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標題: 微型核電池 [打印本頁]

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作者: meshinobi    時間: 2010-1-29 19:04
標題: 微型核電池
“核電池”也被叫做“放射性同位素溫差發電器”或“原子能電池”。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。

核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，這決定了核電池可長期使用。核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）、鈈－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 同位素發射高能量的α射線，在熱電元件中將熱量轉化成電流。

核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。

在外形上，核電池雖有多種形狀，但最外部分都由合金製成，起保護電池和散熱的作用；次外層是輻射遮罩層，防止輻射線洩漏出來；第三層就是換能器了，在這裏熱能被轉換成電能；最後是電池的心臟部分，放射性同位素原子在這裏不斷地發生蛻變並放出熱量。

第一個核電池是在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”兩艘太空船先後在火星上著 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核電池。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。

大海的深處，也是核電池的用武之地。在深海裏，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。

在醫學上，核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管道，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毫克鈈238，整 個電池只有 160克重，體積僅 18立方毫米。它可以連續使用10年以上。

核電池和阿波羅飛船

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，用的燃料為鈈－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發熱器。

但是，在後來發射的用於探索月面的阿波羅太空船上，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。它用的燃料是鈈－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、磁場儀以及其他機械能正常工作，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。

核電池極其貴重，而且使用鈈-238的核電池我國還不能生產。十幾年前，我國從俄羅斯買過一枚核電池，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，不知道怎麼做出來 的。

　　提起核能，人們通常會把它與層層把關、縱深設防的核電站聯繫在一起，可能還會不由自主地浮現出輻射、擴散等危險字眼。殊不知，核能已經悄悄地在改變我 們的日常生活。美國科學家日前宣佈，他們已經研製成功一種新型的核電池，它的功率是同類電池的10倍，而且可以連續使用十多年。

　　據美國《生活科學》雜誌5月13日報導，核電池發電的原理與太陽能電池板把陽光轉化為電能的原理相似，核電池中的氚（氫的放射性同位素）等放射性氣體在衰變過程中會釋放出具有熱能的β射線，經由電池中的熱電元件轉化成為電能。

　　然而，由於氣體衰變過程中，射線向各個方向發射，許多都沒有經過轉化就消失無蹤了，因此此前出現的核電池還不如太陽能電池的功率大。

　　由美國羅徹斯特大學工程師菲力浦‧福謝領導的研究小組新研製的核電池，其獨特之處在於用於熱電轉化的矽晶片。他們對其表面進行了改造，鑿出了無數寬1微米、深40微米的凹點，這樣一個三維的反應環境極大地提高了所產生的電能，一舉將電池功率提高了10倍。

　　至於這種核電池會不會造成輻射也完全不必擔心，因為密封的金屬核電池足以把放射性能源反應完全密閉。而且氚元素釋放出的β射線穿透性不高，一張紙就能把它隔離開來，更不用說穿透皮膚了。

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