[科普中國]-原子能電池

原子能電池又稱放射性同位素電池，也被叫做放射性同位素溫差發(fā)電器。這種溫差發(fā)電器是由一些性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，如碲化鉍、碲化鉛、鍺硅合金和硒族化合物等，把許多材料串聯(lián)起來組成。另外還得有一個(gè)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(fā)電。

簡介原子能電池的熱源是放射性同位素。它們?cè)谕懽冞^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，這決定了放射性同位素電池可長期使用。放射性同位素電池采用的放射性同位素來主要有鍶－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。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；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1。

發(fā)展簡史第一個(gè)放射性同位素電池是在1959年1月16日由美國人制成的，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年美國發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星“探險(xiǎn)者1號(hào)”，上面的無線電發(fā)報(bào)機(jī)就是由核電池供電的。1976年，美國的“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。因?yàn)榛鹦潜砻鏈囟鹊臅円共畛^100℃，如此巨大的溫差，一般化學(xué)電池是無法工作的。

應(yīng)用海事應(yīng)用大海的深處，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(chǎng)，燃料電池和其他化學(xué)電池的使用壽命又太短，所以只得派核電池去了。例如，已用它作海底潛艇導(dǎo)航信標(biāo)，能保證航標(biāo)每隔幾秒鐘閃光一次，幾十年內(nèi)可以不換電池。人們還將核電池用作水下監(jiān)聽器的電源，用來監(jiān)聽敵方潛水艇的活動(dòng)。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(fèi)成本，令人十分稱心。

醫(yī)學(xué)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上，放射性同位素電池已用于心臟起搏器和人工心臟。它們的能源要求精細(xì)可靠，以便能放入患者胸腔內(nèi)長期使用。以前在無法解決能源問題時(shí)，人們只能把能源放在體外，但連結(jié)體外到體內(nèi)的管線卻成了重要的感染渠道，很是使人頭疼。眼下植入人體內(nèi)的微型核電池以鉭鉑合金作外殼，內(nèi)裝150毫克钚238，整個(gè)電池只有 160克重，體積僅 18立方厘米。它可以連續(xù)使用10年以上2。

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(hào)飛船。在月球表面的“靜海區(qū)”著陸之后，進(jìn)行了一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，例如采集巖石樣品、測(cè)定太陽風(fēng)等等。很多人或許還能記得，當(dāng)時(shí)人們都在屏住呼吸從電視屏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(dòng)人場(chǎng)面。

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15瓦，用的燃料為钚－238。但是，阿波羅11號(hào)上的放射性同位素裝置是供飛船在月面上過夜時(shí)取暖用的，也就是說它僅僅用于提供熱源。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發(fā)熱器。但是，在后來發(fā)射的用于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(fā)電用的。這就是SNAP－27A裝置。它用的燃料是钚－238，設(shè)計(jì)的電輸出功率為63.5瓦，整個(gè)裝置重量為31千克，設(shè)計(jì)壽命為一年。主要是用于阿波羅月面探查的一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)。月球上的一天等于地球上的27天。黑夜的時(shí)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(shí)，處于背陽的月面，其溫度會(huì)急劇下降好幾百度，從酷熱一下變成了嚴(yán)寒的世界。為了使衛(wèi)星上的地震儀、磁場(chǎng)儀以及其它機(jī)械能正常工作，必須利用余熱進(jìn)行保溫。在阿波羅12號(hào)飛船上首次裝載的放射性同位素電池——SNAP－27A裝置，其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)時(shí)考慮的一年，并能連續(xù)供給70瓦以上的電力，完全符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。由于這一實(shí)驗(yàn)獲得成功.后來在1970年發(fā)射的阿波羅14號(hào)以及隨后的阿彼羅15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)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，而且使用钚-238的放射性同位素電池中國還不能生產(chǎn)。當(dāng)中國從俄羅斯買過一枚放射性同位素電池，大小相當(dāng)于2節(jié)干電池，輸出功率500mW，可以連續(xù)輸出200多年，當(dāng)時(shí)買來的價(jià)格折合3000萬元人民幣?？茖W(xué)家在嚴(yán)密的防護(hù)下打開它，結(jié)構(gòu)看起來很簡單，但是研究了幾年也沒有結(jié)果，不知道怎么做出來的。

發(fā)展情況中國第一個(gè)钚－238同位素電池已在中國原子能科學(xué)研究院誕生了，同位素電池的研制成功填補(bǔ)了中國長期以來在該研究領(lǐng)域的空白，標(biāo)志著中國在核電源系統(tǒng)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(zhuǎn)換成電能，具有尺寸小、重量輕、性能穩(wěn)定可靠、工作壽命長、環(huán)境耐受性好等特點(diǎn)，能為空間及各種特殊、惡劣環(huán)境條件下的高空、地面、海上和海底的自動(dòng)觀察站或信號(hào)站等提供能源。同位素電池在美、俄等國已實(shí)際應(yīng)用，用于航天器的能源供應(yīng)。

隨著中國空間探測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展（包括“登月計(jì)劃”的啟動(dòng)）以及未來深空探測(cè)的需求，為中國航天器提供穩(wěn)定、持久的能源已提到議事日程上來，作為迄今為止航天器儀器、設(shè)備最理想供電來源的同位素電池成為航天技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志，掌握同位素電池制備的一系列關(guān)鍵技術(shù)并具備自主研制生產(chǎn)能力顯得尤為重要。2004年，原子能院同位素所承擔(dān)了“百毫瓦級(jí)钚－238同位素電池研制”任務(wù)，在兩年時(shí)間里要完成總體設(shè)計(jì)和一系列相關(guān)工藝研究，研制出樣品。

同位素所和協(xié)作單位并按制定的研究方案開展了大量的模擬實(shí)驗(yàn)、示蹤實(shí)驗(yàn)、熱實(shí)驗(yàn)等工作。最終檢測(cè)表明電池性能完全達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求，輻射防護(hù)檢測(cè)的各項(xiàng)指標(biāo)均符合國家安全要求。中國第一個(gè)钚－238同位素電池誕生了。中國第一個(gè)钚－238同位素電池的研制成功是中國在核電源系統(tǒng)研究領(lǐng)域的重大突破，為繼續(xù)探索、開發(fā)空間能源打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)