核燃料电池

核燃料电池

火星机器人-好奇号用的就是核燃料电池，在地球上应用因为价格昂贵，

有污染，功率小等问题，还没有实用化。其实这个技术早有了,也叫“放射性同位素电池”，它是通过半导体换能器将同位素在衰变过程中不断地放出具有热能的射线的热能转变为电能而制造而成。

核电池已成功地用作航天器的电源、心脏起搏器电源。但这种电池利用

的是元素的天然放射性,不是聚变,不可能有大功率版，这应该是没有运用到火车轮船的原因。我觉得也可能美国政府担心，核燃料电池的普级，造核武器的将变得更容易，对世界安全没有好处。而现有的能源选择很多，世界能源也没有到了危机的时候。现在很多尖端设备都成功地应用了核燃料电池，如起搏器、太空卫星、水下作业系统等。

二战时的德国，就用“同位素在衰变”原理开发核能动力为主要目标（用

于潜艇可以长时间潜伏水下），却忽略的原子弹的研究。没能在1943年研造出原子弹，失去一个赢得战争决定性武器。

硬币大小的微型“核燃料电池”

近日，科学家向人们展示了硬币大小的微型“核燃料电池”。该电池利用

放射性同位元素的衰变产生能量。研究人员介绍，放射性物质衰变时，会释放带电粒子，如果能将这些粒子收集起来，便能产生电流。其实，由于核电池能量储藏相当丰富（它的电荷含量是一般标准电池的100万倍），很久以前就已经在军事及航空航天领域得以应用，但这些核电池的块头要远比此次展示的核电池大。美国密苏里大学的研究团队发明了这枚袖珍核燃料电池。

该大学之所以开发微型核燃料电池是为了缩小电子设备内电源的尺

寸，让它更适合小型设备（如微机电系统或纳米机电系统），因为这些设备本身已经足够小，一定要有更小的电源与之相匹配。因此，开发微型电源与开发微电机本身一样重要。

对于很多设备而言，核燃料电池都相当具有吸引力，因为放射性同位素可以为它们提供源源不断的强大电力，而且它们极为耐用，使用期限一般都可达几百年，甚至更长。因此，在太空探索中，核燃料电池就成为了理想的选择。然而在地球上，由于体积过大，核燃料电池还未能将其一身本领完全发挥。

密苏里大学的研究小组由权载万（Jae Wan Kwon）教授领导。他们在研究的过程中使用了一种液态半导体来捕捉并利用衰变产生的带电颗粒。与之相比，现有的大部分核燃料电池使用的都是固态半导体。后者的劣势在于，衰变产生电荷所含能量极为丰富，时间一长会对固态半导体产生一定的损害。这也就意味着，如果想要制造出与放射性同位素使用寿命相同的电池，就必须在电池内安放尽可能多的固态半导体。这样一来，电池的体积也就更大了。

而权载万教授他们之所以使用液态半导体，是因为高能电荷通过液态半导体不会对它造成损害，因此能大大节省半导体所占空间。目前，研究人员正努力进一步将电池“迷你化”。

为了打消人们对于核燃料 安全 的顾虑，研究人员解释道，尽管整个电池的成功于否取决于放射性物质的使用，但在正常工作条件下使用是完全安全的。权教授说：“一般人都会谈核色变，认为只要与核有关联的东西都会十分危险。但是我们不可忽略的事实是，很多设备都已经安全、成功地应用了核能，如起搏器、太空卫星、水下作业系统等。”

Micro nuclear battery

2003年初，开发了一种微型电池，可以把放射性物质发射的高能粒子直接转化成电流。在这种电池里面，把少量的镍-63放在普通的硅p-n结（基本上就是一个二极管）附近。镍-63衰变时会发射β粒子。β粒子是一种从放射性同位素不稳定的原子核里自发的发射出来的高能电子。在电池中，β粒子使二极管的原子电离，产生电子-空穴对。这些电子和空穴被分割在p-n结界面的两边。这些被分离的电子和空穴向离开p-n结的方向流动，形成了电流。

在上述应用中采用镍-63非常理想，因为它发射的β粒子在蜕变之前最多在硅材料中能行进21μm。如果某种粒子具有更大的动能，那么它的行进距离将更长，这样就会辐射到电池外面。在我们制作的核电池中，每毫居里的镍-63能产生3毫微（10-9）瓦的功率。虽然功率不大，但是已经可以为其他机构正在研发的环境传感器和战场传感器上所使用的纳米存储器和简单的微处理器供电。[1] 放射性同位素

放射性同位素的选择是实现微型核电池

的最重要的方面, 主要是基于辐射类型, 安全性、能量、相对比放射性、价格和半衰期。使用放射性同位素最重要的考虑因素始终是安全性。Gamma射线（伽马射线）具有很强的穿透能力, 需要相当大的外部屏蔽装置以减小放射剂量比。Alpha（阿尔法）粒子可以用于在半导体产生电子一空穴对, 但是它们会引起严重的晶格缺陷。纯的Beta射线发生器是微型核电池的最佳选择。表1给出了我们研究中考虑用于微型核电池的纯Beta放射源。镍-63具有超过100年的放射期, 在我们的研究中作为首选。从镍-63发射出的粒子或电子, 具有淤的平均能量和的最高能量, 这低于引起硅晶体结构永久性损伤 的200~250KeV闽值能量。另一方面, 最高运动能量67KeV的电子无法穿透人类皮肤的外层, 这保证了操作者的安全。 Beta型电池

所开发的第一种类型的微型核电池是基于Beta辐生伏打效应, 即由于电子空穴对（EHPs）产生的正电荷流动, 从而形成电势差。如图1所示, 当EHPs扩散进入半导体pn结的耗尽区, 在pn结内建电场的作用下,实现对电子-空穴对的分离, 即电子向n区, 空穴向p区运动, 产生电流输出。

虽然辐生伏打效应与光生伏打效应类似, 微型核电池的开发比太阳能电池的开发要困难得多。主要原因在于核电池中的电子通量密度比太阳能电地中的光子通量密度要低。对于微电池而言, 由于使用了非常低放射强度的同位素, 电子通密度还会降低。从Beta放射性同位素放射出来的电子的能分布通常真有很宽的频谱范围。带有不同能的电子会停留在半导体pn结器件不同深度的位里。因此, 产生的EHPs的空间分布是不同的。为了获得更高的能量输出, 需要对pn结器件进行优化设计, 并采取微制造工艺达到尽可能将EHPs收集到耗尽层的目的。 自主往复式

传统核电池的一种工作方式是利用电容器收集辐射电荷。在我们的研究中, 弹性变形的铜悬臂梁放于距离镍石放射源一段间隔的位置, 当悬仲梁

收集了来自放射源的带电荷粒子后, 镍-63剩余负电荷因此, 产生了静电力, 将悬臂梁吸引向放射源当悬胃梁接触到放射源, 悬臂梁放电从而回到初始位里, 再次进行下一循环周期的电荷收集。因此, 实现了自主往复式悬臂梁, 或称直接收集型电荷运动转换装置。图4给出了自主往复式悬臂梁的等效电路使用一个电流源模拟放射性同位素源, 悬臂梁与放射源之间的间隙表示成时变电容器。寄生电阻用于表示收集电荷的泄漏通道。 钜-147电池

事实上, 大多数微机电和纳米器件, 与低耗能电子器件, 所消耗的能量在毫瓦范围内。为了增加微型核电池的能物出, 如果允许, 应该选择高能量放射器具有更高的放射强度虽然枢放射性同位素的半衰期只有2.6年, 但其平均能为62KeV, 最高能量为250KeV, 这在硅基pn结器件中是允许的。如图5所示,设计并制作了应用-钜147放射性同位素作为原始能源的Beta型微型电池。作为电池的平面pn结器件的10mm*100mm面积为, 并且使用了约200mCi的钜-147。测得的开环电压0.29V, 短路电流为0.033mA。最大输出能量为5.7uW。下一步的工作是应用堆盛或芯片阵列连接的方法提高微型电池的输出电压。

两种应用于微机电系统和纳米器件的微型核电池, 并给出了利用枢-147放射性同位素实现输出能达到毫瓦级的Beta型微型核电池。 2由来

生活中，你肯定在为你的手机电量是否充足、是否要马上充电等问题而操心劳神，所以，如果给你一块几个月都不需要充电的电池，你马上会高兴起来，如果给你一块你一辈子都不用充电的电池，你会不会惊讶万分?如果给你一块几百代人都不用充电的电池，你会不会觉得这是神话?告诉你，美国科学家眼下就创造出了这个神话。

那么神话是怎么创造出来的呢?原来，早些时候，科学家就发现，当放射性物质衰变时，就能够释放出带电粒子，如果采取一定特殊的办法，就能够把带电粒子驯服归拢起来，形成电流。后来科学家依照这个发现和放电原理，发明了大型的核电池，用于工业和航天业。如在航天领域，可把核电池安装在太阳能不够用的探测卫星上，或安装在发射到太阳系外的无人飞船上。遗憾的是，因核电池必须装有一个收集带电粒子的固体半导体，但由于辐射的作用，固体半导体很快就会受损，而为了降低受损程度，核电池就必须做得足够大。正因为核电池变小很难，所以它就很难在小型或微型电子设备上派上用场，自然也就很难把它做成手机电池了。

情况有了转机，美国科学家想出了为核电池“瘦身”的妙计，他们把核电池内易受损的固体半导体换成了不易受损的液体半导体，这样不但能完成收集带电粒子的使命，而且还可以大幅度“瘦身”，真可谓是一举两得。按照新思路研发出的圆形核电池直径有1.95厘米，厚才1.55毫米，仅仅比1美分硬币大一点点，但其电力却是普通化学电池的100万倍。 3问世

英国BBC电台2009年10月9日报道称，由美国密苏里大学计算机工程系教授权载完(音)率领的研究组研发出了体积小但电力强的“核电池(nuclear battery)”。该研究成果被刊登在最新一期的《应用物理杂志》等科学杂志。

据悉，他们通过利用微型和纳米级系统开发出了一种超微型电源设备，这种设备

通过放射性物质的衰变，释放出带电粒子，从而获得持续电流。

该研究小组称，虽然在很久之前核电池就已经应用在航天领域，但是在因为大小的限制，在地球上核电池的应用还很少。大多数核电池通过固态半导体截获带电粒子，因为粒子的能量非常高所以半导体随着时间的推移将受到损伤，为了能让电池长期使用，核电池被制造的非常大。

早在2005年已经有研究人员开始了对核动力电池的研究，至今核电池已经运用在很多专业领域，但在Jae Kwon和J.David Robertson之前，由于对核能的忌惮，核电池一直被认为不适合民间使用。此次微型核电池的成功研制，无疑推动了核动力的普及，说不定不久的将来就会出现核动力笔记本、核动力台式机。 4特点

韩国《朝鲜日报》报道称，过去在电池的研发过程中面临的重大难关之一，就是为了提高性能，电池大小往往比产品本身还大。但权载完教授组研发出的核电池只是略大于1美分硬币(直径1.95厘米，厚1.55毫米)，却可以发出普通化学电池需充电100万次才能发出的电力。

权载完教授还实现了用于电池的芯片的改革。使用核电池时发出的放射能可能会损坏电池内部的固体芯片结构，但权载完利用液体芯片，最大限度地克服了这一问题。权载完向BBC电台表示：“核能可用于心脏搏动调节装置或人造卫星等，已经可以安全地用于人们的生活。”

只需要一个硬币大小的电池，就可以让你的手机不充电使用5000年。 美国密苏里大学研发团队开发出的微型“核电池”使用某种液态半导体，在带电粒子通过时并不会对半导体造成损伤，所以他们得以进一步小型化电池。负责该项目的Jae博士称，虽然人们总是闻“核”色变，但实际上核动力能源早就被应用在例如心脏起搏器、太空卫星和海底设备等多种安全供电项目上. 5应用展望

科学家认为，在遥远的未来，微型核电池将被广泛使用到小型和微型电子系统，比如说用于分析血样的微型电子仪里。因核电池提供电能的时间非常长，到那时，只需要一个硬币大小的电池，就可以让我们的手机5000年不用充电。另外，像正在流行的电动车的电池，也有望实现让人至少一辈子不用充电的梦想。至于核电池是否会出现核污染问题，科学家指出，这个问题早在发明它的时候就同时解决了，人们不必为此担忧。 词条图册更多图册

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