火星的“勇氣”號和“機遇”號重量的約5倍，其著陸過程將首次使用一種被稱作“天空起重機”的輔助設備助降。由於難度高、風險大，美國航天局稱之為“恐怖7分鐘”。
“好奇”號的動力由一台多任務放射性同位素熱電發生器提供，其本質上是一塊核電池。該系統主要包括兩個組成部分：一個裝填鈽-238二氧化物的熱源和一組固體熱電偶，可以將鈽-238產生的熱能轉化為電力。這一系統設計使用壽命為14年，也高於太陽能電池板。該系統足以為“好奇”號同時運轉的諸多儀器提供充足能量。
中國“嫦娥三號”月球車
隨“嫦娥三號”登月的我國首輛月球車，也將裝載核動力裝置。這將使我國成為繼美俄之後，第三個將核動力 套用於太空探測的國家。
在微型電動機械中的套用
微型電動機械(MEMS)是一個飛速發展的領域,從汽車安全氣囊的觸發感應器到環境監控系統的藥品釋放,微型電動機械已經套用到了人們的日常生活中,並有希望生產大量不同的具有創新意義的設備。但這些設備受到缺乏隨機電源的限制,目前正在研究的解決方法包括燃料電池、礦物燃料以及化學電池都有其局限性,最大的問題就是體積太大。Cornell大學和Wisconsin Madison大學在早期研發的核電池裝置基本上就是由一小量63Ni放置在一個普通的PN 結所組成。63Ni所放射出來的粒子把二極體的原子電離,得到分離的空穴和電子對而產生電流。在此基礎上,又研發了改進的核電池能作為小型機械發電機的電源。
在電動汽車上的套用
電動汽車是環保型汽車發展的一個方向,電動汽車所用的電池多為化學電池,體積龐大,增加了自身的負載,且也同樣存在充電後使用時間短和壽命短的問題。當前,世界上有部分科學家大膽地提出在電動汽車上使用核電池的構想。隨著深海等領域用核電池的成熟,核電池必將在汽車這一能源大戶中得到套用。
因此,可以預計在21世紀科學家們將會在電動汽車上套用一種長期工作不需維修、高效大功率、小體積、低成本的核電池。
研發國家
美國太空飛行器使用核電池的歷史
從上世紀中葉起，美國在 “先驅者”10號、11號探測器，“旅行者”1號、2號探測器，木星和土星探測器中，都使用了同位素溫差發電器作為電源。就是因為採用核電源，美國“旅行者1號”行星探測器，才創造了世界衛星遠航史上的輝煌紀錄。目前它是離地球最遠(飛行約近200億公里)和飛行速度最快的人造衛星。它用了36年的時間，飛行到了太陽系的邊緣。
以鈽238放射性同位素作熱源的同位素溫差發電器，曾用於美國“子午儀”號導航衛星(低軌道導航衛星系列。又稱海軍導航衛星系統，英文縮寫為NNSS。主要功用是：為核潛艇和各類海面艦船等提供高精度斷續的二維定位，用於海上石油勘探和海洋調查定位、陸地用戶定位和大地測量等。從1960年4月到80年代初共發射30多顆。美國在1964年4月發射“子午儀”號導航衛星時，因發射失敗衛星所攜帶的放射性同位素源被燒毀，鈽238散布在大氣層中並擴散至全球。後來改用特種石墨作同位素源外殼，以防燒毀。)、“林肯”號試驗衛星(早在1965年，美國林肯號試驗衛星上便使用鈽 238放射性同位素作熱源的同位素溫差發電器)和“雨雲”號衛星(是美國第二代試驗氣象衛星系列。從1964年8月到1978年10月共發射了7顆。雨雲號衛星的任務是試驗新的氣象觀測儀器和探測方法。美國在1965年發射的一顆軍用衛星中，用反應堆溫差發電器作為電源。但由於電源調節器出現故障僅工作43天。1968年5月“雨雲”號氣象衛星發射失敗時，核電源落入聖巴巴拉海峽，後被打撈上來。)。
第一個放射性同位素電池是在1959年1月16日由美國人製成的，它重1800克，在280天內可發出11.6度電。在此之後，核電池的發展頗快。
1961年美國發射的第一顆人造衛星“探險者1號”，上面的無線電發報機就是由核電池供電的。1976年，美國的“海盜1號”、“海盜2號”兩艘宇宙飛船先後在火星上著陸，在短短5個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。因為火星表面溫度的晝夜差超過100℃，如此巨大的溫差，一般化學電池是無法工作的。
前蘇聯太空飛行器使用核電池的情況
另據了解，前蘇聯在1967～1982年期間，共發射了24顆核動力衛星，都屬於海洋監視衛星。衛星帶有以濃縮鈾235為燃料的熱離子反應堆，核能功率為5～10千瓦。不過核動力並不是用來驅動衛星，只是利用放射性元素衰變時放出的熱量，通過熱電偶產生電能給衛星上的設備供電。這些核動力衛星，多在200多公里的低軌道上工作，完成任務後核反應堆艙段與衛星體分離，並將小型火箭推到大約1000公里的軌道，可運行600年。
1978年1月24日，蘇聯“宇宙”954號核動力衛星發生故障，核反應堆艙段未能升高而自然隕落，未燃盡的帶有放射性的衛星碎片散落在加拿大境內，造成嚴重污染。1983年1月“宇宙”1402號核動力衛星發生類似故障，核反應堆艙段在南大西洋上空再入大氣層時完全燒毀。
隨著後來美蘇太空競賽的冷卻，人類探索深空的腳步放緩。由於在近地軌道，核電池的性價比不及太陽能電池，此外，目前全球鈽238主要產自俄羅斯，燃料來源的局限也拖累了核電池的發展、套用。
中國在自主研發的核電池上邁出大步
月球在繞地球公轉的同時進行自轉，周期27.32166日，正好是一個恆星月，所以我們看不見月球背面。這種現象我們稱“同步自轉”，幾乎是衛星世界的普遍規律。由於月球自轉和公轉都是28天，所以“月球夜”會長達14天(月球日即白晝也有14天)。由於月球晝夜要半個月交替一次，溫差高達300℃，那裡是零下150度到180度，太冷了，月球車上的所有的儀器全部要凍壞。普通電池無法應對。現在所使用的各種高級的蓄電池，什麼鋰電池、氫電池，各種各樣的電池對我們來說都沒有用。長時間經受極大溫差對我國月球探測器是個極大挑戰。迫使我們一定要想出新的辦法，於是我們國家自己研製了原子能的電池，歐陽自遠院士說，我國的月球車實際上在同時使用太陽能和核能作為能源。黑暗中的月面，溫度驟降到零下100多攝氏度，為防止車載儀器被凍壞，休眠中的月球車就得靠核電池的能量來保溫，並維持與地面的通訊。而一旦新一個白晝來臨，太陽能電池就能重新驅動月球車工作。
中國第一塊放射性同位素電池於1971年3月12日誕生於中科院上海原子核所，以釙210為燃料，輸出電功率為1.4瓦，熱功率35.5瓦，並進行了模擬太空套用的地面試驗。隨著我國核電站數量的增加，由乏燃料後處理提取的鎿237原料的逐漸積累，為後來開發鈽238電池，提供了物質基礎。
據歐陽自遠院士介紹，近年來，我國在自主研發的核電池上邁出了大步。我國月球車搭載的核電池，是由中國原子能科學研究院牽頭研發的。
從中國原子能科學研究院該院官方網站上，可以得知，從2004年開始，該院正式啟動航天用同位素電池的研發；到2006年，研製出我國第一顆鈽238同位素電池；2008年通過了專家組的鑑定。這顆電池的研製成功，填補了我國長期以來在該研究領域的空白，標誌著我國在核電源系統研究上邁出了重要的一步。
核電池的用武之地不僅僅局限於太空。在高山、深海、南北極乃至人體中到處可以找到它的影蹤。心臟起搏器用的核電池重量僅40克，體積很小，壽命可達十年。病人免除了經常做開胸手術的痛苦。在極地、海島、高山、沙漠、深海等條件惡劣、交通不便的地方都是RTG的大顯身手之地。自動無人氣象站、浮標和燈塔、地震觀察站、飛機導航信標、微波通訊中繼站、海底電纜中繼站等都可以使用免維護、長壽命的RTG供電。
據原子能院的官網文章介紹，第一顆“國產”同位素電池的各項指標均超過了預期要求，研製全過程安全無誤，功率為百毫瓦級。這將保證中國首次將核能用於太空飛行器。據悉，為了保證著陸器的能源供應，嫦娥三號就是使用了這種原子能電池(RTG同位素電池)。
我國首次實用核電池將隨“嫦娥三號”軟著陸月球，並用於嫦娥三號的著陸器和月球車上。這種原子能電池可以連續工作30年。有了它，再不怕月球晚上溫度驟降到零下150度到180度。完全可以確保探測器上儀器不至於被凍壞。為防止車載儀器被凍壞，夜間休眠中的月球車可以靠核電池放出來的熱量保溫。而一旦新一個白晝來臨，太陽能電池就能替代核電池，重新驅動月球車工作。
對嫦娥三號來說，核電池中的鈽金屬塊238它相當於一個熱源。這一熱源對將在月球環境下生存的嫦娥三號的保溫作用是至關重要的。其釋放出的熱量及經過溫差熱電轉換器的轉換形成的電流，充分滿足了嫦娥三號的能量需求。它的能力雖不足以讓火箭升空，卻可以用於小規模供電，支持嫦娥三號所帶月球車低速移動；支持嫦娥三號所帶設備正常工作；支持嫦娥三號與地球之間的通訊。
中國第一個鈽－238同位素電池
中國第一個鈽－238同位素電池是在中國原子能科學研究院誕生的，同位素電池的研製成功標誌著中國在核電源系統研究上邁出了重要的一步。
2004年，原子能院同位素所承擔了“百毫瓦級鈽－238同位素電池研製”任務，在兩年時間裡要完成總體設計和一系列相關工藝研究，研製出樣品。
同位素所和協作單位並按制定的研究方案開展了大量的模擬實驗、示蹤實驗、熱實驗等工作。最終檢測表明電池性能完全達到了技術指標要求，輻射防護檢測的各項指標均符合國家安全要求。中國第一個鈽－238同位素電池誕生了。
小型核電池
雖然在很久之前核電池就已經套用在航天領域，但是在因為大小的限制，在地球上核電池的套用還很少。大多數核電池通過固態半導體截獲帶電粒子，因為粒子的能量非常高所以半導體隨著時間的推移將受到損傷，為了能讓電池長期使用，核電池被製造的非常大。
中國第一塊放射性同位素電池於1971年3月12日誕生於中科院上海原子核所，以釙210為燃料，輸出電功率為1.4瓦，熱功率35.5瓦，並進行了模擬太空套用的地面試驗。隨著我國核電站數量的增加，由乏燃料後處理提取鎿237原料的逐漸積累，為今後開發鈽238電池提供了物質基礎。從2004年開始，中國原子能科學研究院啟動了太空同位素電池的研發，2006年該院研製出我國第一顆鈽238同位素電池。
我國將於2013年發射“嫦娥三號”探測器在月球進行軟著陸並施放月球車。前不久月球探測工程首席科學家歐陽自遠院士接受媒體採訪時透露，中國月球車將配備核電池來幫助月球車進行“冬眠”，等到太陽再次在月面上升起時，電池自動重啟，月球車開始進入工作狀態，這樣的核電池可持續工作30年。
目的：為微型機電系統或者納米級機電系統找到合適的能量來源。
相關事故
美國政府在冷戰期間，常製造可用上幾十年的鈽核電池，多年來已造出幾十個推動衛星、行星探測器及間諜裝置的核電池，但亦曾發生意外，釋出有害物質禍及全球。
1964年，一枚導航衛星運載火箭失靈，導致衛星上的鈽核電池爆炸，所釋放的放射性物質散落全球，令人關注鈽的套用。
1965年，喜瑪拉雅山一隊美國情報小組，在暴風雪下遺失了一個偵察中國、以鈽作能源的裝置。
1968年，一枚脫離軌道的天氣衛星墜落太平洋，幸好聯邦調查人員在加州找到並取回完整的核電池。
1997年，美國太空總署準備發射“卡西尼”號土星探測器時，便有數百名示威者在場抗議，指出一旦發生意外，探測器的核電池有機會爆裂，最終導致數以千計的人因癌症而死。當局的專家現時指出，最新的鈽核電池更能防止破裂，將危害人類的機會減至極低。
