什么是核电池?它有什么特点?
LED 2006-1-25电子技术

什么是核电池?它有什么特点?

“核电池”也被叫做“放射性同位素温差发电器”或“原子能电池”。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。

核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,这决定了核电池可长期使用。核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。

核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,核电池虽有多种形状,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蜕变并放出热量。

第一个核电池是在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核电池。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。

大海的深处,也是核电池的用武之地。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。

在医学上,核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,体积仅 18立方毫米。它可以连续使用10年以上。

核电池和阿波罗飞船

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。

核电池极其贵重,而且使用钚-238的核电池我国还不能生产。十几年前,我国从俄罗斯买过一枚核电池,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。

(周爱民/编辑)

来自 电子技术
2006-1-26 02:40:40
1楼

新型“核电池”威力大

--------------------------------------------------------------------------------

来源:深圳新闻网-深圳特区报 时间:2005年5月17日

  提起核能,人们通常会把它与层层把关、纵深设防的核电站联系在一起,可能还会不由自主地浮现出辐射、扩散等危险字眼。殊不知,核能已经悄悄地在改变我们的日常生活。美国科学家日前宣布,他们已经研制成功一种新型的核电池,它的功率是同类电池的10倍,而且可以连续使用十多年。

  据美国《生活科学》杂志5月13日报道,核电池发电的原理与太阳能电池板把阳光转化为电能的原理相似,核电池中的氚(氢的放射性同位素)等放射性气体在衰变过程中会释放出具有热能的β射线,经由电池中的热电元件转化成为电能。

  然而,由于气体衰变过程中,射线向各个方向发射,许多都没有经过转化就消失无踪了,因此此前出现的核电池还不如太阳能电池的功率大。

  由美国罗彻斯特大学工程师菲利普·福谢领导的研究小组新研制的核电池,其独特之处在于用于热电转化的硅晶片。他们对其表面进行了改造,凿出了无数宽1微米、深40微米的凹点,这样一个三维的反应环境极大地提高了所产生的电能,一举将电池功率提高了10倍。

  至于这种核电池会不会造成辐射也完全不必担心,因为密封的金属核电池足以把放射性能源反应完全密闭。而且氚元素释放出的β射线穿透性不高,一张纸就能把它隔离开来,更不用说穿透皮肤了。

  这种核电池体积小,而且“长寿”,至少能工作12年,如果把它用在日常生活的电子设备中,就可以省掉频繁更换电池的麻烦。在医学领域,它可以为心脏起搏器等需要长年埋植在人体中的医学仪器持续供电。它不怕温度巨大变化,也不怕深海下的高压和腐蚀,因此既能随太空飞船上天,也能随深海探测器下海。

  但福谢表示,电池在两年内还不会进入市场,因为他们希望通过进一步研究把电池功率再提高几倍。看来,一场令人期待的生活能源革命离我们越来越近。

折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2楼

长寿命的核电池
  在一家医院的手术室里,无影灯明亮柔和的光投射在一位年轻的女患者身上,医生正紧张地给她做心脏手术,并将一个小巧的心脏起搏器埋植在她的体内,以便长期协助心脏正常工作。

  她刚18岁,正值青春妙龄之时,但心脏病折磨得她不能正常学习,经常头昏、心悸,脉搏每分钟仅50多次。这个小小的起搏器,就像水泵一样使她的心跳维持在每分钟72次。

  手术做得很成功。她很快恢复了健康。临出院那天,她找到主治大夫表示感谢。大夫笑笑说:“这可是那个核电池起搏器帮了大忙,你应该感谢它。”姑娘一听核电池,脸色顿时由红变白,两只眼睛瞪得大大的。大夫知道她可能是因为“谈核色变”,害怕核辐射伤害她的身体.赶快解释说:“这起搏器所用的核电池是非常安全的,不会影响人的健康。它的最大放射剂量和一只夜光手表上的荧光粉的放射量相同。在一年内,人体所接受的辐射总剂量只相当于进行一次胸部X光透视的剂量,所以你完全不必担心”她的神色比刚才好一些,但还不放心地问:“干吗非要用核电池,用别的不行吗?”

  大夫顺手从柜子里取出一件东西,然后伸出手对姑娘说:“你看,核电池就这么大,比5号干电池还小,然而它可以使用10年以上,这正好能满足起搏器长期埋植在人体工作的需要。至于别的电池比它可差远了……”

  “现在世界上已有成百上千人使用了这种带核电池的起搏器,重新走上了学习和工作的岗位,看来核电池起搏器的功劳确实是不小的、祝你一路平安!”大夫说着也笑了。

  上面这个小故事,向人们展现了核电池的风貌和本领。那么,人们自然就想知道这位电池家族中的后起之秀能“长寿”的秘密。

  要了解核电池,就得先熟悉同位素,因为核电池还有个名字叫做“放射性同位素电池”。

  同位素在衰变过程中不断地放出具有热能的射线,这种同位素就称做“放射性同位素”。人们通过半导体换能器将这些射线的热能转变为电能,就制成了核电池。

  同位素在自然衰变中能放出比一般物质大得多的能量,而且衰变时间很长,如1克镭在衰变中放出的能量比1克木柴在燃烧中放出的能量大60多万倍,其衰变时间长达1万年。因此,核电池的能量大,体积小,可以长时间使用。这也就是选用它做起搏器能源的主要原因。

  核电池在外形上与普通干电池相似,呈圆柱形。在圆柱的中心密封有放射性同位素源,其外面是热离子转换器或热电偶式的换能器。换能器的外层为防辐射的屏蔽层,最外面一层是金属筒外壳。

  核电池还有个受人喜爱的倔脾气,就是它在衰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、电磁场等的影响。因此,它以抗干扰性强和工作准确可靠而著称,成为电池家族中的佼佼者。

  即使过去移植别人的心脏来救人是可能的,但总不是太理想。因为,同心脏失效和损坏的人数相比,能够捐赠合适心脏的人太少了。此外,身体具有排斥异己组织的倾向。所以,许多心脏移植手术只是暂时取得成功。成千上万的人们可以求助于一种大量生产的机械心脏,这种机械心脏是身体所能容受的。使用某些不会激起身体排斥机能的材料来制造长寿耐用的机械泵,这在技术上是可行的,而且已经研制成了几种型号。它的一个主要问题是动力来源问题。你不能把人连上电线,用插销插到110伏交流电插座上;也不能为此而接上蓄电池。金属线通过皮肤导入心脏,将成为一种不能忍受的刺激源,成为导致感染的通道。所以,心脏泵压动力的供应源也应当像心脏起搏器的放射性同位素热电发生器那样完全植入体内,而不直接靠近外部环境。

折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
3楼

功率强使用率高 新型核电池在美研制成功

--------------------------------------------------------------------------------

中国日报网 欧叶整理 2005-05-20 15:20:28

中国日报网站消息 提起核能,人们通常会把它与层层把关、纵深设防的核电站联系在一起,可能还会不由自主地浮现出辐射、扩散等危险字眼。殊不知,核能已经悄悄地在改变我们的日常生活。 美国科学家日前宣布,他们已经研制成功一种新型的核电池,它的功率是同类电池的10倍,而且可以连续使用十多年。

***功率超强的秘密

据美国《生活科学》杂志5月13日报道,核电池发电的原理与太阳能电池板把阳光转化为电能的原理相似,核电池中的氚(氢的放射性同位素)等放射性气体在衰变中会释放出的具有热能的β射线,经由电池中的热电元件转化成为电能。

然而,由于气体衰变过程中,射线向各个方向发射,许多都没有经过转化就消失无踪了,因此此前出现的核电池还不如太阳能电池的功率大。

由美国罗彻斯特大学工程师菲利普·福谢领导的研究小组新研制的核电池,其独特之处在于用于热电转化的硅晶片。他们对其表面进行了改造,凿出了无数宽1微米、深40微米的凹点,这样一个三维的反应环境极大地提高了所产生的电能,一举将电池功率提高了10倍。

福谢说:“人们已经用了50年的时间研究将简单核衰变反应转化为可利用能源途径,但是最终的发电量却总是很低。现在我们已经找到了提高反应功效的方法。”

***安全性高,应用前景广泛

至于这种核电池会不会造成辐射也完全不必担心,因为密封的金属核电池足以把放射性能源反应完全密闭。而且氚元素释放出的β射线穿透性不高,一张纸就能把它隔离开来,更不用说穿透皮肤了。

这种核电池体积小,而且“长寿”,至少能工作12年,如果把它用在日常生活的电子设备中,就可以省掉频繁更换电池的麻烦。在医学领域,它可以为心脏起搏器等需要长年埋植在人体中的医学仪器持续供电。它不怕温度巨大变化,也不怕深海下的高压和腐蚀,因此既能随太空飞船上天,也能随深海探测器下海。

但福谢表示,电池在两年内还不会进入市场,因为他们希望通过进一步研究把电池功率再提高几倍。看来,一场令人期待的生活能源革命正以更快的加速度越来越近。(欧叶)

小资料:形形色色的现代电池

· 注水电池:德国开发的这种电池只要注入水就能供电筒、闪光灯和玩具使用。这种电池能存放50年,能放电、充电。充电时,取下盖子洗净内部,注水即可。  

· 细菌电池:日本研制的这种电池是把两种细菌放入糖浆中,一种细菌蚕食糖浆产生有机酸,另一种细菌使有机酸化为氢,这些氢与放进的磷酸起反应,便可放电。

· 超薄电池:这种法国生产的电池如普通纸厚,质软,能像纸一样随意切割或折叠,能反复充电上千次,手表、汽车均可使用。

· 看不见的电池:美国科学家发明了世界上最小的电池。其直径仅70微米,与普通感冒病毒大小相似,只能在电子显微镜下才能看到。该电池能在45分钟之内产生0.02V电压。

· 核电池:核电池还有个名字叫做“放射性同位素电池”。同位素在衰变过程中不断地放出具有热能的射线,这种同位素就称做“放射性同位素”。人们通过半导体热电转换元件将这些射线的热能转变为电能,就制成了核电池。同位素在自然衰变中能放出比一般物质大得多的能量,而且衰变时间很长,因此,核电池的能量大,体积小,可以长时间使用。而且同位素在衰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、电磁场等的影响。因此,它以抗干扰性强和工作准确可靠而著称,成为电池家族中的佼佼者。(欧叶整理)

折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2006-2-12 20:03:17
2006-2-12 20:03:17
4楼
未来机器人的理想能源!!
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2007-3-27 19:17:23
2007-3-27 19:17:23
5楼
是个好东西啊!!! 中国能研制成功那才了不起啊!!! 盼望!!! 望大家多发次类贴!!!
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2008-3-3 11:22:19
2008-3-3 11:22:19
6楼

木有电容啊 拿东西串一个电容 让我想器EVE

折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2008-3-16 13:12:16
2008-3-16 13:12:16
7楼

一直很想做核电池。。汗。。。。。。但是找不到方向,现有的电池功率还是太小

究竟是能量利用率不高呢还是能量本来就不高。。如果是能量利用率不高还有待发掘

折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2008-3-19 18:51:08
2008-3-19 18:51:08
8楼
以后买电子表可能就不会有安装电池这个功能了,直接买回来用就可以了,200年以后可能电池还有电,但表已经坏了。
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
9楼
呵呵
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2008-5-11 12:17:11
2008-5-11 12:17:11
10楼
提高功率可以使用半衰期短的同位素,当然,使用时间也短,飞船里用的是锔的几种同位素。
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
2010-11-12 23:04:54
2010-11-12 23:04:54
11楼
上次做一篇英语阅读
里面说 “将来核动力电池将有可能细于人类的头发”= =
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论
12楼
回 7楼(NGC224) 的帖子
我觉得这两个方面都有。
折叠评论
加载评论中,请稍候...
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

{{submitted?"":"投诉"}}
请选择违规类型:
{{reason.description}}
支持的图片格式:jpg, jpeg, png