放射性同位素電池

電池種類放射性同位素電池01簡介RTG的發(fā)展史原理核電池的放射性同位素目錄03020405的應(yīng)用我國第一個钚－238同位素電池和阿波羅飛船目錄0706基本信息“放射性同位素電池”簡稱同位素電池（Nuclearbattery或Atomicbattery)。由放射性同位素的衰變能轉(zhuǎn)換為電能的機(jī)制有十幾種，如“放射性同位素溫差發(fā)電器(Radioisotopethermoelectricgenerator,簡稱RTG)、“輻射伏特效應(yīng)”、“衰變耦合磁共振”、“往復(fù)式震蕩懸臂梁”、“熱離子發(fā)射”、“衰變能-光能-電能”等。簡介簡介放射性同位素溫差發(fā)電器是美國科學(xué)家于1956年元月16日研制成功，是第一個成功的同位素電池。立即用于美國各種航天器載設(shè)備的供電，減輕發(fā)射重量、確保設(shè)備連續(xù)工作，是美國航天居于領(lǐng)先地位的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品。這種溫差發(fā)電器是由一些性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，如碲化鉍、碲化鉛、鍺硅合金和硒族化合物等，把許多材料串聯(lián)起來組成。另外還得有一個合適的熱源和換能器，在熱源和換能器之間形成溫差才可發(fā)電。原理原理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令人喜愛的特點。一是蛻變時放出的能量大小、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和工作準(zhǔn)確可靠而著稱。另一個特點是蛻變時間很長，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。原理圖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)點是可以做得很小，只是效率頗低，目前熱利用率只有10%～20%，大部分熱能被浪費掉。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)生衰變并放出熱量。RTG的發(fā)展史RTG的發(fā)展史第一個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“探險者1號”，上面的無線電發(fā)報機(jī)就是由核電池供電的。1976年，美國的“海盜1號”、“海盜2號”兩艘宇宙飛船先后在火星上著陸，在短短5個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。因為火星表面溫度的晝夜差超過100℃，如此巨大的溫差，一般化學(xué)電池是無法工作的。核電池的放射性同位素核電池的放射性同位素放射性同位素是核電池中的心臟部分，作為核電池的能量來源，同位素放射源都必須滿足以下條件:半衰期長(以保證電池的長壽命)、功率密度高、放射性危險性小、容易加工、經(jīng)濟(jì)和易于屏蔽等?，F(xiàn)有的放射性同位素超過2500多種，其中可用于核電池的核素有近十種，如90Sr、147Pm、238Pu、60Co、63Ni等?？臻g應(yīng)用中最為合適的是衰變中放出α粒子的放射性同位素，如238Pu和210Po，它們的外照射劑量低，所需屏蔽重量小，可以大大節(jié)省發(fā)射費用。目前美國在空間飛行器上均使用238Pu。在偏僻地區(qū)使用的核電池，可以選用90Sr作為放射源。90Sr經(jīng)濟(jì)易得，它本身就是裂變堆的主要放射性廢物之一，可以從核電站的放射性廢物中提取，僅全世界核電站每年產(chǎn)生的核廢料中就有5000kgSr，用它發(fā)電既是對核電站廢料中的放射性同位素的再利用，也是能源短缺時代的一個考慮。的應(yīng)用醫(yī)學(xué)上的用途海里的用途的應(yīng)用海里的用途大海的深處，也是放射性同位素電池的用武之地。在深海里，太陽能電池根本派不上用場，燃料電池和其他化學(xué)電池的使用壽命又太短，所以只得派核電池去了。例如，現(xiàn)在已用它作海底潛艇導(dǎo)航信標(biāo)，能保證航標(biāo)每隔幾秒鐘閃光一次，幾十年內(nèi)可以不換電池。人們還將核電池用作水下監(jiān)聽器的電源，用來監(jiān)聽敵方潛水艇的活動。還有的將核電池用作海底電纜的中繼站電源，它既能耐五六千米深海的高壓，安全可靠地工作，又少花費成本，令人十分稱心。醫(yī)學(xué)上的用途在醫(yī)學(xué)上，放射性同位素電池已用于心臟起搏器和人工心臟。它們的能源要求精細(xì)可靠，以便能放入患者胸腔內(nèi)長期使用。以前在無法解決能源問題時，人們只能把能源放在體外，但連結(jié)體外到體內(nèi)的管線卻成了重要的感染渠道，很是使人頭疼?，F(xiàn)在可好了，眼下植入人體內(nèi)的微型核電池以鉭鉑合金作外殼，內(nèi)裝150毫克钚238，整個電池只有160克重（毫克？），體積僅18立方毫米。它可以連續(xù)使用10年以上。和阿波羅飛船和阿波羅飛船1969年7月21日，人類第一次成功地登上月球，使用的是阿波羅11號飛船。在月球表面的“靜海區(qū)”著陸之后，進(jìn)行了一系列科學(xué)實驗，例如采集巖石樣品、測定太陽風(fēng)等等。很多人或許還能記得，當(dāng)時人們都在屏住呼吸從電視屏幕上觀看人類第一次登上月球的情景，觀看船長阿姆斯特隆和飛行員奧德林在月面上手舞足蹈的動人場面。在阿波羅11號飛船上，安裝了兩個放射性同位素裝置，其熱功率為15瓦，用的燃料為钚－238。但是，阿波羅11號上的放射性同位素裝置是供飛船在月面上過夜時取暖用的，也就是說它僅僅用于提供熱源。所以，該裝置又叫做ALRH（ApoloLunarRIHeater）裝置，意思是阿波羅在月球上用的放射性同位素發(fā)熱器。但是，在后來發(fā)射的用于探索月面的阿波羅宇宙飛船上，安裝的放射性同位素裝置全部是為了發(fā)電用的。這就是SNAP－27A裝置。它用的燃料是钚－238，設(shè)計的電輸出功率為63.5瓦，整個裝置重量為31千克，設(shè)計壽命為一年。主要是用于阿波羅月面探查的一系列科學(xué)實驗。月球上的一天等于地球上的27天。黑夜的時間占一半，一夜約為地球上的兩周。太陽電池在黑夜期間完全停止工作。與此同時，處于背陽的月面，其溫度會急劇下降好幾百度，從酷熱一下變成了嚴(yán)寒的世界。為了使衛(wèi)星上的地震儀、磁場儀以及其它機(jī)械能正常工作，必須利用余熱進(jìn)行保溫。在阿波羅12號飛船上首次裝載的放射性同位素電池——SNAP－27A裝置，其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計時考慮的一年，并能連續(xù)供給70瓦以上的電力，完全符合預(yù)期的設(shè)計要求。由于這一實驗獲得成功.后來在1970年發(fā)射的阿波羅14號以及隨后的阿彼羅15號、16號、17號等飛船上都相繼安裝了SNAP－27A裝置。放射性同位素電池極其貴重，而且使用钚-238的放射性同位素電池我國還不能生產(chǎn)。我國第一個钚－238同位素電池我國第一個钚－238同位素電池我國第一個钚－238同位素電池已在中國原子能科學(xué)研究院誕生了，同位素電池的研制成功填補了我國長期以來在該研究領(lǐng)域的空白，標(biāo)志著我國在核電源系統(tǒng)研究上邁出了重要的一步。同位素電池是利用放射性同位素衰變過程釋放的熱能，通過熱電偶轉(zhuǎn)換成電能，具有尺寸小、重量輕、性能穩(wěn)定可靠、工作壽命長、環(huán)境耐受性好等特點，能為空間及各種特殊、惡劣環(huán)境條件下的高空、地面、海上和海底的自動觀察站或信號站等提供能源。同位素電池在美、俄等國已實際應(yīng)用，用于航天器的能源供應(yīng)。隨著我國空間探測的進(jìn)一步發(fā)展（包括“登月計劃”的啟動）以及未來深空探測的需求，為我國航天器提供穩(wěn)定、持久的能源已提到議事日程上來，作為迄今為止航天器儀器、設(shè)備最理想供電來源的同位素電池成為航天技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志，掌握同位素電池制備的一系列關(guān)鍵技術(shù)并具備自主研制生產(chǎn)能力顯得尤為重要。2004