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核电池技术应用及发展趋势

已有 5459 次阅读 2019-7-20 16:10 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 核电池, 应用, 技术特点, 发展趋势, 同位素电池

核电池技术应用及发展趋势

伍赛特

 

1 核电池

放射性同位素能够自发地衰变成另一种原子核,在衰变过程中不断地放出α、β、γ等射线,同时释放热量。如210Po发生α衰变时可以放出约5.4 MeV的能量,氚(3H)发生β衰变时放出0.186 MeV能量;放射性同位素衰变不仅能放出更多的能量,且衰变时间较长。如1g镭在衰变中放出的能量比1 g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。

几乎在发现放射性的同时,就设想利用放射性同位素衰变时发射粒子所带能量转化成容易利用的电能,该电源装置被称作核电池,也被称为同位素电池。一般来说,该装置是利用这些粒子(α粒子、β粒子)的能量或电荷所引起的热效应、光效应或电离作用等来产生电能的。

 

2 核电池的技术特点

2.1 核电池的技术优势

核电池的优点是:

1)体积小、质量轻和寿命长,一般工作寿命可达510年;

2)同位素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,其以抗干扰性强和工作准确可靠而成为电池家族中的佼佼者,可以在较大的温度范围和恶劣的环境中工作。例如,其不怕月球表面-127183 巨大的温度变化,也不怕深海下的高压和腐蚀。正因为如此,在人造卫星、探测飞船及人迹罕至的北极、南极、沙漠、孤岛、高山等处的自动气象站、地震观察站、飞机导航站或海上灯塔、微波中继站等设施中被广泛釆用,这些方面都是其他能源(太阳能电池、二次电池、燃料电池)所无法替代的。

 

2.2 核电池的技术劣势

核电池的主要缺点是发电效率低,大约只有10%20%,大部分热能被浪费掉;而且目前的价格也还比较昂贵。不过,在许多特殊应用场合,仍将核电池看作是最佳的选择,甚至是唯一的选择。

 

3核电池的分类

根据核电池所能提供的电压的高低,可将其分为高压型核电池和低压型核电池。前者可提供几百至几千伏的电压,但电流仅为10-12 A的量级,后者电压为几十毫伏至一伏左右,电流为10-910-5 A的量级。高压型核电池包括直接充电核电池,低压型核电池包括温差核电池气体电离式核电池、光电式核电池等。

核电池按能量转换过程分为热转换式和非热转换式两大类,其中多数是利用放射性同位素释放出的热能。热能转换成电能的方式有静态和动态两种,其中静态转换方式又包括温差(热电偶)转换和热离子转换等。动态转换方式是用热能加热流体工质,使工质在高温高压下膨胀,推动涡轮发电机组发电。按照同位素电池所用的能量转换机制分为直接转换式核电池和间接转换式核电池。

 

4核电池的技术发展史

核电池从设想到发展再到实用,需要具备相应的条件:一是要有足够的能发射粒子的放射性同位素;二是要有能够把粒子能量收集并转换的适当机制和器件;三是社会对高效能长寿命电池的迫切需求。

同位素电池研究取得实质性进展是从20世纪50年代开始的,当时,由于核反应堆的投入运行和同位素分离技术的发展,生产出大量的放射性同位素。同时由于半导体技术的迅速发展,在技术上和材料上提供了利用半导体转换器件的可能。最主要的是这一时期航天技术的飞速发展,对高效能长寿命电池产生了极大的需求,从而大大地促进了同位素电池的研究与发展。在50年代后期,第一代热机制同位素电池在苏美两国的航天与核技术竞争中诞生了。美国在1959116日制成第一个核电池,重达1800 g,并可在280天内发出11.6度电。

20世纪60年代,针对同位素电池的技术研究在全世界全面展开。由于半导体二极管质量的迅速提高,对温差电动势、辐射伏特效应以及光伏特效应等机制研究起到了推动作用。我国的同位素电池的研究也正是从60年代初开始的,当时的主要目的是研究用于深海声纳和海岛灯塔的电源。由于国内缺乏生产所需的α源,故立足于利用裂变产物90Sr90Yβ放射源作热源,通过温差电动势的方式转换成电能。并为此于70年代初在国营404厂建立起一条90Sr专用分离生产线。

20世纪70年代,受到半导体材料的抗辐照性能和器件加工工艺的限制,核电池转换率并未得以显著提高。国内的同位素电池研究于70年代初在上海原子核研究所模拟温差发电实验成功,利用210 Po为热源,产生热能35.5 W,取得了1.4 W的功率输出,并进行了模拟空间应用的地面试验。国际上,苏美等国已先后将同位素电池用于心脏起博器、无人气象站和无线电站等更为广泛的领域。

80年代,苏、法、美先后开发出大功率热机制同位素发电装置,用作火箭的第二级发动机动力和航天器的电源。苏联、法国分别制成了200 kW100 kW的核火箭发动机。美国也试制出了8 kW的同位素电源。直到80年代中期同位素电池研究一直由热机制占统治地位。在80年代末,美国科学家P. Brown在利用β伏特效应的研究中,采用共振吸收技术,取得了重大进展。

20世纪末,美国发射的25艘航天器,共携带了44台热电式核电池,所用燃料都是238Pu。同期,俄罗斯为了完成对火星进行综合研究的国际“火星—96”计划,空间热转换核电池再一次受到重视。于199611月发射的“火星—96”飞船,使用了4238 Pu核电池,随后,研究了供“小型自动观察站”运转及处理和发送信息用的核电池(电功率分别为200 mW400 mW)。

2003年美国开始执行“普罗米修斯”计划,恢复研制核动力。在该计划中包括开发2种新型放射性同位素发电器:多用途温差发电器和斯特林发电器。目前,美国和俄罗斯正在研制功率数十至一百千瓦、寿命57年的反应堆热离子发电器,用作航天器及电推进系统的电源,同时研究斯特林循环和布雷顿循环等动态转换的热电发电机。除美国、俄罗斯外,德国和日本也在发展本国的太空核电源。

 

5核电池的应用

宇宙航行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、寿命长,同时还能经受宇航中各种苛刻条件的考验。核电池可以满足各种航天器对电源的长期、安全、可靠供电的要求,被航天界普遍看好和广泛应用。

目前地球轨道卫星(如气象卫星、导航卫星、通讯卫星)所用电源大多数为太阳能电池,在阳光微弱或者没有阳光的空间飞行时,太阳能电池就失去了用武之地,这就得依靠核电池提供电源。随着人类航天活动的日益拓展,必然对空间电源提出新的需求,同位素电池已成为航天技术进步的更重要工具。

海洋的深处,也是核电池的用武之地。在深海里,太阳能电池难以起到作用,燃料电池和其他化学电池的使用寿命又太短,而核电池能够胜任。例如,核电池能使处于深海、远海急流险滩处的灯塔和导航浮标,保证其每隔几秒钟闪光一次,几十年内可以不换电池。还有一些海底设施,如海下声纳,各种海下科学仪器和军事设施,海底油井阀门的开关,海底电缆中继器等,还有的将核电池用于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,又使成本降低。地面上有许多终年积雪冻冰的高山地区、遥远荒凉的孤岛、荒无人烟的沙漠,还有

南极、北极等,也需要建立气象站和导航站。用放射性同位素作电源,可以建成自动气象站或自动导航站,实现自动记录、自动控制、常年无须更换和维修。

在医学上,核电池已用于心脏起搏器和人工心脏。从汽车安全气囊的触发感应器,到环境监控系统的药品释放,微型电动机械( MEMS)已经应用到了日常的生活中,并有希望生产大量不同的具有创新意义的设备。包括“芯片上的实验室”,微机加工隧道扫描显微镜,用于生物制剂的微观探测器,用于DNA识别的微系统等。但这些设备受到缺乏随机电源的限制,目前正在研究的解决方法包括燃料电池、矿物燃料以及化学电池,而这些方法都有局限性。在如此小的比例上,化学电池不能足以提供能量来驱动这些设备。因为缩小电池的体积,所储存的能量是以体积的指数倍下降。对于长寿,高能密度的设备,随机的放射性同位素电源是最佳选择。

汽车能源一直备受人们的关注,从柴油、汽油到天然气,总是力图在保证汽车所需动力的同时尽量减少排放烟气对环境的污染。随着可持续性发展战略的实施,人们更加注重能源的环保。电动汽车是一个发展的方向,目前电动汽车所用的电池多为化学电池,体积庞大,增加了自身的负载,且也同样存在充电后使用时间短、寿命短的问题。随着航天、航空、深海等领域用核电池的成熟,核电池必将得到更为广泛的应用。

 

6 核电池的发展趋势

核电池目前在国内外已被用于航天、医学、深海、极地、荒漠以及无人气象站和微波站等诸多领域,并正开展在微型电子器件、电动汽车等上的应用。核电池的总体技术发展趋势如下。

 

6.1更安全可靠

核电池所用放射源大多数放射性同位素都有一定的危险性或毒性,容易造成环境放射性污染,因此需要特殊的屏蔽措施。这样既增加了电池的重量和体积,也增加了成本,同时也不便于携带。因此,人们越来越倾向于利用便于防护的纯β放射源制做同位素电池,尤其是对利用半导体器件做能量转换的同位素电池。另外,各种新工艺与材料的发展使得对放射线的屏蔽将会得到进一步解决,例如,在放射性同位素外包覆耐高温且导热性能好的陶瓷、采用屏蔽效果更好的合金等。

 

6.2寿命更长

目前在深空航空、航海、气象等领域应用的核电池,已经在寿命上表现出较为显著的优势。在未来,随着能量转换效率的提高,其寿命必将更长,在深空的探测器寿命将达到15年以上。

 

6.3质量更轻

对航天领域,飞船的质量减轻能减少发射、任务执行时的能源消耗。对核电池的“瘦身”能有效地减小飞船质量,也能减少电池本身的负载。

 

6.4成本降低

目前,核电池的单位电能生产成本比传统电池高,其中一个重要的原因是同位素价格较高。但随着更多的核反应堆的投入运行,人工放射性同位素的生产成本会大大下降。目前有些同位素的价格已比80年代初下降了近80%。同时考虑到乏燃料后处理的巨额开支,若将后处理的支出用来开展综合利用核废物的同位素电池的开发,将会产生巨大的经济效益和广泛的社会效益。

 

6.5转换效率更高

提高热电转化效率一直是核电池追求的目标。

 

6.6功率范围扩大

微型电子领域所用功率较小,在航天领域,人们试图用核电池作为发射火箭的动力,对能源提出更高要求,需要达到更高水平(>10 kWe),将依赖于反应堆动力体系(如热离子堆、快中子堆),通过动态能量转化实现。

 

参考文献

[1] 陈建.前景广阔的核电池[J].现代物理知识,2007(05):31-33.

[2] 梁彤祥,王莉. 清洁能源材料与技术[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2012.12:161-164.

[3] 郝少昌,卢振明,符晓铭,梁彤祥.核电池材料及核电池的应用[J].原子核物理评论,2006(03):353-358.

[4] 谷德山. 核电池研究进展与应用及新型长寿命节能核电池研究[A]. 广东省真空学会.薄膜技术高峰论坛暨广东省真空学会学术年会论文集[C].广东省真空学会:广东省科学技术协会科技交流部,2009:5.

 



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