核能电池及应用.doc

核能电池材料及核电池的应用 简介 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(如α粒子、β粒子和γ射线)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(几百至几千V)和低压型(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池等。其中直接充电式核电池、气体电离式核电池属于直接转换式,应用较少。目前应用最广泛的是温差式核电池和热机转换核电池。核电池取得实质性进展始于20世纪50年代,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。 核能电池是利用放射性同位素放出的 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。 2 发展史 第一个放射性同位素电池是在1959年1月16日由美国人制成的，它重1800克，在280天内可发出11.6度电。在此之后，核电池的发展颇快。 1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号”，上面的无线电发报机就是由核电池供电的。1976年，美国的“海盗1号”、“海盗2号”两艘宇宙飞船先后在火星上着陆，在短短5个月中得到的火星情况，比以往人类历史上所积累的全部情况还要多，它们的工作电源也是放射性同位素电池。因为火星表面温度的昼夜差超过100℃，如此巨大的温差，一般化学电池是无法工作的。 3 核电池所用材料 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。 3.1同位素放射源 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(以保证电池的长寿命)、功率密度高、放射性危险性小、容易加工、经济和易于屏蔽等。 根据放射性同位素放出的射线不同,可以将其分为α源、β源、γ源3类,其中适合作为核电池放射源的有近10种。包括γ源60Co; β源90Sr,137Cs,144Ce 和147Pm; α源210Po,233Pu,241Am,242Cm和244Cm 等。表1列出了核电池常用放射性同位素的一些参数。表2则给出了各种核电池目前所使用放射源的状况。 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α热源,如23