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文 |南柯归洵

编辑 | 南柯归洵

前言

核电池的发明是发电和技术领域的一项显著成就，也称为原子电池或放射性同位素热电发电机(RTGs)，核电池利用放射性衰变释放的能量来发电。

这项创新在为远程和空间探索任务以及地球上的各种应用提供动力方面发挥了重要作用，核电池的历史是一个科学好奇心、技术创新和追求可持续和持久能源的故事，它有何发明历史？

发明历史

将核衰变释放的能量用于实际目的的概念可以追溯到20世纪初，1905年，阿尔伯特·爱因斯坦著名的方程E=mc，为理解质量转化为能量奠定了基础，然而，直到20世纪中期，核能发电的潜在应用才开始被认真探索。

放射性同位素的发现在核电池的发展中起到了至关重要的作用，这种元素具有不稳定的原子核，衰变时会发出辐射，在20世纪30年代和40年代，科学家们开始分离和研究放射性同位素，如钋和镭。

这些早期的研究暗示了利用放射性衰变产生的热量发电的可能性，放射性同位素热电发电机(RTG)是核电池概念的实际体现。

第一个RTG是在20世纪50年代开发的，是由远程和空间任务对可靠和自持电源的需求驱动的，1954年，美国原子能委员会成功测试了一台RTG，它使用放射性同位素通过塞贝克效应(一种两个导体之间的温差产生电流的现象)产生电流。

冷战时代和太空竞赛加速了用于太空探索的核电池的发展，苏联在1957年发射第一颗人造卫星，以及随后苏联和美国的任务，突出了对能够承受太空恶劣条件的电源的需求。

RTG为许多太空任务提供动力，包括阿波罗登月任务和像旅行者飞船这样的深空探测器，钚-238 (Pu-238)因其高衰变热和相对较长的半衰期而成为核电池的关键放射性同位素。

Pu-238供电的RTG已被用于为各种应用提供电力，包括空间探测器、气象站、遥感器，甚至起搏器，Pu-238动力RTGs最著名的应用之一是火星漫游车、和，它们在火星表面运行并进行广泛的科学研究。

除了钚-238，其他放射性同位素如镅-241 (Am-241)和钷-147 (Pm-147)已被探索用于核电池应用，Am-241被用于烟雾探测器，而Pm-147被用于医疗植入物和电子设备的长效电源。

核电池的开发和使用提出了关于安全和环境影响的重要考虑，如果管理不当，核电池中使用的放射性物质会带来风险，因此，在核电池生产、使用和处置的整个生命周期中，严格的安全措施和协议至关重要。

虽然核电池已经展示了其在各种应用中的潜力，但在成本、监管审批和公众接受度方面仍存在挑战，放射性同位素，特别是钚-238的生产可能是昂贵和复杂的，与使用放射性材料相关的监管障碍也需要小型航行。

尽管面临这些挑战，正在进行的研究旨在提高核电池的效率，探索替代的放射性同位素，并解决安全问题，随着太空探索的不断发展以及对可靠和持久电源需求的增长，核电池仍然是向遥远的行星、卫星和更远的地方提供动力的有前途的解决方案。

核能电池的发明历史证明了人类的聪明才智、科学发现和技术创新，从早期的理论概念到太空探索和远程发电的实际应用，核电池改变了我们对可持续和持久能源的思考方式。

RTG的开发、关键放射性同位素的选择以及安全考虑的整合，共同将核能电池推向了太空探索和技术进步的前沿。

随着我们继续拓展人类探索的边界，更深入地探索宇宙的奥秘，核能电池成为了可能性的灯塔——一种利用原子衰变释放的能量来满足我们的愿望并增进我们对宇宙的了解的电源。

使用寿命

核电池(也称为放射性同位素热电发电机或原子电池)的寿命是其实用性和有效性的关键因素，这些创新设备利用放射性衰变释放的能量来发电，为各种应用提供可靠和持久的电源，包括空间探索、遥感和医疗植入物。

了解影响核电池寿命的因素对于优化其性能、确保安全和最大限度地发挥其科学进步潜力至关重要，核电池产生能量的基本原理是同位素的放射性衰变。

放射性同位素在自发转变成更稳定的形式时会发出辐射，这种辐射产生的热量被热电材料捕获并转化为电能，随着时间的推移，放射性衰变产生的能量是恒定的，这使得核电池在其整个寿命期间提供相对稳定的功率输出。

这种可预测和自持的能源使核电池非常适合需要连续和长期供电的应用放射性同位素的选择在决定核电池的寿命方面起着重要的作用。

一些放射性同位素的半衰期比其他的更长，这直接影响发电的持续时间，例如，钚-238 (Pu-238)的半衰期约为88年，由于其较长的寿命，是空间任务和远程电源的首选。

放射性同位素的选择是半衰期、能量输出和安全考虑之间的微妙平衡，更长的半衰期可以延长电池寿命，但也需要使用衰变热更高的同位素来产生足够的能量。

所选放射性同位素的半衰期是决定核电池寿命的关键因素，更长的半衰期使电池能够在更长的时间内发电，然而，更长的半衰期也意味着更低的衰变热，这可能会影响总的能量输出。

在合适的半衰期和足够的能量输出之间取得适当的平衡至关重要，衰变热，即放射性衰变过程中释放的热量，是核电池的主要能源，有效的散热对于防止温度过高至关重要，温度过高会降低热电材料的性能并降低功率输出。

适当的热管理可确保核电池在安全温度范围内运行，最大限度地延长其寿命，用于将热转化为电的热电材料会由于辐射暴露和热应力等因素而随着时间的推移而退化。

随着材料特性的改变，能量转换效率会降低，导致功率输出减少，为了延长核电池的寿命，研究人员致力于开发坚固耐用的热电材料，可以承受衰变热和辐射的恶劣条件。

核电池的设计必须遵守严格的安全和监管标准，以防止放射性物质的释放，实施屏蔽、密封和隔离机制，以确保核电池的安全操作和处置，这些安全考虑有助于通过防止放射性污染和确保环境保护来延长设备的整体寿命。

核能电池在太空探索中得到广泛应用，为深空探测器、漫游者和卫星提供动力，某些放射性同位素如Pu-238的长寿命使它们成为在长期任务中提供连续能量的理想选择。

例如，20世纪70年代发射的旅行者号宇宙飞船继续使用核能电池为动力将数据传回地球，核电池用于遥感和监测应用，如气象站、环境传感器和地震探测器。

这些电池的耐用性确保即使在偏远或恶劣的环境中也能持续收集和传输关键数据，在医疗应用中，核电池为心脏起搏器和人工心脏泵等可植入设备提供动力。

这些电池的寿命经过精心设计，与医疗设备的预期寿命相匹配，核电池的长寿减少了频繁更换电池手术的需要，提高了患者的舒适度并降低了医疗成本。

核电池寿命面临的重大挑战之一是获得合适的放射性同位素，像钚238这样的同位素产量有限，主要是通过核反应堆生产的，确保放射性同位素的稳定供应对于维持核电池应用的连续性至关重要。

研发努力集中在改进热电材料，以提高其耐用性、效率和抗降解性，通过开发能够承受放射性衰变恶劣条件的材料，研究人员旨在延长核电池的寿命，同时优化其能量转换效率。

小型化和集成技术的进步使得紧凑和高效的核电池的设计成为可能，随着这些设备尺寸的减小，它们变得更加适用于各种应用，同时保持较长的使用寿命。

核电池的寿命是科学理解、工程创新和安全考虑的动态相互作用，通过利用放射性衰变释放的能量，这些设备为从太空探索到医疗植入物的应用提供了独特而持久的电源。

放射性同位素的精心选择，加上热电材料和安全协议的进步，决定了核电池的寿命，使它们成为技术进步的可靠贡献者，随着对可持续和持久能源的不断追求。

核电池成为人类创造力的证明，使我们能够拓展探索、创新和科学发现的边界，通过正在进行的研究和开发，核电池有可能进一步延长其寿命，为人类知识和成就的进步开辟新的前景。

制作过程

制造核电池的过程，也称为放射性同位素热电发电机(RTG)，是核物理、工程精度和安全考虑的显著融合，这些设备将同位素放射性衰变释放的能量转化为电能，为从空间探索到遥感的各种应用提供可靠和持久的电源。

从原材料到功能性核电池的旅程包括复杂的设计、严格的测试和严格的安全协议，这个过程始于仔细选择合适的放射性同位素作为放射性衰变的来源。

放射性同位素的选择取决于诸如期望的能量输出、半衰期和安全考虑等因素，钚-238 (Pu-238)和锶-90 (Sr-90)等同位素因其衰变特性和能量潜力而被广泛使用。

放射性同位素通常在专门的核反应堆或粒子加速器中产生，放射性同位素一旦产生，由于其放射性，处理时要极其小心，严格的安全措施已经到位，以确保在放射性同位素采购、运输和储存过程中对工人和环境的保护。

热电材料是核电池的重要组成部分，因为它们通过塞贝克效应将放射性衰变产生的热量转化为电能，选择这些材料是因为它们在经受温度梯度时能够有效地产生电流。

热电材料是通过各种制造技术制备的，包括粉末冶金、烧结和掺杂，这些工艺包括产生均匀的成分和结构，以优化热电效率，研究人员致力于开发能够抵抗辐射并长期保持其性能的材料。

核电池的核心是放射性同位素胶囊，其中包含选定的放射性同位素和热电材料，该胶囊旨在防止放射性物质的释放，并保护免受外部因素的影响，这包括设计胶囊以承受机械应力、温度波动和辐射。

放射性同位素胶囊是密封的，以确保密封并防止放射性粒子逃逸，封装过程需要专门的技术和材料来保持胶囊在核电池寿命期间的完整性。

一旦放射性同位素胶囊被封装，核电池就进入热电转换阶段，随着放射性同位素经历放射性衰变，它发出辐射和热量，胶囊中的热电材料受到热量产生的温度梯度的影响，产生电流。

有效的散热对于防止热电材料过热和失效至关重要，精心的热管理可确保温度梯度保持在最佳范围内，从而实现持续发电而不会降低性能。

核电池的设计包括多层屏蔽，以防止辐射泄漏，铅和硼等材料用于吸收和减弱辐射，防止其逃逸，保护人类健康和环境，在整个制造过程中，严格遵守密封协议，以最大限度地降低放射性污染的风险。

在各个阶段进行全面测试，以确保放射性同位素容器和整个核电池组件符合安全和性能标准，在核电池被认为可以使用之前，它要经过广泛的性能测试。

这包括评估设备在各种条件下的能量输出、效率和稳定性，从测试中收集的性能数据确保了核电池将在其预期寿命内提供可靠的电力，核电池被设计成可以长时间工作，有时长达几十年。

因此，长期可靠性测试模拟了电池在其寿命期间将面临的条件，该测试旨在识别随着时间的推移可能出现的任何潜在的性能下降或变化，核能电池是太空探索和遥感任务不可或缺的组成部分。

它们持久的电源对于为航天器、漫游车和深空探测器供电至关重要，能够在最恶劣的环境中连续收集和传输数据，核电池也可用于医疗植入物，如心脏起搏器和人工心脏泵。

持久的电源消除了频繁更换电池手术的需要，提高了患者的舒适度并减少了医疗干预，制造核电池的过程是科学理解、工程创新和安全预防措施的精心融合。

从放射性同位素的选择和热电材料的制备到组装、测试和集成，每一步都有助于创造一个持久的电源，利用放射性衰变的能量。

复杂的设计、严格的安全措施和严格的测试确保了核电池的可靠性和持久性，使其在太空探索、遥感、医疗应用等领域具有不可估量的价值。

随着技术的不断进步，制造核电池的过程可能会包含更复杂的材料、制造技术和测试方法，这些创新将有助于提高核电池的效率、可靠性和整体性能，满足不同科技领域对可持续和持久电源的不断增长的需求。

参考文献

【1】《核电知识手册》中国核电发展中心新华出版社2022年3月

【2】《核电与核能（第2版）》朱华浙江大学出版社2020年

【3】《话说核能》吴沅广西教育出版社