G 灢 s元件可较好地满足要求。采用这种 材 料 制 造 aA 的核电池的能量转换效率比目前使用温差式核电池 高出 2—3 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、锗 硅 合 金 和 硒 族 化合物等,把这些材 料 串 联 起 来, 型 半 导 体 元 件 P 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 1 m 1 g

　　暋暋 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

　　3 国康奈尔大学科学家利用铜板和同位素6 N 板作为 i 3 新型电池,在衰变 时6 N 会 释 放 毬 粒 子,失 去 电 子 i

　　性废物之一,可 以 从 核 电 站 的 放 射 性 废 物 中 提 取。 氚作为能量来源的状态有气体和固体,可以用

　　于气体电离式核电池及温差式核电池。氚仅仅释放 出低能 量 的 毬 粒 子,可 以 用 非 常 薄 的 材 料 来 遮 挡, 是一种较安全且易于密封的放射源。 2. 电能转换材料 2暋

　　暋暋 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( 毩 粒 子、 粒 子 和 毭 射 如 毬 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( 百 至 几 千 V) 低 几 和 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

　　暋暋 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。 2. 同位素放射源 1暋 暋暋 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 ( 保 证 电 池 的 长 以 经济和易于屏蔽等。 、功 率 密 度 高、放 射 性 危 险 性 小、容 易 加 工、 寿命)

　　种 暋暋 类 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 热机转换核电池

　　获得正电荷,铜板接 收 毬 粒 子 带 负 电;外 接 负 载 构 半衰期来算,该电池至少工作 5 。 0a

　　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

　　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 0.1 曟 。 0 m ,分别占颗粒体积 的 6 5% 和 7 ( 图 2 所 2. 2% 如 毺 ) 。裂解碳 层 采 用 C D 工 艺,以 烃 类 气 体 ( PG电子官方网乙 示) 如 V

　　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( R S 的开 发 计 划 中 就 包 括 热 致 光 电 式 核 A P )

　　功) 和镁( 逸 出 功) 为 电 极,开 路 电 压 可 达 1. 低 作 5 辐射伏特效应能量转换核电池、荧光体光电式

　　根据放射性同位素放出的射线不同,可以将其 分为 毩 源、 源、 源 3 类,其中适合作为核电池放 毭 毬

　　电池属于直接转换式,应 用 较 少。目 前 应 PG电子官方网用 最 广 泛 的是温差式核电池和热机转换核电池。 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。本文将从材料和应用方面对核电池作详 细介绍。

　　摘 暋 要:核电池具有体积小、寿命长、不受外界 环 境 影 响 等 优 点,因 而 在 航 空 航 天、深 海、极 地、 心脏起搏器、微型电机等领域得到广泛地应用。核电池的 发 展 与 所 用 材 料 的 发 展 互 相 促 进。从 同 位素放射源、电能转换、密封保护的角度介绍了核电池所 用 材 料 的 发 展 和 最 新 研 究 进 展,同 时 也 介绍了核电池现有和潜在的应用领域。 关 键 词:核电池;同位素;能源 中图分类号: L 9暋暋暋 文献标识码: T9 A

　　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 毩 热 源,