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電池能一次用上百年是多么令人省心和愉快啊

電子工程技術(shù) ? 來(lái)源:電子工程技術(shù) ? 2020-06-08 16:07 ? 次閱讀

生活中,我們常常被蓄電池的電量不足弄的相當(dāng)尷尬。在這時(shí)候,經(jīng)常會(huì)感慨如果電池能一次用上百年是多么令人省心和愉快啊。

其實(shí),我們?nèi)祟愓娴挠羞@種終極形態(tài)的電池-核電池。并且在60年代就獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展,在航天,醫(yī)學(xué),軍事上的應(yīng)用非常廣泛。

獲取核能有三種形式:核裂變,核聚變,核衰變。原子彈是裂變,氫彈是聚變。原子通過(guò)分裂或聚合的反應(yīng)方式釋放能量,都是驚天動(dòng)地,山崩地裂。

而核衰變,是放射性原子持續(xù)向外自發(fā)釋放能量的過(guò)程。過(guò)程溫和,功率相對(duì)于核反應(yīng),忽略不計(jì)。目前人類使用的核電池即是核衰變電池。也是初代核電池。

未來(lái)科技發(fā)展,二代核電池也將和電影“終極者”T800引爆的核電池,“鋼鐵俠”胸口的核聚變電池一樣,成為一個(gè)微型核反應(yīng)堆,為使用者提供著巨大而源源不絕的能量。

放射性同位素在衰變過(guò)程中,會(huì)持續(xù)不斷的放出具有熱能的射線。利用半導(dǎo)體換能器將熱能轉(zhuǎn)換為電能的裝置即為核電池。以原子自然衰變釋放的能量為動(dòng)力。

一般核電池外觀與普通化學(xué)電池相近,為圓柱形。在圓柱的中心密封有放射性同位素源,外面包裹著半導(dǎo)體換能器。換能器的外層為防輻射屏蔽層,最外層是金屬筒形的外殼。

核電池按放射性元素的不同可分為高電壓型和低電壓型。高電壓型應(yīng)用在航天與軍事用途上。低電壓型體積可以制造的很小,通常在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。

美國(guó)近年研發(fā)的微型核電池,大小可以控制在一元硬幣大小。但是電力是普通化學(xué)電池的100萬(wàn)倍。這類電池的研制成功,對(duì)微型機(jī)器人,微型機(jī)電系統(tǒng)和系統(tǒng)集成化,多功能化有著極其廣闊的應(yīng)用前景。

應(yīng)用場(chǎng)合:

醫(yī)學(xué)醫(yī)用核電池大小通常是直徑9毫米,長(zhǎng)度13毫米的圓柱形電池狀,重量一般在40-100多克。世界上已經(jīng)有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的心臟病患者植入了核電池驅(qū)動(dòng)的心臟起搏器。給予了他們第二次生命,使用壽命在15年。

如果更換為相同功率和壽命的化學(xué)電池,那么和人體的體重一樣重?;瘜W(xué)電池植入體內(nèi)的患者需要頻繁進(jìn)行開(kāi)胸手術(shù)來(lái)更換,這無(wú)疑是冒著生命危險(xiǎn)承受巨大的痛苦。

航天對(duì)太空飛行器而言,重量和性能的要求極其苛刻。核電池因?yàn)槌渥愕哪芰砍L(zhǎng)的壽命,不受外界環(huán)境的溫度,壓力,化學(xué)反應(yīng),電磁反應(yīng)等影響持續(xù)釋放能量的特性,而擁有化學(xué)電池不可比擬的優(yōu)勢(shì),只要空間存在,就可以工作的能力,簡(jiǎn)直是太空飛行的最佳電源。目前掌握核電池制造研發(fā)能力的國(guó)家是中美俄三國(guó)。

下圖宇航員手持圓柱形設(shè)備即是核電池

1959年,世界上第一顆核電池在美國(guó)誕生。重1.8公斤,280天內(nèi)可以釋放11.6度電量。之后核電池進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期。

1961年,美國(guó)第一顆人造衛(wèi)星“探險(xiǎn)者一號(hào)”首次攜帶核電池進(jìn)入外層空間工作。開(kāi)始進(jìn)行讓衛(wèi)星攜帶核電池進(jìn)入外層空間工作的測(cè)試。

在之后的10年間,通過(guò)對(duì)“子午儀”號(hào)系列導(dǎo)航衛(wèi)星,“林肯”號(hào)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星以及“雨云”號(hào)系列氣象衛(wèi)星這些衛(wèi)星使用核電池的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析改進(jìn)后,1969年阿波羅11號(hào)登月飛船,攜帶了兩顆使用钚-238作為放射性同位素的核電池登上了月球。

正是核電池的應(yīng)用,太空無(wú)人探測(cè)器才具有了遠(yuǎn)離太陽(yáng),探索深空的可能。當(dāng)太陽(yáng)能電池不能獲得足夠太陽(yáng)光的時(shí)候,只有核電池才能支持探測(cè)器繼續(xù)工作。

之后的“海盜”,“先驅(qū)者”,“旅行者”等一系列探測(cè)器在核電池的支持下,才有了探測(cè)木星,土星,海王星等一系列遠(yuǎn)征。才能夠讓探測(cè)到的信息和資料回傳給地球,讓我們得以看到這些遙遠(yuǎn)鄰居的近貌。

尤其是“旅行者”一號(hào),迄今為止遠(yuǎn)離地球211億公里,飛行40年,已到達(dá)太陽(yáng)系行星軌道之外,這是人類史上最遠(yuǎn)的飛行,核電池依然在履行職責(zé),讓人類知道了太陽(yáng)風(fēng)的邊緣世界信息。

著名的“好奇”號(hào)火星車全核電池供電,已經(jīng)取消了太陽(yáng)能電池供電板。

下圖后方黑色圓柱體為核電池

蘇聯(lián)時(shí)期,在60-80年代,也發(fā)射了幾十顆核電池衛(wèi)星,用于海洋檢測(cè)偵察使用。這些衛(wèi)星是低軌衛(wèi)星,組成了蘇聯(lián)著名的“神話”海天偵測(cè)系統(tǒng)。主要的任務(wù)就是在全球?qū)崟r(shí)追蹤定位美國(guó)的航母戰(zhàn)斗群。需要不間斷向地面發(fā)射坐標(biāo)和圖像信息,核電池加太陽(yáng)能的組合可以很好的滿足大功率長(zhǎng)時(shí)間的工作。

在1982年英阿馬島戰(zhàn)爭(zhēng)期間,蘇聯(lián)通過(guò)“神話”掌控了英國(guó)艦隊(duì)的動(dòng)向,聯(lián)絡(luò)阿根廷政府希望提供情報(bào),結(jié)果被阿根廷拒絕。好吧,阿根廷不相信眼淚。

中國(guó)的航天同位素核電池由中國(guó)原子能科學(xué)研究院在2006年研制成功?!版隙稹碧綔y(cè)器登月,即使用了核電池。

月球白天黑夜的交替是14天一次,月球白晝溫度127攝氏度。黑夜溫度驟降至零下190攝氏度,300度的溫差,如此寒冷的溫度,“玉兔”月球車上的所有儀器都會(huì)被凍壞。如此低溫,無(wú)論是鋰電池,還是氫電池或者鋁電池,全都不能正常工作。黑暗中的月球車和嫦娥探測(cè)器就依靠核電池的能量保持溫度和地面的通訊。等待著白晝的來(lái)臨。

核電池的優(yōu)點(diǎn)非常多,但是一樣有缺點(diǎn)。作為目前使用的初代核電池,受限于熱能轉(zhuǎn)換材料的性能,只有10%-20%的熱能被利用。其余的能量被浪費(fèi)無(wú)法轉(zhuǎn)換。受限于熱能轉(zhuǎn)換率,電流有限,如果要提供足夠的功率,大體積隨即會(huì)產(chǎn)生高輻射。使用的钚等元素的毒性,也極強(qiáng)烈,這是一把雙刃劍,只有等待將來(lái)了。

隨著科技和材料性能的提升,在進(jìn)一步提高熱能轉(zhuǎn)化率和更換放射性同位素之后,將來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛,包括地球上的極地,海島,高山,沙漠,深海等自然環(huán)境惡劣,交通不便的地方,都會(huì)是它大顯身手之地。

但是,在民用領(lǐng)域,核電池的推廣和普及有極大的難度。首先是價(jià)格問(wèn)題。電池原料使用的钚,釙等都很難獲得,有些甚至需要在核裂變乏材料中提取。價(jià)格注定非常昂貴。

最大的障礙還不是價(jià)格,泛民用還會(huì)引發(fā)核安全問(wèn)題。收集儲(chǔ)存電池芯,將會(huì)很容易制造出一顆臟彈,每個(gè)人都將具有摧毀社會(huì)的能力。被特殊組織利用,將會(huì)是一場(chǎng)接一場(chǎng)的人禍。

其次是安全性問(wèn)題。美蘇都發(fā)生過(guò)電池破裂燒毀丟失的事故。雖然現(xiàn)在的核電池已經(jīng)做的極度安全,但是一旦出現(xiàn)破裂摔壞,內(nèi)部的放射性元素會(huì)直接暴露在空氣中。這會(huì)引起民眾極大的擔(dān)憂。

1997年美國(guó)太空總署發(fā)射“卡西尼”土星探測(cè)器的時(shí)候,就發(fā)生過(guò)民眾抗議事件。擔(dān)心發(fā)射失敗電池會(huì)造成環(huán)境污染。

雖然核衰變電池不會(huì)爆炸,只是緩慢釋放能量而不發(fā)生反應(yīng),不用擔(dān)心成為微型原子彈,但是輻射,一樣讓絕大多數(shù)普通民眾談核色變。

當(dāng)下,我們只有在專業(yè)領(lǐng)域,看它大放異彩了。特別是充滿了幻想和未知的太空,這是核電池的應(yīng)用海洋。

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原文標(biāo)題:核電池:一切電池的終極形態(tài)

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