核電池的基本原理、種類概述

放射性同位素電池的熱源是放射性同位素。它們?cè)谕懽冞^(guò)程中會(huì)不斷以具有熱能的射線的形式，向外放出比一般物質(zhì)大得多的能量。這種很大的能量有兩個(gè)令人喜愛(ài)的特點(diǎn)。一是蛻變時(shí)放出的能量大小、速度，不受外界環(huán)境中的溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場(chǎng)的影響，因此，核電池以抗干擾性強(qiáng)和工作準(zhǔn)確可靠而著稱。另一個(gè)特點(diǎn)是蛻變時(shí)間很長(zhǎng)，這決定了放射性同位素電池可長(zhǎng)期使用。

放射性同位素電池采用的放射性同位素來(lái)主要有鍶-90(Sr-90，半衰期為28年)、钚-238(Pu-238，半衰期 89.6年)、釙-210(Po-210半衰期為138.4天)等長(zhǎng)半衰期的同位素。將它制成圓柱形電池。燃料放在電池中心，周圍用熱電元件包覆，放射性同位素發(fā)射高能量的α射線，在熱電元件中將熱量轉(zhuǎn)化成電流。

放射性同位素電池的核心是換能器。目前常用的換能器叫靜態(tài)熱電換能器，它利用熱電偶的原理在不同的金屬中產(chǎn)生電位差，從而發(fā)電。

它的優(yōu)點(diǎn)是可以做得很小，只是效率頗低，熱利用率只有10%～20%，大部分熱能被浪費(fèi)掉。在外形上，放射性同位素電池雖有多種形狀，但最外部分都由合金制成，起保護(hù)電池和散熱的作用;次外層是輻射屏蔽層，防止輻射線泄漏出來(lái);第三層就是換能器了，在這里熱能被轉(zhuǎn)換成電能;最后是電池的心臟部分，放射性同位素原子在這里不斷地發(fā)生蛻變并放出熱量。

按能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，核電池一般可分為直接轉(zhuǎn)換式和間接轉(zhuǎn)換式。更具體地講,包括直接充電式核電池、氣體電離式核電池、輻射伏特效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換核電池、熒光體光電式核電池、熱致光電式核電池、溫差式核電池、熱離子發(fā)射式核電池、電磁輻射能量轉(zhuǎn)換核電池和熱機(jī)轉(zhuǎn)換核電池等。

按提供的電壓的高低, 核電池可分為高壓型(幾百至幾千V)和低壓型(幾十mV— 1 V 左右)兩類。高電壓型核電池以含有β射線源(鍶-90或氚)的物質(zhì)制成發(fā)射極，周圍用涂有薄碳層的鎳制成收集電極，中間是真空或固體介質(zhì)。低電壓型核電池又分為溫差電堆型、氣體電離型和熒光-光電型三種結(jié)構(gòu)。

核電池的主要發(fā)展歷程

第一個(gè)放射性同位素電池是在1959年1月16日由美國(guó)人制成的，它重1800克，在280天內(nèi)可發(fā)出11.6度電。在此之后，核電池的發(fā)展頗快。

1961年美國(guó)發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星“探險(xiǎn)者1號(hào)”，上面的無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī)就是由核電池供電的。1976年，美國(guó)的“海盜1號(hào)”、“海盜2號(hào)”兩艘宇宙飛船先后在火星上著陸，在短短5個(gè)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放射性同位素電池。

2012年，美國(guó)“好奇”號(hào)登錄火星?！昂闷妗敝亓砍^(guò)900公斤，是2004年登陸火星的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)重量的約5倍。

“好奇”號(hào)的動(dòng)力由一臺(tái)多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器提供，其本質(zhì)上是一塊核電池。該系統(tǒng)主要包括兩個(gè)組成部分：一個(gè)裝填钚-238二氧化物的熱源和一組固體熱電偶，可以將钚-238產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電力。這一系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用壽命為14年，也高于太陽(yáng)能電池板。該系統(tǒng)足以為“好奇”號(hào)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的諸多儀器提供充足能量。

核電池材料

一般來(lái)說(shuō),核電池結(jié)構(gòu)最里邊是其心臟部分,為放射性同位素,它不斷地發(fā)生衰變并放出熱量;同位素的外層為換能材料,在這里熱能被轉(zhuǎn)換成電能;接著是輻射屏蔽層,防止輻射線泄漏出來(lái);最外邊一般由合金制成,起保護(hù)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和散熱的作用?？梢?jiàn)核電池所用材料涉及同位素放射源、能量轉(zhuǎn)換材料、防輻射材料、散熱材料等。由于其特殊的用途決定了所選用材料的特殊性。

同位素放射源

同位素放射源在不同類型的核電池中所起的作用也不盡相同。直接充電式核電池是利用放射源發(fā)射的帶電粒子來(lái)產(chǎn)生電勢(shì)差;氣體電離式核電池和輻射伏特效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換核電池是利用其發(fā)射的粒子束對(duì)介質(zhì)的電離作用來(lái)產(chǎn)生電勢(shì);熒光體光電式核電池是利用其發(fā)射射線誘發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換成電能;而熱致光電式核電池、溫差式核電池和熱機(jī)轉(zhuǎn)換電池則利用放射源產(chǎn)生的熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

作為核電池的能量來(lái)源,同位素放射源都必須滿足以下條件:半衰期長(zhǎng)(以保證電池的長(zhǎng)壽命)、功率密度高、放射性危險(xiǎn)性小、容易加工、經(jīng)濟(jì)和易于屏蔽等。

根據(jù)放射性同位素放出的射線不同,可以將其分為α源、β源、γ源3類,其中適合作為核電池放射源的有近10種。包括γ源60Co; β源90Sr,137Cs,144Ce 和147Pm; α源210Po,233Pu,241Am,242Cm和244Cm 等。

這些同位素單質(zhì)或化合物通常用耐高溫材料做成的外殼密封,一起構(gòu)成核電池的能量核心。在空間應(yīng)用中最為合適的放射性同位素的是α熱源,如238Pu和210Po,它們的外照射劑量低,所需屏蔽重量小,可以大大節(jié)省火箭發(fā)射費(fèi)用。238Pu的壽命長(zhǎng),半衰期為87.7a,衰變時(shí)釋放的能量為5.48MeV。美國(guó)在空間飛行器上均使用238Pu熱源。就238Pu熱源的燃料形式而言,早期曾使用過(guò)金屬钚(如SNAP-3B和SNAP-9A),之后使用了氧化钚微球(如SNAP-19B和SNAP-27)、氧化钚-鉬陶瓷(如SNAP-19和百瓦級(jí)RTG),現(xiàn)今已發(fā)展為熱壓氧化钚(238PuO2)塊(如通用型RTG)。

電能轉(zhuǎn)換材料

核電池的發(fā)電機(jī)制各有不同,所用能量轉(zhuǎn)換材料也不同。

直接充電式核電池的兩個(gè)電極都選用金屬,發(fā)射電子的一端為正極,接收電子的一端為負(fù)極。美國(guó)康奈爾大學(xué)科學(xué)家利用銅板和同位素63Ni板作為新型電池,在衰變時(shí)63Ni會(huì)釋放β粒子,失去電子獲得正電荷,銅板接收β粒子帶負(fù)電;外接負(fù)載構(gòu)成回路時(shí),鎳銅電池便會(huì)開始工作,源源不斷地產(chǎn)生電流,為負(fù)載提供電能。63Ni半衰期達(dá)100a,按半衰期來(lái)算,該電池至少工作50a。

氣體電離式核電池的能量轉(zhuǎn)換靠溢出功有差異的材料實(shí)現(xiàn),一般高溢出功的材料有鉑、氧化鉛、鉬和金等;低溢出功的材料有鎂和鋁等;放射性氣體電介質(zhì)通常為氚或85Kr。若用二氧化鉛(高逸出功)和鎂(低逸出功)作為電極,開路電壓可達(dá)1.5V 左右。

輻射伏特效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換核電池、熒光體光電式核電池、熱致光電式核電池和溫差式核電池的發(fā)展都與半導(dǎo)體技術(shù)密切相關(guān)。隨著半導(dǎo)體材料制造技術(shù)的提高,使得這些電池的實(shí)際應(yīng)用成為可能。例如,美國(guó)能源部提出的先進(jìn)放射性同位素發(fā)電體系(ARPS)的開發(fā)計(jì)劃中就包括熱致光電式核電池,使用的半導(dǎo)體為Ga-Sb元件,另外,Ge和Ga-As元件可較好地滿足要求。采用這種材料制造的核電池的能量轉(zhuǎn)換效率比目前使用溫差式核電池高出2—3倍,這一計(jì)劃的實(shí)施意味著未來(lái)空間能源在輸出同樣的功率時(shí),可以使用較少的放射性同位素原料,并大大減少電池的重量和成本。

溫差式核電池作為一種成熟的核電池,所用的能量轉(zhuǎn)換材料為熱電材料,是核電池的重要部件,其功能是將放射性同位素衰變時(shí)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。溫差熱電轉(zhuǎn)換部分是由一些性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料組成,如碲化鉍、碲化鉛、鍺硅合金和硒族化合物等,把這些材料串聯(lián)起來(lái),P型半導(dǎo)體元件和N 型半導(dǎo)體元件就作為電池的兩極。它與周圍介質(zhì)之間的溫差通過(guò)半導(dǎo)體溫差熱電元件轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?shì)差,源源不斷地發(fā)出電來(lái)。如將一個(gè)包含約11mg的210Po放射源密封在直徑約10mm 的小球里,再與7個(gè)鉻鎳康銅溫差電偶組成的核電池,其溫差為78℃,開路電壓為42mV。迄今為止,美國(guó)空間領(lǐng)域應(yīng)用的溫差式核電池總共使用了3種類型的熱電材料。早期均采用PbTe作熱電材料。后來(lái)研制了TAGS(Te,Ag,Ge和Si)合金作P型元件,N 型元件仍為PbTe,熱接點(diǎn)溫度可達(dá)500—610℃。近年來(lái),在百瓦級(jí)溫差式核電池和通用型溫差核電池中又使用了新的熱電材料SiGe,使熱接點(diǎn)溫度提高到1000℃。

密封保護(hù)材料

由于核電池的應(yīng)用環(huán)境一般較惡劣,可能要經(jīng)受住外部高溫及低溫的考驗(yàn),而且為保障其安全使用,必須做到萬(wàn)無(wú)一失,否則就有可能發(fā)生泄漏,出現(xiàn)大的核污染事故。核電池的密封保護(hù)包括同位素放射源的包覆、能量轉(zhuǎn)換層外的防輻射層和外殼。目前的密封保護(hù)材料主要包括金屬合金、碳素材料及陶瓷材料。

1989年美國(guó)發(fā)射的“伽利略號(hào)木星探測(cè)器、1990年“尤里西斯號(hào)暠太陽(yáng)極區(qū)探測(cè)器以及1997年克西尼號(hào)土星登陸器所用核電池的同位素放射源都是包覆后的燃料顆粒,它也可以用于空間放射性同位素加熱單元。

238PuO2包覆顆粒是在238PuO2核芯外包覆厚度為5μm 的裂解碳層和厚度大于10μm 的ZrC層。然后將包覆顆粒分散在石墨基體中進(jìn)行壓制,由于石墨基體有良好的導(dǎo)熱性能,在壓制過(guò)程中包覆顆粒分布不均勻不會(huì)影響熱轉(zhuǎn)換,通過(guò)每顆燃料顆粒的溫降也僅僅0.01℃。壓塊中的燃料核芯可以有兩種尺寸(300和1200μm),分別占顆粒體積的62.5%和72%。裂解碳層采用CVD 工藝,以烴類氣體(如乙炔、乙烯和丙烯等)為前驅(qū)體在流化床中進(jìn)行包覆,為疏松結(jié)構(gòu),能儲(chǔ)存238Pu放射時(shí)產(chǎn)生的He氣,也能起到應(yīng)力緩沖的作用。包覆的ZrC則是通過(guò)鋯的有機(jī)化合物為前驅(qū)體熱解而成,ZrC 層可以耐高溫,也可以作為燃料釋放He氣的容器,有效防止了燃料的泄漏,提高了空間核電池的安全性。

Mohamed等設(shè)計(jì)的溫差式核電池中,同樣采用了熱解石墨和ZrC包覆過(guò)的PuO2顆粒燃料壓塊作為熱源。該壓制塊用Pt-30%Rh合金箔包覆。合金外部則為熱解石墨層,作為絕熱材料;熱源最外部為緩沖層,所用材料為具有精細(xì)編織結(jié)構(gòu)的碳-碳復(fù)合材料。外殼所用材料是鋁合金,在外殼和熱源之間填充多層絕熱材料和溫差轉(zhuǎn)換材料。

Schock等設(shè)計(jì)的熱光電轉(zhuǎn)換核電池的結(jié)構(gòu),每個(gè)通用熱源模塊包括4個(gè)62.5 W的PuO2燃料團(tuán),密封在銥合金襯里中。其它的模塊單元為石墨,其作用是為了在空間探測(cè)器發(fā)射前后及過(guò)程中發(fā)生事故時(shí)保護(hù)銥襯里的完整。其中包括兩層致密碳層和一層緩沖碳層,它們用精細(xì)編織體制作,是一種非常堅(jiān)韌的耐高溫三維碳-碳復(fù)合材料。緩沖層作為返回進(jìn)入大氣層發(fā)生意外時(shí)的燒蝕體,致密層是為了防止著陸時(shí)襯里破裂。在致密層和緩沖層之間的高溫絕熱材料是碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料,它可以防止返回過(guò)程中驟熱驟冷對(duì)襯里的影響以及著陸前次聲波氣流引起的襯里碎裂。

熱源密封在密封罐里以防止污染物泄漏而影響半導(dǎo)體的性能。密封罐材料為Mo-50%Re,因?yàn)樵摵辖鹁哂泻芎玫牡蜏匮有?。密封罐外包覆了一層鎢,以減少升華,而且鎢包覆層經(jīng)過(guò)粗糙處理,能提高電池的轉(zhuǎn)換效率。密封罐內(nèi)部與緩沖層相連,襯有一層銥以防止石墨和鉬反應(yīng)。該核電池的外殼為鋁合金,電池外殼與密封罐之間通過(guò)ZrO2陶瓷球支撐,以減少熱損失。在鋁殼和密封罐之間的空隙中,密封罐的兩頭及其中的兩個(gè)側(cè)面填充了絕熱材料,由60層0.008mm 厚的鎢薄片組成,層間分布ZrO2顆粒。同時(shí)在密封罐兩側(cè)面則放置著熱光電轉(zhuǎn)換材料。這種結(jié)構(gòu)能使90%的熱能為熱光電轉(zhuǎn)換材料所利用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如作為人工心臟和心臟起博器電源時(shí),外殼則采用惰性金屬合金,如鉑、鉭、金及其合金等。