核電池：一切電池的終極形態(tài)

時間：2020-05-06 14:00:08

關(guān)鍵字：核電電池放射性探測器

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[導(dǎo)讀]關(guān)注、星標(biāo)公眾號，不錯過精彩內(nèi)容來源：ittbank 生活中，我們常常被蓄電池的電量不足弄的相當(dāng)尷尬。在這時候，經(jīng)常會感慨如果電池能一次用上百年是多么令人省心和愉快啊。其實(shí)，我們?nèi)祟愓娴挠羞@種終極形態(tài)的電池-核電池。并且在60年代就獲得了長足的發(fā)

關(guān)注、星標(biāo)公眾號，不錯過精彩內(nèi)容

來源：ittbank

生活中，我們常常被蓄電池的電量不足弄的相當(dāng)尷尬。在這時候，經(jīng)常會感慨如果電池能一次用上百年是多么令人省心和愉快啊。

其實(shí)，我們?nèi)祟愓娴挠羞@種終極形態(tài)的電池-核電池。并且在60年代就獲得了長足的發(fā)展，在航天，醫(yī)學(xué)，軍事上的應(yīng)用非常廣泛。

獲取核能有三種形式：核裂變，核聚變，核衰變。原子彈是裂變，氫彈是聚變。原子通過分裂或聚合的反應(yīng)方式釋放能量，都是驚天動地，山崩地裂。

而核衰變，是放射性原子持續(xù)向外自發(fā)釋放能量的過程。過程溫和，功率相對于核反應(yīng)，忽略不計(jì)。目前人類使用的核電池即是核衰變電池。也是初代核電池。

未來科技發(fā)展，二代核電池也將和電影“終極者”T800引爆的核電池，“鋼鐵俠”胸口的核聚變電池一樣，成為一個微型核反應(yīng)堆，為使用者提供著巨大而源源不絕的能量。

放射性同位素在衰變過程中，會持續(xù)不斷的放出具有熱能的射線。利用半導(dǎo)體換能器將熱能轉(zhuǎn)換為電能的裝置即為核電池。以原子自然衰變釋放的能量為動力。

一般核電池外觀與普通化學(xué)電池相近，為圓柱形。在圓柱的中心密封有放射性同位素源，外面包裹著半導(dǎo)體換能器。換能器的外層為防輻射屏蔽層，最外層是金屬筒形的外殼。

核電池按放射性元素的不同可分為高電壓型和低電壓型。高電壓型應(yīng)用在航天與軍事用途上。低電壓型體積可以制造的很小，通常在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。

美國近年研發(fā)的微型核電池，大小可以控制在一元硬幣大小。但是電力是普通化學(xué)電池的100萬倍。這類電池的研制成功，對微型機(jī)器人，微型機(jī)電系統(tǒng)和系統(tǒng)集成化，多功能化有著極其廣闊的應(yīng)用前景。

應(yīng)用場合：

醫(yī)學(xué)醫(yī)用核電池大小通常是直徑9毫米，長度13毫米的圓柱形電池狀，重量一般在40-100多克。世界上已經(jīng)有數(shù)以萬計(jì)的心臟病患者植入了核電池驅(qū)動的心臟起搏器。給予了他們第二次生命，使用壽命在15年。

如果更換為相同功率和壽命的化學(xué)電池，那么和人體的體重一樣重?；瘜W(xué)電池植入體內(nèi)的患者需要頻繁進(jìn)行開胸手術(shù)來更換，這無疑是冒著生命危險(xiǎn)承受巨大的痛苦。

航天對太空飛行器而言，重量和性能的要求極其苛刻。核電池因?yàn)槌渥愕哪芰砍L的壽命，不受外界環(huán)境的溫度，壓力，化學(xué)反應(yīng)，電磁反應(yīng)等影響持續(xù)釋放能量的特性，而擁有化學(xué)電池不可比擬的優(yōu)勢，只要空間存在，就可以工作的能力，簡直是太空飛行的最佳電源。目前掌握核電池制造研發(fā)能力的國家是中美俄三國。

下圖宇航員手持圓柱形設(shè)備即是核電池

1959年，世界上第一顆核電池在美國誕生。重1.8公斤，280天內(nèi)可以釋放11.6度電量。之后核電池進(jìn)入了飛速發(fā)展時期。

1961年，美國第一顆人造衛(wèi)星“探險(xiǎn)者一號”首次攜帶核電池進(jìn)入外層空間工作。開始進(jìn)行讓衛(wèi)星攜帶核電池進(jìn)入外層空間工作的測試。

在之后的10年間，通過對“子午儀”號系列導(dǎo)航衛(wèi)星，“林肯”號實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星以及“雨云”號系列氣象衛(wèi)星這些衛(wèi)星使用核電池的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析改進(jìn)后，1969年阿波羅11號登月飛船，攜帶了兩顆使用钚-238作為放射性同位素的核電池登上了月球。

正是核電池的應(yīng)用，太空無人探測器才具有了遠(yuǎn)離太陽，探索深空的可能。當(dāng)太陽能電池不能獲得足夠太陽光的時候，只有核電池才能支持探測器繼續(xù)工作。

之后的“海盜”，“先驅(qū)者”，“旅行者”等一系列探測器在核電池的支持下，才有了探測木星，土星，海王星等一系列遠(yuǎn)征。才能夠讓探測到的信息和資料回傳給地球，讓我們得以看到這些遙遠(yuǎn)鄰居的近貌。

尤其是“旅行者”一號，迄今為止遠(yuǎn)離地球211億公里，飛行40年，已到達(dá)太陽系行星軌道之外，這是人類史上最遠(yuǎn)的飛行，核電池依然在履行職責(zé)，讓人類知道了太陽風(fēng)的邊緣世界信息。

著名的“好奇”號火星車全核電池供電，已經(jīng)取消了太陽能電池供電板。

下圖后方黑色圓柱體為核電池

蘇聯(lián)時期，在60-80年代，也發(fā)射了幾十顆核電池衛(wèi)星，用于海洋檢測偵察使用。這些衛(wèi)星是低軌衛(wèi)星，組成了蘇聯(lián)著名的“神話”海天偵測系統(tǒng)。主要的任務(wù)就是在全球?qū)崟r追蹤定位美國的航母戰(zhàn)斗群。需要不間斷向地面發(fā)射坐標(biāo)和圖像信息，核電池加太陽能的組合可以很好的滿足大功率長時間的工作。

在1982年英阿馬島戰(zhàn)爭期間，蘇聯(lián)通過“神話”掌控了英國艦隊(duì)的動向，聯(lián)絡(luò)阿根廷政府希望提供情報(bào)，結(jié)果被阿根廷拒絕。好吧，阿根廷不相信眼淚。

中國的航天同位素核電池由中國原子能科學(xué)研究院在2006年研制成功?！版隙稹碧綔y器登月，即使用了核電池。

月球白天黑夜的交替是14天一次，月球白晝溫度127攝氏度。黑夜溫度驟降至零下190攝氏度，300度的溫差，如此寒冷的溫度，“玉兔”月球車上的所有儀器都會被凍壞。如此低溫，無論是鋰電池，還是氫電池或者鋁電池，全都不能正常工作。黑暗中的月球車和嫦娥探測器就依靠核電池的能量保持溫度和地面的通訊。等待著白晝的來臨。

核電池的優(yōu)點(diǎn)非常多，但是一樣有缺點(diǎn)。作為目前使用的初代核電池，受限于熱能轉(zhuǎn)換材料的性能，只有10%-20%的熱能被利用。其余的能量被浪費(fèi)無法轉(zhuǎn)換。受限于熱能轉(zhuǎn)換率，電流有限，如果要提供足夠的功率，大體積隨即會產(chǎn)生高輻射。使用的钚等元素的毒性，也極強(qiáng)烈，這是一把雙刃劍，只有等待將來了。

隨著科技和材料性能的提升，在進(jìn)一步提高熱能轉(zhuǎn)化率和更換放射性同位素之后，將來的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛，包括地球上的極地，海島，高山，沙漠，深海等自然環(huán)境惡劣，交通不便的地方，都會是它大顯身手之地。

但是，在民用領(lǐng)域，核電池的推廣和普及有極大的難度。首先是價格問題。電池原料使用的钚，釙等都很難獲得，有些甚至需要在核裂變乏材料中提取。價格注定非常昂貴。

最大的障礙還不是價格，泛民用還會引發(fā)核安全問題。收集儲存電池芯，將會很容易制造出一顆臟彈，每個人都將具有摧毀社會的能力。被特殊組織利用，將會是一場接一場的人禍。

其次是安全性問題。美蘇都發(fā)生過電池破裂燒毀丟失的事故。雖然現(xiàn)在的核電池已經(jīng)做的極度安全，但是一旦出現(xiàn)破裂摔壞，內(nèi)部的放射性元素會直接暴露在空氣中。這會引起民眾極大的擔(dān)憂。

1997年美國太空總署發(fā)射“卡西尼”土星探測器的時候，就發(fā)生過民眾抗議事件。擔(dān)心發(fā)射失敗電池會造成環(huán)境污染。

雖然核衰變電池不會爆炸，只是緩慢釋放能量而不發(fā)生反應(yīng)，不用擔(dān)心成為微型原子彈，但是輻射，一樣讓絕大多數(shù)普通民眾談核色變。

當(dāng)下，我們只有在專業(yè)領(lǐng)域，看它大放異彩了。特別是充滿了幻想和未知的太空，這是核電池的應(yīng)用海洋。

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