核能电池及应用

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1、核能电池材料及核电池的应用简介核电池，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 a粒子、B粒子和Y射线）并将其能量转换为电能的装置。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mV1V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。

2、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。随着太空探索的深入和对新能源的追求，人类对核电 池也提出更高的要求。而核电池所用各种材料则与之也相辅相成地发展。核能电池是利用放射性同位素放出的1原理简介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

3、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一90 （Sr90，半衰期为28年）、 钚一238 （Pu 238，半衰期 年）、针一210 （Po-210半衰期为天）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a射线，在热电元件中将热量转化成电流。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

4、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。2发展史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天内可发出度电。在此之后，核电池的发展颇快。1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号”，上面的无线电发报机就 是由核电池供电的。1976年，美国的“海盗1号”、“海盗2

5、号”两艘宇宙飞船先 后在火星上着陆，在短短5个月中得到的火星情况，比以往人类历史上所积累的 全部情况还要多，它们的工作电源也是放射性同位素电池。因为火星表面温度的 昼夜差超过100 C，如此巨大的温差，一般化学电池是无法工作的。3核电池所用材料一般来说,核电池结构最里边是其心脏部分，为放射性同位素,它不断地发生 衰变并放出热量;同位素的外层为换能材料,在这里热能被转换成电能;接着是辐 射屏蔽层，防止辐射线泄漏出来;最外边一般由合金制成，起保护电池内部结构和 散热的作用。可见核电池所用材料涉及同位素放射源、能量转换材料、防辐射材 料、散热材料等。由于其特殊的用途决定了所选用材料的特殊性。同位素放

6、射源同位素放射源在不同类型的核电池中所起的作用也不尽相同。直接充电 式核电池是利用放射源发射的带电粒子来产生电势差;气体电离式核电池和辐射 伏特效应能量转换核电池是利用其发射的粒子束对介质的电离作用来产生电势； 荧光体光电式核电池是利用其发射射线诱发荧光物质发光后通过光电转换成电 能;而热致光电式核电池、温差式核电池和热机转换电池则利用放射源产生的热 能来实现能量转换。作为核电池的能量来源，同位素放射源都必须满足以下条件: 半衰期长（以保证电池的长寿命）、功率密度高、放射性危险性小、容易加工、经 济和易于屏蔽等。根据放射性同位素放出的射线不同，可以将其分为a源、B源、Y源3类，其中 适合作为核

7、电池放射源的有近10种。包括Y源60Co; B源90Sr,137Cs,144Ce和 147Pm; a源210Po,233Pu,241Am,242Cm和244Cm等。表1列出了核电池常用放射 性同位素的一些参数。表2则给出了各种核电池目前所使用放射源的状况。表1不同放射性同位素的参数比较放射源核素半衰期4射线种类比功率/( w/g)60 Co5. 2G原75, 54gSr28. 5g0. 223137 Cs30出y0,12144Ce0.783 70. 284mpQ0. 38a144. 8洒p87. 7a0. 45表2各种核电池所使用的放射源种 类同位素源实 例直接充电式核电池, g如Sr万Kr.

8、浏气体电离式核屯池P叩I斜Kr辐射伏特效应能量转换核电池FSr-30Y荧光体光电式核电池P热致光电式核电池Pso Sr温差式核龟池浏Pu.mp。魂离子发射式核电池a血Ce电磁辐射能量转换核电池3熟机转换核电池心3这些同位素单质或化合物通常用耐高温材料做成的外壳密封,一起构成核电 池的能量核心。在空间应用中最为合适的放射性同位素的是a热源，如238P u和 210Po,它们的外照射剂量低，所需屏蔽重量小，可以大大节省火箭发射费用。238Pu 的寿命长，半衰期为,衰变时释放的能量为。美国在空间飞行器上均使用238Pu热 源。就238Pu热源的燃料形式而言，早期曾使用过金属钚（如SNAP-3B和SN

9、AP-9A）, 之后使用了氧化钚微球（如SNAP-19B和SNAP-27）、氧化钚-钼陶瓷（如SNAP-19和百 瓦级RTG）,现今已发展为热压氧化钚（238PuO2）块（如通用型RTG）。210P。的寿命短，半衰期仅为，衰变时释放的能量为,目前210P。主要是用于 制作原型核电池。美国早期的原型温差式核电池使用的就是210Po,前苏联早期在 核电池上也使用过210Po,而后着重用于发展反应堆动力。我国于1971年研制的原 型核电池采用的也是210P。放射源,总活度为1110Ci,产生热能W,输出电功率。电能转换材料核电池的发电机制各有不同，所用能量转换材料也不同。直接充电式核电池的两个电极都

10、选用金属，发射电子的一端为正极,接收电 子的一端为负极。美国康奈尔大学科学家利用铜板和同位素63Ni板作为新型电池, 在衰变时63Ni会释放B粒子,失去电子获得正电荷，铜板接收B粒子带负电汐卜接 负载构成回路时，镍铜电池便会开始工作,源源不断地产生电流，为负载提供电能。 63Ni半衰期达100a,按半衰期来算，该电池至少工作50a。气体电离式核电池的能量转换靠溢出功有差异的材料实现，一般高溢出功的 材料有铂、氧化铅、钼和金等;低溢出功的材料有镁和铝等;放射性气体电介质通 常为氚或85Kr。若用二氧化铅（高逸出功）和镁（低逸出功）作为电极,开路电压可达 左右。辐射伏特效应能量转换核电池、荧光体光

11、电式核电池、热致光电式核电池 和温差式核电池的发展都与半导体技术密切相关。随着半导体材料制造技术的提 高,使得这些电池的实际应用成为可能。例如，美国能源部提出的先进放射性同位 素发电体系(ARPS)的开发计划中就包括热致光电式核电池,使用的半导体为Ga-Sb 元件，另外,Ge和Ga-A s元件可较好地满足要求。采用这种材料制造的核电池的能量 转换效率比目前使用温差式核电池高出23倍，这一计划的实施意味着未来空间 能源在输出同样的功率时,可以使用较少的放射性同位素原料，并大大减少电池的 重量和成本。温差式核电池作为一种成熟的核电池，所用的能量转换材料为热电材料，是 核电池的重要部件,其功能是将放

12、射性同位素衰变时产生的热能转变为电能。温 差热电转换部分是由一些性能优异的半导体材料组成,如碲化铋、碲化铅、错硅 合金和硒族化合物等，把这些材料串联起来,P型半导体元件和N型半导体元件就 作为电池的两极。它与周围介质之间的温差通过半导体温差热电元件转变为电势 差,源源不断地发出电来。如将一个包含约11mg的210P。放射源密封在直径约 10mm的小球里，再与7个铭镍康铜温差电偶组成的核电池，其温差为78C,开路电 压为42mV。迄今为止，美国空间领域应用的温差式核电池总共使用了 3种类型的 热电材料。早期均采用PbTe作热电材料。后来研制了 TAGS(Te,Ag,Ge和Si)合金作P 型元件,

13、N型元件仍为PbTe,热接点温度可达500610C。近年来，在百瓦级温差式 核电池和通用型温差核电池中又使用了新的热电材料SiGe,使热接点温度提高到 1000 C。密封保护材料由于核电池的应用环境一般较恶劣，可能要经受住外部高温及低温的考验，而 且为保障其安全使用，必须做到万无一失，否则就有可能发生泄漏,出现大的核污 染事故。核电池的密封保护包括同位素放射源的包覆、能量转换层外的防辐射层 和外壳。目前的密封保护材料主要包括金属合金、碳素材料及陶瓷材料。1989年美国发射的“伽利略号木星探测器、1990年“尤里西斯号嵩太阳极区 探测器以及1997年克西尼号土星登陆器所用核电池的同位素放射源都是

14、包覆后 的燃料颗粒,它也可以用于空间放射性同位素加热单元。如图1为238PuO 2包覆颗 粒,它是在238PuO 2核芯外包覆厚度为5um的裂解碳层和厚度大于10 um的ZrC 层。然后将包覆颗粒分散在石墨基体中进行压制，由于石墨基体有良好的导热性 能，在压制过程中包覆颗粒分布不均匀不会影响热转换，通过每颗燃料颗粒的温降 也仅仅。C。压块中的燃料核芯可以有两种尺寸（300和1200m）,分别占颗粒体积 的和72%（如图2所示）。裂解碳层采用CVD工艺，以烃类气体（如乙炔、乙烯和丙 烯等）为前驱体在流化床中进行包覆,为疏松结构,能储存238Pu放射时产生的He气, 也能起到应力缓冲的作用。包覆的

15、ZrC则是通过锆的有机化合物为前驱体热解而 成,ZrC层可以耐高温，也可以作为燃料释放He气的容器，有效防止了燃料的泄漏， 提高了空间核电池的安全性。Mohamed等设计的温差式核电池中,同样采用了热解石墨和Zr C包覆过的PuO 2颗粒燃料压块作为热源。该压制块用Pt-30%Rh合金箔包覆。合金外部则为 热解石墨层，作为绝热材料;热源最外部为缓冲层，所用材料为具有精细编织结构 的碳-碳复合材料。外壳所用材料是铝合金，在外壳和热源之间填充多层绝热材料 和温差转换材料。图3给出了 Schock等设计的热光电转换核电池的结构，每个通用 热源模块包括4个W的PuO2燃料团，密封在铱合金衬里中。其它的模块单元为石 墨，其作用是为了在空间探测器发射前后及过程中发生事故时保护铱衬里的完 整。其中包括两层致密碳层和一层缓冲碳层，它们用精细编织体制作,是一种非常 坚韧的耐高温三维碳-碳复合材料。缓冲层作为返回进入大气层发生意外时的烧 蚀体，致密层是为了防止着陆时衬里破裂。在致密层和缓冲层之间的高温绝热材 料是碳纤维增强碳复合材料，它可以防止返回过程中骤热骤冷对衬里的影响以及 着陆前次声波气流引起的衬里碎裂。热源密封在密封罐里以防止污染物泄漏而影响半导体的性能。密封罐材料为 Mo-50%Re,因为该合金具有很好的低温延性。密封罐外包覆了一层钨,以减少升华, 而且钨包覆层经过粗糙处理，能提高