简述核电池原理、转换技术、结构和应用特点

1950年初，当亨利·莫斯利 (Henry Moseley) 首次展示β电池时，核电池被开发出来。在1950年至1960年期间，该领域对需要长寿命电源以满足空间需求的应用进行了广泛的研究。

一般来说，化学电池需要经常更换，而且体积也很大。与此同时，太阳能电池和燃料燃料也很昂贵，而且太阳能电池也相应地需要太阳能。为了克服这些问题，迫切需要一种像核电池一样具有轻便、可靠、紧凑、持久供电等特点的电池。

什么是核电池？

核电池可以定义为一种利用分解放射性同位素产生的电能来发电的装置，当然，对于有害辐射没必要恐慌，因为这些电池的使用寿命长达数十年，而且非常高效。

与核反应堆类似，核电池使用原子能产生电能，但不同之处在于它们不利用连锁反应。此外，核电池的也被称之为氚电池、原子电池和放射性同位素电池。

工作原理

核电池释放的能量令人难以置信，它是通过小的放射性材料碎片自然产生的，而电池内部没有发生任何聚变或裂变电荷。核电池通过轻微的放射性薄膜工作，其能量高于锂离子电池。

转换技术

像核电池这样的放射性同位素材料只是衰变，这种材料的Alpha和Beta辐射用于产生能量。α和β粒子的辐射提供了主要的电池能量来源。这些辐射被建立到电极中，以形成电势差，从而使电流流过负载。目前有两种方法可以将这种衰减的辐射转换为电能，分别是：

1. 热转换器
2. 非热转换器

在热转换方法中，o/p功率取决于温度。热转换器可以再次分为不同的类型，包括以下类型：

• 热离子转换器；热离子转换器包括两个电极，其中一个电极在高温时热离子发射电子，而另一个电极则获得这些电子。通常，两个电极之间有一个空间，但有时它会填充铯蒸气以提高电极的效率。
• RTC（放射性同位素热电发电机）；这种转换器利用热电偶将能量从热能转换为电能，每个热电偶的形成可以通过使用两条不同的金属线来完成。通过电线长度的温度变化会产生从电线一端到另一端的电压变化。RTC是一种没有旋转部件的固定发电机，它主要用于无人驾驶机器和远程站点设施的能源当中。
• 热光伏电池；这些转换器主要根据光伏电池的原理工作，除此之外，它们还将通过热表面产生的红外光转换为电能。与热电偶相比，热光伏电池的效率略高。同位素中的Alpha和Beta等辐射物被设计为落在热发射器上，从热发射器发出红外辐射，从而将这些辐射物落在热光伏电池上发电。
• AMTEC；AMTEC代表“碱金属热电转换器”，它是一种电化学系统。该系统主要依赖于电池中使用的电解质，如β-氧化铝和钠-硫。在实验室中，AMTECH电池效率已达到16%，预计可能会达到20%。
• 斯特林放射性同位素发生器；斯特林发动机通过放射镜产生的温差来驱动，而新的进展研究导致形成了一种更有效的版本，即先进的斯特林放射性同位素发生器。

在非热转换方法中，o/p功率不取决于温差。这些转换器分为不同的类型，包括以下内容。

• 直接充电发电机；初级发电机包括一个电容器，该电容器通过来自沉积在其中一个电极上的放射性层的带电电流粒子充电，电容器两个端子之间的间距可以是电介质或真空。
• Betavoltaics；Betavoltaics通过使用来自称为氚的氢同位素等放射源的能量来产生电流，这些转换器通过使用非热转换等方法发电，即使用PN结半导体来发电。一旦Beta辐射被给予电极，它就会产生电子 - 空穴对，从而导致电极和电流之间的电位增强。
• 阿尔法伏特效应电池；这些电源使用PN结半导体从高能α粒子产生电能，它的工作原理与Betavoltaics相同，但不同之处是它利用放射性同位素发射Alpha粒子。
• 光电电池；像锝99这样的β辐射会激发准分子混合物，而光线会影响光电管。在这种情况下，不需要精确的电极组件，并且大多数β粒子会从轻微分裂的块状材料中逸出，以提供电池的净功率。它将辐射变为光，然后将其变为电能
• 往复式机电原子电池；这些电池利用两个极板之间的能量积累，将一个柔性极板拖动到另一个，直到两个极点接触、放电、平衡静电积累并回弹。所产生的机械运动可用于通过线性发电机或压电材料弯曲来发电。

结构特点

MIPT的一个研究小组开发了一种方法，可以将核电池的功率密度提高10倍。因此，他们设计了一种通过镍63的Betavoltaic电池（（类似辐射源））和基于肖特基势垒的金刚石二极管，用于能量变化。

核原型电池结构如下所示。该电池的o/p功率为1微瓦，而每立方厘米的功率密度为10微瓦，所以这个功率对于目前的人工起搏器来说已经足够了。

核电池的原型包括200个金刚石转换器，这些转换器通过镍-63和恒定的镍箔层相互交错。通过转换器产生的功率总和主要取决于镍箔和转换器的宽度。目前，核电池原型机优化得很差，因为它们的体积很大。

如果β辐射源非常厚，那么由其发射的电子就不能从中逃逸，这称为自吸收。然而，每当电源被设计成很薄时，每单位时间就会有几个原子经历β衰变。同样的原理适用于转换器的厚度。

研究人员的主要目标是提高镍63电池的功率密度。为了实现这一点，他们对整个β源和转换器中的电子路径进行了数值模拟。事实证明，镍63源在2微米宽时最有效，并且取决于肖特基势垒金刚石二极管的转换器的最佳宽度约为10微米。

主要优缺点

核电池的优点包括以下几点内容：

• 安全可靠
• 重量更轻，能量密度高
• 寿命长达几十年
• 可以减少温室效应
• 获得的能量更大
• 产生的废物更少

核电池的缺点包括以下几点内容：

• 目前核电池处于实验阶段，生产成本高
• 能量转换方法还有待提高

主要应用

核电池的应用包括以下几个方面。

1、车用核电池

核电池是应该被长期应用但被忽视的能源。核电池最好的例子是水下系统、航天器、心脏起搏器等。另外，核电池在汽车中的使用处于起步阶段，虽然它包含许多好处。由于以下几个原因，这种电池在汽车中的使用受到限制。

• 目前相关技术还处于开发阶段
• 与其他电池相比，它产生的热量更多
• 价格比较昂贵
• 放射性物质可能会导致生态和健康问题

一般来说，起搏器主要用于在身体自然电起搏系统不规律时刺激正常的心跳。在过去的许多年里，起搏器使用不同的电源，如钚238（放射性材料）。

但是如果要找出起搏器是非核动力的还是核动力的，那么起搏器上就要使用不同的指标。因此必须注意相关的标记，例如“Nuclear/Curies”，表示是核动力电池。如果电池没有任何这些标记，那么就可以说起搏器是非核的，并且只包括一个化学电池。

另外，核电池因其不过的可靠性、高能量密度和长寿命而被用于不同的场景，其应用还包括：

• 用于军事、太空、医疗和水下应用
• 航天器
• 水下系统
• 偏远地区的自动化科学站
• 军事和医疗应用

总结

以上就是关于核电池或原子电池的相关基础内容介绍，可能大家都比较熟悉核能概念，但对核电池可能不太熟悉。其实，与传统电池相比，核电池更靠近核电能。这些电池使用放射性来放电，而不是储存能量。正如对化学电池的评估那样，它们通过高体积能量密度来划分，并且在恶劣的环境下耐久性更强。