核電池的基本原理及種類
放射性同位素電池的熱源是放射性同位素。它們在蛻變過程中會(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，這決定了放射性同位素電池可長期使用。
放射性同位素電池采用的放射性同位素來主要有鍶-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;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年美國發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星“探險(xiǎn)者1號(hào)”，上面的無線電發(fā)報(bào)機(jī)就是由核電池供電的。1976年，美國的“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“好奇”號(hào)登錄火星。“好奇”重量超過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。
核電池發(fā)展趨勢
核微型電池的未來發(fā)展取決于以下幾個(gè)方面的因素：安全、能源轉(zhuǎn)換效率和成本。如果我們可以把電池中放射性材料數(shù)量維持在足夠低的水平，從而使其發(fā)出的輻射足夠少，那末僅僅電池的簡單包裝就能夠?qū)⑵渥钃醵ＷC安全。同時(shí)，我們還必須找到各種途徑，進(jìn)一步提高核微型電池提供的能量，特別是在轉(zhuǎn)化效率方面。
另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是：如何使放射性同位素電源價(jià)格低廉，而且易于與電子器件集成。例如，在我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，曾使用了1毫居里的鎳-63，其成本為25美元，這對于大規(guī)模生產(chǎn)的電子設(shè)備來說太昂貴了。可能的比較便宜的替代物是同位素氚，它是某些核反應(yīng)堆工作時(shí)大量產(chǎn)生的副產(chǎn)品。就一個(gè)核微型電池所需要氚的量來說，也許只需花費(fèi)幾美分。一旦克服了上述挑戰(zhàn)，核微型電池將很快應(yīng)用在手機(jī)和PDA等手持設(shè)備中。就像前面提到的那樣，核電池還可以為傳統(tǒng)電池供電。