放射性同位素電池

“放射性同位素電池”簡稱同位素電池（Nuclear battery 或Atomic battery)。由放射性同位素的衰變能轉換為電能的機制有十幾種，如“放射性同位素溫差發電器(Radioisotope thermoelectric generator,簡稱RTG)、“輻射伏特效應”、“衰變耦合磁共振”、“往復式震盪懸臂樑”、“熱離子發射”、“衰變能-光能-電能”等。

基本介紹

• 中文名：放射性同位素電池
• 簡稱：同位素電池
• 國家：美國
• 時間：1956年

簡介

放射性同位素溫差發電器是美國科學家於1956年元月16日研製成功，是第一個成功的同位素電池。立即用於美國各種太空飛行器載設備的供電，減輕發射重量、確保設備連續工作，是美國航天居於領先地位的關鍵技術和產品。這種溫差發電器是由一些性能優異的半導體材料，如碲化鉍、碲化鉛、鍺矽合金和硒族化合物等，把許多材料串聯起來組成。另外還得有一個合適的熱源和換能器，在熱源和換能器之間形成溫差才可發電。

放射性同位素電池原理

放射性同位素電池的熱源是放射性同位素。它們在蛻變過程中會不斷以具有熱能的射線的形式，向外放出比一般物質大得多的能量。這種很大的能量有兩個令人喜愛的特點。一是蛻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、電磁場的影響，因此，核電池以抗干擾性強和工作準確可靠而著稱。另一個特點是蛻變時間很長，這決定了放射性同位素電池可長期使用。放射性同位素電池採用的放射性同位素來主要有鍶－90（Sr－90，半衰期為28年）、鈽－238（Pu－238，半衰期 89.6年）、釙－210（Po-210半衰期為138.4天）等長半衰期的同位素。將它製成圓柱形電池。燃料放在電池中心，周圍用熱電元件包覆，放射性同位素髮射高能量的α射線，在熱電元件中將熱量轉化成電流。

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熱電換能器，它利用熱電偶的原理在不同的金屬中產生電位差，從而發電。它的優點是可以做得很小，只是效率頗低，目前熱利用率只有10%～20%，大部分熱能被浪費掉。

原理圖

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製成，起保護電池和散熱的作用；次外層是輻射禁止層，防止輻射線泄漏出來；第三層就是換能器了，在這裡熱能被轉換成電能；最後是電池的心臟部分，放射性同位素原子在這裡不斷地發生衰變並放出熱量。

RTG放射性同位素電池的發展史

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。

核電池的放射性同位素

放射性同位素是核電池中的心臟部分，作為核電池的能量來源，同位素放射源都必須滿足以下條件: 半衰期長(以保證電池的長壽命)、功率密度高、放射性危險性小、容易加工、經濟和易於禁止等。現有的放射性同位素超過2500 多種，其中可用於核電池的核素有近十種， 如90Sr、147Pm、238Pu、60Co、63Ni 等。空間套用中最為合適的是衰變中放出α粒子的放射性同位素，如238Pu 和210Po，它們的外照射劑量低，所需禁止重量小，可以大大節省發射費用。目前美國在空間飛行器上均使用238Pu。在偏僻地區使用的核電池，可以選用90Sr 作為放射源。90Sr 經濟易得， 它本身就是裂變堆的主要放射性廢物之一，可以從核電站的放射性廢物中提取， 僅全世界核電站每年產生的核廢料中就有5000kgSr，用它發電既是對核電站廢料中的放射性同位素的再利用，也是能源短缺時代的一個考慮。

放射性同位素電池的套用

海里的用途

大海的深處，也是放射性同位素電池的用武之地。在深海里，太陽能電池根本派不上用場，燃料電池和其他化學電池的使用壽命又太短，所以只得派核電池去了。例如，現在已用它作海底潛艇導航信標，能保證航標每隔幾秒鐘閃光一次，幾十年內可以不換電池。人們還將核電池用作水下監聽器的電源，用來監聽敵方潛水艇的活動。還有的將核電池用作海底電纜的中繼站電源，它既能耐五六千米深海的高壓，安全可靠地工作，又少花費成本，令人十分稱心。

醫學上的用途

在醫學上，放射性同位素電池已用於心臟起搏器和人工心臟。它們的能源要求精細可靠，以便能放入患者胸腔內長期使用。以前在無法解決能源問題時，人們只能把能源放在體外，但連結體外到體內的管線卻成了重要的感染渠道，很是使人頭疼。現在可好了，眼下植入人體內的微型核電池以鉭鉑合金作外殼，內裝150毫克鈽238，整個電池只有 160克重（毫克？），體積僅 18立方毫米。它可以連續使用10年以上。

放射性同位素電池和阿波羅飛船

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號飛船。在月球表面的“靜海區”著陸之後，進行了一系列科學實驗，例如採集岩石樣品、測定太陽風等等。很多人或許還能記得，當時人們都在屏住呼吸從電視螢幕上觀看人類第一次登上月球的情景，觀看船長阿姆斯特隆和飛行員奧德林在月面上手舞足蹈的動人場面。

在阿波羅11號飛船上，安裝了兩個放射性同位素裝置，其熱功率為15瓦，用的燃料為鈽－238。但是，阿波羅11號上的放射性同位素裝置是供飛船在月面上過夜時取暖用的，也就是說它僅僅用於提供熱源。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髮熱器。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。月球上的一天等於地球上的27天。黑夜的時間占一半，一夜約為地球上的兩周。太陽電池在黑夜期間完全停止工作。與此同時，處於背陽的月面，其溫度會急劇下降好幾百度，從酷熱一下變成了嚴寒的世界。為了使衛星上的地震儀、磁場儀以及其它機械能正常工作，必須利用餘熱進行保溫。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。

放射性同位素電池極其貴重，而且使用鈽-238的放射性同位素電池我國還不能生產。十幾年前，我國從俄羅斯買過一枚放射性同位素電池，大小相當於2#乾電池，輸出功率500mW，可以連續輸出200多年，當時買來的價格折合3000萬元人民幣。科學家在嚴密的防護下打開它，結構看起來很簡單，但是研究了幾年也沒有結果，不知道怎么做出來的。

我國第一個鈽－238同位素電池

我國第一個鈽－238同位素電池已在中國原子能科學研究院誕生了，同位素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。

同位素電池是利用放射性同位素衰變過程釋放的熱能，通過熱電偶轉換成電能，具有尺寸小、重量輕、性能穩定可靠、工作壽命長、環境耐受性好等特點，能為空間及各種特殊、惡劣環境條件下的高空、地面、海上和海底的自動觀察站或信號站等提供能源。同位素電池在美、俄等國已實際套用，用於太空飛行器的能源供應。

隨著我國空間探測的進一步發展（包括“登月計畫”的啟動）以及未來深空探測的需求，為我國太空飛行器提供穩定、持久的能源已提到議事日程上來，作為迄今為止太空飛行器儀器、設備最理想供電來源的同位素電池成為航天技術進步的重要標誌，掌握同位素電池製備的一系列關鍵技術並具備自主研製生產能力顯得尤為重要。

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。

我國第一個鈽－238同位素電池的研製成功是我國在核電源系統研究領域的重大突破，為繼續探索、開發空間能源打下了堅實的基礎。