一块电池使用半个世纪:核电池

能源资讯
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2019-04-24 15:54
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2019年1月3日,嫦娥四号月球探测器已成功软着陆。这是全人类首次成功登陆月球背面。嫦娥四号此次着陆在在崎岖的极区,这意味着嫦娥三号相比于以往的号更难以获得光照,观测环境,尤其是夜间环境会更冷,为了不让探测器因为失温而坏掉,嫦娥四号也必须更注意保温。

因此,嫦娥四号除了太阳能板之外,还带了一块“核电池”,可以在夜晚的时候也可以开展一些科研观测,而不必像三号那样一到晚上就得睡觉。

一块电池使用半个世纪:核电池

一说到核电,很多人会自然想到核电站,实际上核电池与核电站的唯一关系就是都运用了核技术,但是它们的原理是截然不同的。

核电站是利用核裂变产生的热量,将水变为水蒸气推动汽轮机发电。核电站的发电过程与普通火力电站的区别就是一个是用核能产生热,一个是烧煤产生热。而核电池,是使用同位素自然衰变产生的热量,通过温差热电效应,转化为电能。

核电池,又称同位素电池,它是利用放射性同位素衰变放出载能粒子(如α粒子、β粒子和γ射线)并将其能量转换为电能的装置。

一块电池使用半个世纪:核电池

按提供的电压的高低,核电池可分为高压型(几百至几千V)和低压型(几十mV—1V 左右)两类按能量转换机制,它可分为直接转换式和间接转换式。更具体地讲,包括直接充电式核电池、气体电离式核电池、辐射伏特效应能量转换核电池、荧光体光电式核电池、热致光电式核电池、温差式核电池、热离子发射式核电池、电磁辐射能量转换核电池和热机转换核电池等。其中直接充电式核电池、气体电离式核电池属于直接转换式,应用较少。目前应用最广泛的是温差式核电池和热机转换核电池。

核电池取得实质性进展始于20世纪50年代,由于其具有体积小、重量轻和寿命长的特点,而且其能量大小、速度不受外界环境的温度、化学反应、压力、电磁场等影响,因此,它可以在很大的温度范围和恶劣的环境中工作。目前已经在航天、极地、心脏起搏器等领域成功应用。

核电池的基本原理及种类

放射性同位素电池的热源是放射性同位素。它们在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式,向外放出比一般物质大得多的能量。这种很大的能量有两个令人喜爱的特点。一是蜕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、电磁场的影响,因此,核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长,这决定了放射性同位素电池可长期使用。

放射性同位素电池采用的放射性同位素来主要有锶-90(Sr-90,半衰期为28年)、钚-238(Pu-238,半衰期 89.6年)、钋-210(Po-210半衰期为138.4天)等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心,周围用热电元件包覆,放射性同位素发射高能量的α射线,在热电元件中将热量转化成电流。

一块电池使用半个世纪:核电池

放射性同位素电池的核心是换能器。目前常用的换能器叫静态热电换能器,它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差,从而发电。

它的优点是可以做得很小,只是效率颇低,热利用率只有10%~20%,大部分热能被浪费掉。在外形上,放射性同位素电池虽有多种形状,但最外部分都由合金制成,起保护电池和散热的作用;次外层是辐射屏蔽层,防止辐射线泄漏出来;第三层就是换能器了,在这里热能被转换成电能;最后是电池的心脏部分,放射性同位素原子在这里不断地发生蜕变并放出热量。

按能量转换机制,核电池一般可分为直接转换式和间接转换式。更具体地讲,包括直接充电式核电池、气体电离式核电池、辐射伏特效应能量转换核电池、荧光体光电式核电池、热致光电式核电池、温差式核电池、热离子发射式核电池、电磁辐射能量转换核电池和热机转换核电池等。

按提供的电压的高低, 核电池可分为高压型(几百至几千V)和低压型(几十mV— 1 V 左右)两类。高电压型核电池以含有β射线源(锶-90或氚)的物质制成发射极,周围用涂有薄碳层的镍制成收集电极,中间是真空或固体介质。低电压型核电池又分为温差电堆型、气体电离型和荧光-光电型三种结构。

核电池的主要发展历程

第一个放射性同位素电池是在1959年1月16日由美国人制成的,它重1800克,在280天内可发出11.6度电。在此之后,核电池的发展颇快。

责编:陈佳佳
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