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核技术利用之核电池

2021-08-04 10:58     来源:河北玉核科技有限公司     放射性原子 放射性同位素核技术
生活中,我们常常被蓄电池的电量不足弄的很尴尬。在这时候,经常会感慨如果电池能一次用上百年是多么令人省心和愉快啊。

其实,世界上真的有这种终极形态的电池:核电池,并且在60年代就获得了长足的发展,在航天、医学、军事上的应用非常广泛。

1 核电池的形态

获取核能有三种形式:核裂变,核聚变,核衰变。原子弹是裂变,氢弹是聚变。原子通过分裂或聚合的反应方式释放能量,都是惊天动地,山崩地裂。 而核衰变,是放射性原子持续向外自发释放能量的过程。过程温和,功率相对于核反应,忽略不计。目前人类使用的核电池即是核衰变电池,也是初代核电池。

放射性同位素在衰变过程中,会持续不断的放出具有热能的射线。利用半导体换能器将热能转换为电能的装置即为核电池,以原子自然衰变释放的能量为动力。

一般核电池外观与普通化学电池相近,为圆柱形。在圆柱的中心密封有放射性同位素源,外面包裹着半导体换能器。换能器的外层为防辐射屏蔽层,最外层是金属筒形的外壳。

核电池按放射性元素的不同可分为高电压型和低电压型。高电压型应用在航天与军事用途上。低电压型体积可以制造的很小,通常在医学领域应用。

2 应用场合

医学医用核电池大小通常是直径9毫米、长度13毫米的圆柱形电池状,重量一般在40-100多克。世界上已经有数以万计的心脏病患者植入了核电池驱动的心脏起搏器,给予了他们第二次生命,使用寿命在15年。

如果更换为相同功率和寿命的化学电池,那么和人体的体重一样重。化学电池植入体内的患者需要频繁进行开胸手术来更换,这无疑是冒着生命危险承受巨大的痛苦。

航天对太空飞行器而言,重量和性能的要求极其苛刻。核电池因为充足的能量超长的寿命,不受外界环境的温度、压力、化学反应、电磁反应等影响持续释放能量的特性,而拥有化学电池不可比拟的优势,只要空间存在,就可以工作的能力,简直是太空飞行的最佳电源。

下图宇航员手持的圆柱形设备即是核电池:

中国的航天同位素核电池由中国原子能科学研究院在2006年研制成功。“嫦娥”探测器登月,即使用了核电池。

月球白天黑夜的交替是14天一次,月球白昼温度127摄氏度。黑夜温度骤降至零下190摄氏度,300度的温差,如此寒冷的温度,“玉兔”月球车上的所有仪器都会被冻坏。如此低温,无论是锂电池,还是氢电池或者铝电池,全都不能正常工作。黑暗中的月球车和嫦娥探测器就依靠核电池的能量保持温度和地面的通讯,等待着白昼的来临。

核电池的优点非常多,但是一样有缺点。作为目前使用的初代核电池,受限于热能转换材料的性能,只有10%-20%的热能被利用。其余的能量被浪费无法转换。受限于热能转换率,电流有限,如果要提供足够的功率,大体积随即会产生高辐射。

随着科技和材料性能的提升,在进一步提高热能转化率和更换放射性同位素之后,将来的应用领域将更加广泛,包括地球上的极地、海岛、高山、沙漠、深海等自然环境恶劣,交通不便的地方,都会是它大显身手之地。 但是,在民用领域,因为价格和安全性问题,核电池的推广和普及有极大的难度。

当下,我们只有在专业领域,看它大放异彩了。特别是充满了幻想和未知的太空,这是核电池的应用海洋。


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