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终极形态的核电池,究竟有哪些用处?

2020-05-19 10:15 来源:互联网 编辑:咩咩

生活中,我们常常被蓄电池的电量不足弄的相当尴尬。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,我们人类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。

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。

终极形态的核电池,究竟有哪些用处?

未来科技发展,二代核电池也将和电影“终极者”T800 引爆的核电池,“钢铁侠”胸口的核聚变电池一样,成为一个微型核反应堆,为使用者提供着巨大而源源不绝的能量。

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。

美国近年研发的微型核电池,大小可以控制在一元硬币大小。但是电力是普通化学电池的 100 万倍。这类电池的研制成功,对微型机器人,微型机电系统和系统集成化,多功能化有着极其广阔的应用前景。

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。目前掌握核电池制造研发能力的国家是中美俄三国。

下图宇航员手持圆柱形设备即是核电池

终极形态的核电池,究竟有哪些用处?

1959 年,世界上第一颗核电池在美国诞生。重 1.8 公斤,280 天内可以释放 11.6 度电量。之后核电池进入了飞速发展时期。

1961 年,美国第一颗人造卫星“探险者一号”首次携带核电池进入外层空间工作。开始进行让卫星携带核电池进入外层空间工作的测试。

在之后的 10 年间,通过对“子午仪”号系列导航卫星,“林肯”号实验卫星以及“雨云”号系列气象卫星这些卫星使用核电池的数据进行分析改进后,1969 年阿波罗 11 号登月飞船,携带了两颗使用钚 -238 作为放射性同位素的核电池登上了月球。

正是核电池的应用,太空无人探测器才具有了远离太阳,探索深空的可能。当太阳能电池不能获得足够太阳光的时候,只有核电池才能支持探测器继续工作。

之后的“海盗”,“先驱者”,“旅行者”等一系列探测器在核电池的支持下,才有了探测木星,土星,海王星等一系列远征。才能够让探测到的信息和资料回传给地球,让我们得以看到这些遥远邻居的近貌。

尤其是“旅行者”一号,迄今为止远离地球 211 亿公里,飞行 40 年,已到达太阳系行星轨道之外,这是人类史上最远的飞行,核电池依然在履行职责,让人类知道了太阳风的边缘世界信息。

著名的“好奇”号火星车全核电池供电,已经取消了太阳能电池供电板。

下图后方黑色圆柱体为核电池

终极形态的核电池,究竟有哪些用处?

苏联时期,在 60-80 年代,也发射了几十颗核电池卫星,用于海洋检测侦察使用。这些卫星是低轨卫星,组成了苏联著名的“神话”海天侦测系统。主要的任务就是在全球实时追踪定位美国的航母战斗群。需要不间断向地面发射坐标和图像信息,核电池加太阳能的组合可以很好的满足大功率长时间的工作。

在 1982 年英阿马岛战争期间,苏联通过“神话”掌控了英国舰队的动向,联络阿根廷政府希望提供情报,结果被阿根廷拒绝。好吧,阿根廷不相信眼泪。

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。使用的钚等元素的毒性,也极强烈,这是一把双刃剑,只有等待将来了。

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,核电池的推广和普及有极大的难度。首先是价格问题。电池原料使用的钚,钋等都很难获得,有些甚至需要在核裂变乏材料中提取。价格注定非常昂贵。

最大的障碍还不是价格,泛民用还会引发核安全问题。收集储存电池芯,将会很容易制造出一颗脏弹,每个人都将具有摧毁社会的能力。被特殊组织利用,将会是一场接一场的人祸。

其次是安全性问题。美苏都发生过电池破裂烧毁丢失的事故。虽然现在的核电池已经做的极度安全,但是一旦出现破裂摔坏,内部的放射性元素会直接暴露在空气中。这会引起民众极大的担忧。

1997 年美国太空总署发射“卡西尼”土星探测器的时候,就发生过民众抗议事件。担心发射失败电池会造成环境污染。

虽然核衰变电池不会爆炸,只是缓慢释放能量而不发生反应,不用担心成为微型原子弹,但是辐射,一样让绝大多数普通民众谈核色变。

终极形态的核电池,究竟有哪些用处?

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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