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核电池:上天入海显神通Comments>>

发表于 2012-09-11 14:44 | Tags 标签:,

2008年11月2日,美国“凤凰”号火星登陆器发出了最后的信号。由于“凤凰”号着陆地点的光照出现季节性减少,不足以为太阳能电池充电,加上突如其来的一场沙尘暴,“凤凰”号电量耗尽,时间比预计提前了3周。

刚刚登陆火星的“好奇”号探测车一定可以避免“凤凰”号的厄运。“好奇”号的电力由一台“放射性同位素热电发生器”(缩写为RTG)提供,本质上是一块核电池。该电池的设计使用寿命为14年,不但比太阳能电池耐久,也不会像太阳能电池那样受火星尘埃的影响。可为重达一吨的“好奇”号提供充足电力。

“好奇”号的核电池由两部分组成:一个装有钚238二氧化物的热源和一组固体热电偶。热电偶是一种半导体,可以将钚238衰变产生的热能转化为电能。因为同位素衰变时释放的能量大小和释放速度不受外界环境的温度、化学反应、压力、电磁场的影响,所以在要求高功率、长寿命、运行环境恶劣的供电领域,核电池是绝佳的选择。特别是当航天器远离太阳或位于星球表面上,难以靠太阳能电池长时间供电时,核电源是唯一的选择。

太空核电池的研发始于1958年的美国。1961年美国发射了近地轨道导航卫星“子午仪-4A”,该卫星首次配备了RTG。该电池外形接近球体,直径约12.5厘米,重约2千克。个头虽小,它所提供的电力却相当于一块重300千克的镍-铜电池。“子午仪-4A”卫星在太空运行了十多年,大大超过原来的设计寿命。

在月球的漫漫长夜里,月表温度可低至-170℃。这时普通电池都无法工作,核能成为最理想的选择。1969至1972年间,共有五块放射性同位素电池被五次“阿波罗”任务的宇航员带上月球,为月震仪、磁强仪、热流计、重力计和太阳风测定仪等多种仪器提供电能。1969年,苏联的“月球车1号”登上月球,这台重达756千克的无人探月车使用11千克的放射性同位素钋210作为燃料(可输出800瓦功率)来抵御月夜的严寒。“月球车1号”设计寿命为三个月,实际工作了近一年时间。

为了保证安全,需要对核电池进行大量苛刻的环境试验。包括模拟火箭发射和着陆环境的冲击振动试验、模拟再入大气层的高温试验、模拟海水长期浸泡的腐蚀试验等。四十年来,RTG已为许多太空任务提供动力,保持着良好的工作业绩。即便是在那些距离地球极其遥远、环境恶劣的考察任务中(如飞至太阳系边缘的先驱者号和旅行者号、飞向木星的伽利略号、探测太阳极区的尤利西斯号、飞向土星的卡西尼号、飞向冥王星新视野号等)RTG也从未出现过故障。

中国第一块放射性同位素电池于1971年3月12日诞生于中科院上海原子核所,以钋210为燃料,输出电功率为1.4瓦,热功率35.5瓦,并进行了模拟太空应用的地面试验。随着我国核电站数量的增加,由乏燃料后处理提取镎237原料的逐渐积累,为今后开发钚238电池提供了物质基础。从2004年开始,中国原子能科学研究院启动了太空同位素电池的研发,2006年该院研制出我国第一颗钚238同位素电池。

我国将于2013年发射“嫦娥三号”探测器在月球进行软着陆并施放月球车。前不久月球探测工程首席科学家欧阳自远院士接受媒体采访时透露,中国月球车将配备核电池来帮助月球车进行“冬眠”,等到太阳再次在月面上升起时,电池自动重启,月球车开始进入工作状态,这样的核电池可持续工作30年。

核电池的用武之地不仅仅局限于太空。高山、深海、南北极乃至人体中到处可以找到它的影踪。心脏起搏器用的核电池重量仅40克,体积很小,寿命可达十年。病人免除了经常做开胸手术的痛苦。在极地、海岛、高山、沙漠、深海等条件恶劣、交通不便的地方都是RTG的大显身手之地。自动无人气象站、浮标和灯塔、地震观察站、飞机导航信标、微波通讯中继站、海底电缆中继站等都可以使用免维护、长寿命的RTG供电。仅俄罗斯的北极海岸地区就有386个使用锶90的RTG运行,为导航设施供电。使用同位素电池的收音机和个人电子设备也已经出现。

现在,核电池正向效率更高、比功率更大、安全性更强的方向发展,它不但能帮助人类遨游太空、畅游海洋,还会走进日常生活给我们带来诸多便利。

本文已刊载于《新华每日电讯》科学松鼠会专栏

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32 Responses to “核电池:上天入海显神通”

  1. KSCN说道:

    照这么说
    那么勇气号和机遇号已经逆天了……

    尤其是机遇号

  2. 拼音佳佳说道:

    在月球的漫漫长夜里,月表温度可低至-170℃...这个嘛,热机效率的公式,效率取决于温差,是否这种低温下的发电能力会提高不少啊?

    • butter说道:

      热机效率的温差是吸热端和放热端的温差啦,不是和环境的温差。比如说汽油机,这个温差指的是混合气爆炸时候的温度和被排出气缸温度的差值,同一转数的时候排气温度应该是恒定的。。。所以冬天开车也不会省油嘛~

  3. liucen说道:

    如果给人工心脏按了核电池,那不就要变成钢铁侠了?

  4. zanehugo说道:

    笔记本用的核电池咋还没投入实际?听说几年前就在实验室完成了……
    以前的电池续航2小时,核电池续航200万小时,200多年啊!再也不用外接电源了……

  5. lansi说道:

    我想用在家用汽车里面啊,那就不用排队加油,也不怕油价贵了。说不定车子用旧了要报废电池还能换到新车里用呢。

    • robin_ren说道:

      相信我,这玩意一定比汽油贵多了
      而且钚似乎是剧毒的金属,好奇号的电池能干掉大型城市的所有人

  6. imx说道:

    核电池的电不用白不用的?放射衰变速度应该是恒定的吧

    • Googlefans说道:

      不是的,同一种核素的情况下,衰变速率和核素个数成正比,个数越多,衰变越快

      • 青菜说道:

        衰变速率是放射性核素本身的固有特性,和放射性核素的个数半毛钱关系都没有。一吨Pu238和一毫克Pu238的衰变速率没有任何差异。

  7. jason说道:

    没人想过核污染的问题么,这么危险的核物质即使纯度很低都存在着安全问题啊,北大还出了一个女性用铊毒杀丈夫的事呢,这玩意儿民用的话不知会造成多少公共安全问题!即使是俄罗斯用来导航用的RTG我都担心被恐怖分子收集来造脏弹呢。有了解的人出来解释一下如何评判核电池的高效能和它所带来的公共安全问题呢?

  8. 也许不痛说道:

    核污染怎么办啊》?连无害的各种材料都造成了好大的污染,核污染该怎么解决呢、:、

  9. 1说道:

    1.4W能干什么?貌似连手机都不够启动

    • jazkim说道:

      远够了,1.4/3.7=0.38,380mA还嫌少啊,充电器一般也就 500

  10. jjx874说道:

    衰变放电,这个比裂变放电功率低得多吧

  11. 倒背吉他弹棉花说道:

    介个,衰变和裂变根本是两回事吧,衰变在大自然普遍存在的,不管是否利用这种能源,衰变的过程都不会因人为的任何行动而改变,除了大质量原子,部分小质量原子也会衰变吖,譬如C14什么的,衰变过程中的辐射和裂变产生的辐射根本不能同日而语吧。

  12. 朗晴星说道:

    "心脏起搏器用的核电池重量仅40克,体积很小,寿命可达十年。病人免除了经常做开胸手术的痛苦"
    这么说,核电池的技术已经相当成熟啦,那么,没有用到日常电子产品的原因,只有价格咯?

  13. sss说道:

    明显要先给手机用,爽死了

  14. 8.smqm.net说道:

    科技越来越发达,但离探索宇宙还差很远很远

  15. 卐强卍说道:

    期待平民化和市场化的一天,手机电池急切盼望核电池的出现,就是安全性有点怕怕。

  16. sonnyhcx说道:

    可惜现在核电池的功率太小.......

  17. 伪科学说道:

    松鼠会现在怎么充斥主贴这样伪科学啊?
    写文章能不能认真点呢?
    文科生写的吧?

  18. freebooter说道:

    请问核电池如果用在南北极的话,会不会给携带它或者工作环境靠近它的科研人员造成辐射损害啊?

  19. 王三说道:

    成本降低到1-2K,重量下降到3-5kg,,功率做到500w以上,用来带动电摩托甚至电动汽车,将大有市场。安全性的问题相信一定会有办法解决的!

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