放射性同位素电池

电池种类

“放射性同位素电池”简称同位素电池（Nuclear battery 或Atomic battery）。由放射性同位素的衰变能转换为电能的机制有十几种，如“放射性同位素温差发电器(Radioisotope thermoelectric generator,简称RTG)、“辐射伏特效应”、“衰变耦合磁共振”、“往复式震荡悬臂梁”、“热离子发射”、“衰变能-光能-电能”等。

简介

放射性同位素温差发电器是美国科学家于1956年元月16日研制成功，是第一个成功的同位素电池。立即用于美国各种航天器载设备的供电，减轻发射重量、确保设备连续工作，是美国航天居于领先地位的关键技术和产品。这种温差发电器是由一些性能优异的半导体材料，如碲化铋、碲化铅、锗硅合金和硒族化合物等，把许多材料串联起来组成。另外还得有一个合适的热源和换能器，在热源和换能器之间形成温差才可发电。

放射性同位素电池原理

放射性同位素电池的热源是放射性同位素。它们在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式，向外放出比一般物质大得多的能量。这种很大的能量有两个令人喜爱的特点。一是蜕变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响，因此，核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长，这决定了放射性同位素电池可长期使用。放射性同位素电池采用的放射性同位素来主要有锶－90（Sr－90，半衰期为28年）、钚－238（Pu－238，半衰期 89.6年）、钋－210（Po-210半衰期为138.4天）等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。

放射性同位素电池的核心是换能器。目前常用的换能器叫静态热电换能器，它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差，从而发电。它的优点是可以做得很小，只是效率颇低，目前热利用率只有10%～20%，大部分热能被浪费掉。

在外形上，放射性同位素电池虽有多种形状，但最外部分都由合金制成，起保护电池和散热的作用；次外层是辐射屏蔽层，防止辐射线泄漏出来；第三层就是换能器了，在这里热能被转换成电能；最后是电池的心脏部分，放射性同位素原子在这里不断地发生衰变并放出热量。

RTG放射性同位素电池的发展史

第一个放射性同位素电池是在1959年1月16日由美国人制成的，它重1800克，在280天内可发出11.6度电。在此之后，核电池的发展颇快。1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号”，上面的无线电发报机就是由核电池供电的。1976年，美国的“海盗1号”、“海盗2号”两艘宇宙飞船先后在火星上着陆，在短短5个月中得到的火星情况，比以往人类历史上所积累的全部情况还要多，它们的工作电源也是放射性同位素电池。因为火星表面温度的昼夜差超过100℃，如此巨大的温差，一般化学电池是无法工作的。

核电池的放射性同位素

放射性同位素是核电池中的心脏部分，作为核电池的能量来源，同位素放射源都必须满足以下条件: 半衰期长(以保证电池的长寿命)、功率密度高、放射性危险性小、容易加工、经济和易于屏蔽等。现有的放射性同位素超过2500 多种，其中可用于核电池的核素有近十种，如90Sr、147Pm、238Pu、60Co、63Ni 等。空间应用中最为合适的是衰变中放出α粒子的放射性同位素，如238Pu 和210Po，它们的外照射剂量低，所需屏蔽重量小，可以大大节省发射费用。目前美国在空间飞行器上均使用238Pu。在偏僻地区使用的核电池，可以选用90Sr 作为放射源。90Sr 经济易得，它本身就是裂变堆的主要放射性废物之一，可以从核电站的放射性废物中提取，仅全世界核电站每年产生的核废料中就有5000kgSr，用它发电既是对核电站废料中的放射性同位素的再利用，也是能源短缺时代的一个考虑。

放射性同位素电池的应用

海里的用途

大海的深处，也是放射性同位素电池的用武之地。在深海里，太阳能电池根本派不上用场，燃料电池和其他化学电池的使用寿命又太短，所以只得派核电池去了。例如，现在已用它作海底潜艇导航信标，能保证航标每隔几秒钟闪光一次，几十年内可以不换电池。人们还将核电池用作水下监听器的电源，用来监听敌方潜水艇的活动。还有的将核电池用作海底电缆的中继站电源，它既能耐五六千米深海的高压，安全可靠地工作，又少花费成本，令人十分称心。

医学上的用途

在医学上，放射性同位素电池已用于心脏起搏器和人工心脏。它们的能源要求精细可靠，以便能放入患者胸腔内长期使用。以前在无法解决能源问题时，人们只能把能源放在体外，但连结体外到体内的管线却成了重要的感染渠道，很是使人头疼。现在可好了，眼下植入人体内的微型核电池以钽铂合金作外壳，内装150毫克钚238，整个电池只有 160克重（毫克？），体积仅 18立方毫米。它可以连续使用10年以上。

放射性同位素电池和阿波罗飞船

1969 年7月21日，人类第一次成功地登上月球，使用的是阿波罗11号飞船。在月球表面的“静海区”着陆之后，进行了一系列科学实验，例如采集岩石样品、测定太阳风等等。很多人或许还能记得，当时人们都在屏住呼吸从电视屏幕上观看人类第一次登上月球的情景，观看船长阿姆斯特隆和飞行员奥德林在月面上手舞足蹈的动人场面。

在阿波罗11号飞船上，安装了两个放射性同位素装置，其热功率为15瓦，用的燃料为钚－238。但是，阿波罗11号上的放射性同位素装置是供飞船在月面上过夜时取暖用的，也就是说它仅仅用于提供热源。所以，该装置又叫做ALRH（Apolo Lunar RI Heater）装置，意思是阿波罗在月球上用的放射性同位素发热器。但是，在后来发射的用于探索月面的阿波罗宇宙飞船上，安装的放射性同位素装置全部是为了发电用的。这就是SNAP－27A装置。它用的燃料是钚－238，设计的电输出功率为63.5瓦，整个装置重量为31千克，设计寿命为一年。主要是用于阿波罗月面探查的一系列科学实验。月球上的一天等于地球上的27天。黑夜的时间占一半，一夜约为地球上的两周。太阳电池在黑夜期间完全停止工作。与此同时，处于背阳的月面，其温度会急剧下降好几百度，从酷热一下变成了严寒的世界。为了使卫星上的地震仪、磁场仪以及其它机械能正常工作，必须利用余热进行保温。在阿波罗12号飞船上首次装载的放射性同位素电池——SNAP－27A装置，其寿命远远超过设计时考虑的一年，并能连续供给70瓦以上的电力，完全符合预期的设计要求。由于这一实验获得成功.后来在1970年发射的阿波罗14号以及随后的阿彼罗15号、16号、17号等飞船上都相继安装了SNAP－27A装置。

放射性同位素电池极其贵重，而且使用钚-238的放射性同位素电池我国还不能生产。十几年前，我国从俄罗斯买过一枚放射性同位素电池，大小相当于2#干电池，输出功率500mW，可以连续输出200多年，当时买来的价格折合3000万元人民币。科学家在严密的防护下打开它，结构看起来很简单，但是研究了几年也没有结果，不知道怎么做出来的。

我国第一个钚－238同位素电池

我国第一个钚－238同位素电池已在中国原子能科学研究院诞生了，同位素电池的研制成功填补了我国长期以来在该研究领域的空白，标志着我国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。

同位素电池是利用放射性同位素衰变过程释放的热能，通过热电偶转换成电能，具有尺寸小、重量轻、性能稳定可靠、工作寿命长、环境耐受性好等特点，能为空间及各种特殊、恶劣环境条件下的高空、地面、海上和海底的自动观察站或信号站等提供能源。同位素电池在美、俄等国已实际应用，用于航天器的能源供应。

随着我国空间探测的进一步发展（包括“登月计划”的启动）以及未来深空探测的需求，为我国航天器提供稳定、持久的能源已提到议事日程上来，作为迄今为止航天器仪器、设备最理想供电来源的同位素电池成为航天技术进步的重要标志，掌握同位素电池制备的一系列关键技术并具备自主研制生产能力显得尤为重要。

2004年，原子能院同位素所承担了“百毫瓦级钚－238同位素电池研制”任务，在两年时间里要完成总体设计和一系列相关工艺研究，研制出样品。

同位素所和协作单位并按制定的研究方案开展了大量的模拟实验、示踪实验、热实验等工作。最终检测表明电池性能完全达到了技术指标要求，辐射防护检测的各项指标均符合国家安全要求。中国第一个钚－238同位素电池诞生了。

我国第一个钚－238同位素电池的研制成功是我国在核电源系统研究领域的重大突破，为继续探索、开发空间能源打下了坚实的基础。

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