核电池的现状和发展前景

核电池报告人：***目录•1.概述•2.历史背景•3.分类•4.核电池应用及前景1.1定义核电池又叫“放射性同位素电池”，它是通过半导体换能器将同位素在衰变过程中不断地放出具有热能的射线的热能转变为电能而制造而成。重的原子核在分裂为两块或更多块的同时,也会放出很多能量,称为裂变能,原子弹、核电站都是利用裂变能的成功例子;很轻的两个原子核聚合成一个较重的原子核,放出的能量更大,称为聚变能,氢弹、太阳高温就是利用的聚变能。但核电池既不利用裂变能、又不利用高温高压下的聚变能,它是利用射线能量来发电的左图是放射性同位素电池结构。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。1.2原理放射性同位素电池的热源是放射性同位素。当放射性物质衰变时，能够释放出带电粒子，如果正确利用的话，能够产生电流。通常不稳定(即具有放射性)的原子核会发生衰变现象，在放射出粒子及能量后可变得较为稳定。核电池正是利用放射性物质衰变会释放出能量的原理所制成的。放射性同位素电池采用的放射性同位素主要有锶一90(Sr一90,半衰期为28年)、鈈一238(Pu一238,半衰期89.6年)、钋一210(Po一210半衰期为135.4天)等长半衰期固体同位素。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Q射线,在热电元件中将热量转化成电流。原理如右图。放射性同位素电池的核心是换能器。目前主要用的是放射性同位素热电发生器是通过放射性衰变实现供电的简单发电器。在放射性同位素热电发生器里，放射性材料衰变释放出热能，热能通过一系列热电偶被转换成电能。1.3放射性同位素热电发生器(RTG)热电偶的基本原理是两种不同成份的材质导体组成回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。放射性同位素热电发生器(RTG)核电池的优点：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。1.4核电池的优缺点核电池的缺点：一、发电效率偏低(约为10%)、价格昂贵。二、同时电池所使用的放射性同位素有放射性污染,必须妥善防护。还有一旦电池装成后,不管是否使用,随着放射性源的衰变,电性能都要衰减。2.1核电池在国际上的发展第一枚放射性同位素电池是在1959年1月16日由美国制成,重量为1800克,在280天内发出11.6度电；1961年美国发射了近地轨道导航卫星“子午仪-4A”,该卫星首次配备了RTG。该电池外形接近球体,直径约12.5厘米,重约2千克。个头虽小,它所提供的电力却相当于一块重300千克的镍-铜电池。“子午仪-4A”卫星在太空运行了十多年,大大超过原来的设计寿命。2.历史背景1969年美国宇航员乘阿波罗11号飞船成功登上月球,飞船上装两个放射性同位素电池装置,其热功率为15瓦,燃料为钚一238；1969年,苏联的“月球车1号”登上月球,这台重达756千的无人探月车使用11千克的放射性同位素钋210作为燃料(可输出800瓦功率)来抵御月夜的严寒。“月球车1号”设计寿命为三个月,实际工作了近一年时间。1969至1972年间,共有五块放射性同位素电池被五次“阿波罗”任务的宇航员带上月球,为月震仪、磁强仪、热流计、重力计和太阳风测定仪等多种仪器提供电能。英国BBC电台今年10月9日报道称,由美国密苏里大学计算机工程系教授权载完率领的研究组研发出了体积小但电力强的“核电池(nuclearbattery)”。该研究成果被刊登在最新一期的《应用物理杂志》等科学杂志。内部芯片,采用液体结构,核电池只是略大于1美分硬币(直径1.95厘米,厚1.55毫米),却可以发出普通化学电池需充电100万次才能发出的电力。手机不充电可使用5000年。2.2核电池在我国的发展20世纪90年代初我国从俄罗斯买过一枚放射性同位素电池,大小相当于2号干电池,输出功率500毫瓦,可连续输出100多年,当时的购买价格约合人民币3000万元。中国第一块放射性同位素电池于1971年3月12日诞生于中科院上海原子核所,以钋210为燃料,输出电功率为1.4瓦,热功率35.5瓦,并进行了模拟太空应用的地面试验。从2004年开始,中国原子能科学研究院启动了太空同位素电池的研发,2006年该院研制出我国第一颗钚238同位素电池。我国将于2013年发射“嫦娥三号”探测器在月球进行软着陆并施放月球车。前不久月球探测工程首席科学家欧阳自远院士接受媒体采访时透露,中国月球车将配备核电池来帮助月球车进行“冬眠”,等到太阳再次在月面上升起时,电池自动重启,月球车开始进入工作状态,这样的核电池可持续工作30年。3.分类按能量转换机制直接转换式间接转换式电压高低高压型(几百至几千V)低压型(几十mV)1V左右)3.1直接转换核电池直接转换核电池是基于辐射伏特效应，接触电衰变能转换为电能。直接转换核电池分为P—N结核电池、接触电势差核电池、二次电子发射核电池和y核电池。3.2间接转换核电池间接转换核电池是用两级换能方式将放射性同位素的衰变能转换为电能的一种电源装置。在这种电池中，首先粒子或粒子与辐射发光材料(磷光体)相互作用将其动能转换为光能，然后光能通过光伏换能器转换为电能。4.1.航天领域的应用实施空间探索用航天器需要安装多种多样的科学器以及电子、照相、通讯等精密装置,对电源的要求非常高,除了功率必须满足要求外,还要求体积小、重量轻和寿命长,能适应宇航中的各种苛刻环境。而核电池则可满足各种航天器长期、安全、可靠的供电要求,被普遍看好并广泛应用,成为迄今为止航天器仪器、设备最理想的电源。4.核电池应用及前景4.2航海、航空导航等领域的应用海洋深处也是核电池的用武之地。一些海底设施,如海下声纳、各种海下科学仪器、海底油井阀门的开关、海底电缆的中继站等需要保证长寿命能源,通常的太阳能电池、燃料电池和其他化学电池很难胜任,只能使用核电池。在军事上,核电池用于海底潜艇导航信标,能保证航标每隔几秒钟闪光一次,而且几十年内不换电池。核电池作为水下监听器(监听敌方潜水艇的活动)的电源,安全可靠、成本低、结构简单。4.3在医学领域的应用在医学上,长寿命核电池已广泛用于心脏起搏器,全世界已有成千上万的心脏病患者被植入核电池驱动的心脏起搏器,使他们重获新生。现在植入人体内的微型核电池体积仅18立方毫米,比1节2号电池还小,重量仅100多克,150毫克238Pu作核电池的放射源可连续使用10年以上。如换用产生同样功率的化学电池,要保证同样的使用寿命,其重量几乎与成人的体重相当。心脏起搏器用的核电池重量仅40克,体积很小,寿命可达十年。病人免除了经常做开胸手术的痛苦。4.4在微型电动机械中的应用最近,有报道称微型核电池技术已被成功引入手机制造领域,一旦投产,手机可终身免充电。也有科学家大胆提出在电动汽车上使用核电池的设想,或许不远的将来,电动汽车上将使用长期工作不需维修、高效、大功率、小体积、低成本的核电池。随着核电池安全、效能和成本等问题的解决和技术的不断成熟,其应用领域必然会更加广阔。4.5其他方面例如偏僻边远地区,导航设施,通讯中继站,森林的火灾报警器,极地气象站,导航浮标等。关注：（1）提高热电转换效率一直是空间同位素电池追求的目标。（2）保证核电源在空间使用的安全性和可靠性。前景：鉴于近几年来国际上对能源环境的关注,各国也在能源领域积极开展研究。未来核电池朝着更安全可靠、寿命更长、重量更轻、成本降低、能量转换效率更高和功率范围更大的方向发展。相应地,随着核电池安全、效能和成本等问题的解决,其应用领域也会更广。