原子电池

原子电池即核电池，它是将原子核放射能直接转变为电能的装置。

有的原子电池是利用放射性同位素放出的射线产生热量，根据温差电现象通过热电偶将其转化为电能;也有的是利用射线作用于某些物质能发光的原理，先将辐射转变为荧光，再使荧光作用于硅光电池产生电能。这种原子电池的结构，和太阳能电池基本相同，是比较常用的原子电池。

还有一种原子电池是由辐射β射线(高速电子流)的放射源，收集这些电子的集电器，以及电子放射源与集电器之间的绝缘体三部分组成。放射源一端因失去电子成为正极，集电器一端得到电子成为负极，于是在两电极间形成电势差。这种原子电池可产生较高的电压，但电流较小。

常用作原子电池中的放射性物质有钚238、钷147、锶90等。这种电池的突出特点是:寿命长、重量轻、不受外界环境影响、运行可靠。主要用于人造卫星、宇宙飞船、海上的航标与游动气象浮标，以及无人灯塔之中。也把原子电池作为人工心脏起搏器的电源，在医疗方面得到了应用。

自从1954年美国首先研制钋-210原子电池(电功率0.0018瓦)以来，已研制成各种各样的原子电池。原子电池的工作原理用两种:一是将放射性同位素衰变产生的热能转变成电能，这就是热转换型电池;二是将放射性同位素衰变 放出粒子的动能或它的次级效应转变成电能，这就是动态换能型。目前研究最为成熟，并且已经实际用用的使静态热电型电池，又称温差型原子电池。它是利用 温度变化产生电位差而发电。热电偶转换装置结构简单，尺寸小，重量轻，性能稳定，但转换效率较低，只有5%~10%，这种电池功率比较小，只有几瓦到几百瓦。

原子电池不需阳光照射，不受电磁干扰，可以在失重、强风暴、极低温等恶劣环境下工作，使用寿命长，因此可用作人造卫星、太空探测器的辅助源。美国"阿波罗"月面试验站、"雨云号"气象卫星、"先驱号"木星探测器、"海盗号"火星登陆器，都安装了钚-238同位素电池。

据2002年统计，美国在8颗人造卫星、5艘登月飞船，9个探测器等22个航天器上，安装了40台钚-238同位素电池。钚同位素电池重量轻、寿命长、安全可靠。月球上白天温度高达102℃，晚上降到-150℃，昼夜高温和严寒交替，变化幅度十分大，条件非常恶劣。而且，月亮上的夜晚要比地球上的夜晚长14倍。美国"阿波罗"登月计划中，在月球上设置了5台钚-238同位素电池，为25台仪器供电，使他们长期维持正常工作。

原子电池受航天事业的推动，取得了较大发展，主要表现在:一是功率有了较大提高，现在已出现近千瓦功率的原子电池;二是热点转换效率的提高。美国布什政府于2003年批准的耗资近10亿美元的"普罗米修斯"计划，其主要内容之一就是 发展新型高效率同位素电源系统。

中国第一个钚-238同位素电池

中国第一个钚-238同位素电池已在中国原子能科学研究院诞生了，同位素电池的研制成功填补了中国长期以来在该研究领域的空白，标志着中国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。同位素电池是利用放射性同位素衰变过程释放的热能，通过热电偶转换成电能，具有尺寸小、重量轻、性能稳定可靠、工作寿命长、环境耐受性好等特点，能为空间及各种特殊、恶劣环境条件下的高空、地面、海上和海底的自动观察站或信号站等提供能源。同位素电池在美、俄等国已实际应用，用于航天器的能源供应 。

随着中国空间探测的进一步发展(包括"登月计划"的启动)以及未来深空探测的需求，为中国航天器提供稳定、持久的能源已提到议事日程上来，作为迄今为止航天器仪器、设备最理想供电来源的同位素电池成为航天技术进步的重要标志，掌握同位素电池制备的一系列关键技术并具备自主研制生产能力显得尤为重要。2004年，原子能院同位素所承担了"百毫瓦级钚-238同位素电池研制"任务，在两年时间里要完成总体设计和一系列相关工艺研究，研制出样品 。

同位素所和协作单位并按制定的研究方案开展了大量的模拟实验、示踪实验、热实验等工作。最终检测表明电池性能完全达到了技术指标要求，辐射防护检测的各项指标均符合国家安全要求。中国第一个钚-238同位素电池诞生了。中国第一个钚-238同位素电池的研制成功是中国在核电源系统研究领域的重大突破，为继续探索、开发空间能源打下了坚实的基础 。

大海的深处，也是放射性同位素电池的用武之地。在深海里，太阳能电池根本派不上用场，燃料电池和其他化学电池的使用寿命又太短，所以只得派核电池去了。例如，现在已用它作海底潜艇导航信标，能保证航标每隔几秒钟闪光一次，几十年内可以不换电池。人们还将核电池用作水下监听器的电源，用来监听敌方潜水艇的活动。还有的将核电池用作海底电缆的中继站电源，它既能耐五六千米深海的高压，安全可靠地工作，又少花费成本，令人十分称心。

在医学上，放射性同位素电池已用于心脏起搏器和人工心脏。它们的能源要求精细可靠，以便能放入患者胸腔内长期使用。以前在无法解决能源问题时，人们只能把能源放在体外，但连结体外到体内的管线却成了重要的感染渠道，很是使人头疼。现在可好了，眼下植入人体内的微型核电池以钽铂合金作外壳，内装150毫克钚238，整个电池只有 160克重，体积仅 18立方厘米。它可以连续使用10年以上。

放射性同位素电池的热源是放射性同位素。它们在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式，向外放出比一般物质大得多的能量。这种很大的能量有两个令人喜爱的特点。一是蜕变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响，因此，核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长，这决定了放射性同位素电池可长期使用。放射性同位素电池采用的放射性同位素来主要有锶-90(Sr-90，半衰期为28年)、钚-238(Pu-238，半衰期 89.6年)、钋-210(Po-210半衰期为138.4天)等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。

放射性同位素电池的核心是换能器。目前常用的换能器叫静态热电换能器，它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差，从而发电。它的优点是可以做得很小，只是效率颇低，热利用率只有10%~20%，大部分热能被浪费掉。 在外形上，放射性同位素电池虽有多种形状，但最外部分都由合金制成，起保护电池和散热的作用;次外层是辐射屏蔽层，防止辐射线泄漏出来;第三层就是换能器了，在这里热能被转换成电能;最后是电池的心脏部分，放射性同位素原子在这里不断地发生蜕变并放出热量。