當放射性物質(zhì)衰變時，能夠釋放出帶電粒子，如果正確利用的話，能夠產(chǎn)生電流。通常不穩(wěn)定(即具有放射性)的原子核會發(fā)生衰變現(xiàn)象，在放射出粒子及能量后可變得較為穩(wěn)定。核電池正是利用放射性物質(zhì)衰變會釋放出能量的原理所制成的，此前已經(jīng)有核電池應用于軍事和小型核電池航空航天領(lǐng)域，但是體積往往很大。 過去在電池的研發(fā)過程中面臨的重大難關(guān)之一，就是為了提高性能，電池大小往往比產(chǎn)品本身還大。由美國密蘇里大學計算機工程系教授權(quán)載完(音)率領(lǐng)的研究組成功為“核電池”瘦身，研發(fā)出的“核電池”體積小但電力強。但權(quán)載完教授組研發(fā)出的核電池只是略大于1美分硬幣(直徑1.95厘米，厚1.55毫米)，但電力是普通化學電池的100萬倍。密蘇里大學研究團隊稱他們研制小型核電池的目的是，為微型機電系統(tǒng)或者納米級機電系統(tǒng)找到合適的能量來源。如何為微型或納米級機電系統(tǒng)找到足夠小的能量來源裝置，同微型裝置一樣是一個熱門研究領(lǐng)域。

外觀結(jié)構(gòu)

一般核電池在外形上與普通干電池相似，呈圓柱形。在圓柱的中心密封有放射性同位素源，其外面是熱離子轉(zhuǎn)換器或熱電偶式的換能器。換能器的外層為防輻射的屏蔽層，最外面一層是金屬筒外殼。

優(yōu)缺點

優(yōu)點：

核電池在衰變時放出的能量大小、速度，不受外界環(huán)境中的溫度、化學反應、壓力、電磁場等的影響。

核電池提供電能的同位素工作時間非常長，甚至可能達到5000年。

缺點：

有放射性污染，必須妥善防護;而且一旦電池裝成后，不管是否使用，隨著放射性源的衰變，電性能都要衰降。

類型

核電池可分為高電壓型和低電壓型兩種類型。

按能量轉(zhuǎn)換機制，它可分為九類之多：直接充電式核電池、氣體電離式核電池、輻射伏特效應能量轉(zhuǎn)換核電池、熒光體光電式核電池、熱致光電式核電池、溫差式核電池、熱離子發(fā)射式核電池、電磁輻射能量轉(zhuǎn)換核電池和熱機轉(zhuǎn)換核電池等。

應用最廣泛的是溫差式核電池和熱機轉(zhuǎn)換核電池。

高電壓型

高電壓型核電池以含有β射線源(鍶-90或氚)的物質(zhì)制成發(fā)射極，周圍用涂有薄碳層的鎳制成收集電極，中間是真空或固體介質(zhì)。以氚為放射源的試驗電池,直徑為9.5毫米，長度為13.5毫米，電壓500伏時電流為160皮安，12年衰降50%(若用鍶-90，25年衰降50%)。

低電壓型

低電壓型核電池又分為溫差電堆型、氣體電離型和熒光-光電型三種結(jié)構(gòu)。溫差電堆型的原理同以放射性同位素為熱源的溫差發(fā)電器相同，故又稱同位素溫差發(fā)電器。氣體電離型核電池是利用放射源使兩種不同逸出功的電極材料間的氣體電離，再由兩極收集載流子而獲得電能。這種電池有較高的功率。熒光-光電型核電池利用放射性同位素衰變時產(chǎn)生的射線激發(fā)熒光材料發(fā)光，再使用光電轉(zhuǎn)換板(太陽能電池板)將熒光轉(zhuǎn)化為電力。這種電池效率較低。

在醫(yī)學領(lǐng)域的應用

在醫(yī)學上,這種體積小重量輕的長壽命的核電池已經(jīng)廣泛應用于心臟起搏器,全世界已經(jīng)有成千上萬的心臟病患者植入了核電池驅(qū)動的心臟起搏器,挽救了他們的生命,使他們能夠重新享受人生的幸福。心臟起搏器的電源體積非常小,比1節(jié)2號電池還小,重量僅100多克,若用放射源為238Pu,150mg即可保證心臟起搏器在體內(nèi)連續(xù)工作10年以上。如換用產(chǎn)生同樣功率的化學電池,要保證同樣的使用壽命,其重量幾乎與成人的體重一樣。核電池保證患者不必再為更換埋在體內(nèi)已經(jīng)不能再工作的化學電池而冒著生命危險,忍受極大痛苦,反復進行開胸手術(shù)。

心臟搏動調(diào)節(jié)裝置人造心臟的放射性同位素動力源用的燃料是钚-238。

航天領(lǐng)域的應用

衛(wèi)星

在太空中邀游的衛(wèi)星，它對電源的要求特別嚴格，既要重量輕、體積小，能經(jīng)受強烈的振動，而且還要求使用壽命長。因此，國外在70年代初期相繼發(fā)射的幾個木星探測器上，都裝有用氧化钚和鉬制做的高性能核電池。后來發(fā)射的火星探測器，也裝有類似的核電池。

衛(wèi)星在氣象衛(wèi)星雨云號上也安裝了放射性同位素電池。這種氣象衛(wèi)星環(huán)繞地球周圍的軌道飛行，可以用來拍攝云圖，或者對大氣層和地球表面的地形進行勘察和調(diào)查。

在探查木星的衛(wèi)星——先驅(qū)號上面裝置了四個30瓦的放射性同位素電池。

1976年，火星的衛(wèi)星飛船“海盜號”在火星表面成功地進行了無人著陸，在這個衛(wèi)星船上也安置了兩個35瓦的放射性同位素電池。

航海、航空導航等領(lǐng)域的應用

水下監(jiān)聽器和海底電纜的中繼站

在深海里，太陽能電池派不上用場，其他如燃料電池和化學電池的使用壽命又太短，因此已將核電池用作水下監(jiān)聽器和海底電纜的中繼站的電源，用來監(jiān)聽敵潛水艇的活動和通訊。

阿波羅飛船

1969年7月21日，人類第一次成功地登上月球，使用的是阿波羅11號飛船。在阿波羅11號飛船上，安裝了兩個放射性同位素裝置，其熱功率為15瓦，用的燃料為钚-238。但是，阿波羅11號上的放射性同位素裝置是供飛船在月面上過夜時取暖用的，也就是說它僅僅用于提供熱源。所以，該裝置又叫做ALRH(Apolo Lunar RI Heater)裝置，意思是阿波羅在月球上用的放射性同位素發(fā)熱器。

但是，在后來發(fā)射的用于探索月面的阿波羅宇宙飛船上，安裝的放射性同位素裝置全部是為了發(fā)電用的。這就是SNAP-27A裝置。它用的燃料是钚-238，設計的電輸出功率為63.5瓦，整個裝置重量為31千克，設計壽命為一年。主要是用于阿波羅月面探查的一系列科學實驗。

在阿波羅12號飛船上首次裝載的放射性同位素電池——SNAP-27A裝置，其壽命遠遠超過設計時考慮的一年，并能連續(xù)供給70瓦以上的電力，完全符合預期的設計要求。由于這一實驗獲得成功.后來在1970年發(fā)射的阿波羅14號以及隨后的阿彼羅15號、16號、17號等飛船上都相繼安裝了SNAP-27A裝置。

美國“好奇號”火星車

“好奇”號重量超過900公斤，是2004年登陸火星的“勇氣”號和“機遇”號重量的約5倍，其著陸過程將首次使用一種被稱作“天空起重機”的輔助設備助降。由于難度高、風險大，美國航天局稱之為“恐怖7分鐘”。

“好奇”號的動力由一臺多任務放射性同位素熱電發(fā)生器提供，其本質(zhì)上是一塊核電池。該系統(tǒng)主要包括兩個組成部分：一個裝填钚-238二氧化物的熱源和一組固體熱電偶，可以將钚-238產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電力。這一系統(tǒng)設計使用壽命為14年，也高于太陽能電池板。該系統(tǒng)足以為“好奇”號同時運轉(zhuǎn)的諸多儀器提供充足能量。

中國“嫦娥三號”月球車

隨“嫦娥三號”登月的我國首輛月球車，也將裝載核動力裝置。這將使我國成為繼美俄之后，第三個將核動力 應用于太空探測的國家。

在微型電動機械中的應用

微型電動機械(MEMS)是一個飛速發(fā)展的領(lǐng)域,從汽車安全氣囊的觸發(fā)感應器到環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的藥品釋放,微型電動機械已經(jīng)應用到了人們的日常生活中,并有希望生產(chǎn)大量不同的具有創(chuàng)新意義的設備。但這些設備受到缺乏隨機電源的限制,正在研究的解決方法包括燃料電池、礦物燃料以及

化學電池都有其局限性,最大的問題就是體積太大。Cornell大學和Wisconsin Madison大學在早期研發(fā)的核電池裝置基本上就是由一小量63Ni放置在一個普通的PN 結(jié)所組成。63Ni所放射出來的粒子把二極管的原子電離,得到分離的空穴和電子對而產(chǎn)生電流。在此基礎上,又研發(fā)了改進的核電池能作為小型機械發(fā)電機的電源。

在電動汽車上的應用

電動汽車是環(huán)保型汽車發(fā)展的一個方向,電動汽車所用的電池多為化學電池,體積龐大,增加了自身的負載,且也同樣存在充電后使用時間短和壽命短的問題。當前,世界上有部分科學家大膽地提出在電動汽車上使用核電池的設想。隨著深海等領(lǐng)域用核電池的成熟,核電池必將在汽車這一能源大戶中得到應用。

因此,可以預計在21世紀科學家們將會在電動汽車上應用一種長期工作不需維修、高效大功率、小體積、低成本的核電池。

研發(fā)國家

美國航天器使用核電池的歷史

從上世紀中葉起，美國在 “先驅(qū)者”10號、11號探測器，“旅行者”1號、2號探測器，木星和土星探測器中，都使用了同位素溫差發(fā)電器作為電源。就是因為采用核電源，美國“旅行者1號”行星探測器，才創(chuàng)造了世界衛(wèi)星遠航史上的輝煌紀錄。它是離地球最遠(飛行約近200億公里)和飛行速度最快的人造衛(wèi)星。它用了36年的時間，飛行到了太陽系的邊緣。

以钚238放射性同位素作熱源的同位素溫差發(fā)電器，曾用于美國“子午儀”號導航衛(wèi)星(低軌道導航衛(wèi)星系列。又稱海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)，英文縮寫為NNSS。主要功用是：為核潛艇和各類海面艦船等提供高精度斷續(xù)的二維定位，用于海上石油勘探和海洋調(diào)查定位、陸地用戶定位和大地測量等。從1960年4月到80年代初共發(fā)射30多顆。美國在1964年4月發(fā)射“子午儀”號導航衛(wèi)星時，因發(fā)射失敗衛(wèi)星所攜帶的放射性同位素源被燒毀，钚238散布在大氣層中并擴散至全球。后來改用特種石墨作同位素源外殼，以防燒毀。)、“林肯”號試驗衛(wèi)星(早在1965年，美國林肯號試驗衛(wèi)星上便使用钚 238放射性同位素作熱源的同位素溫差發(fā)電器)和“雨云”號衛(wèi)星(是美國第二代試驗氣象衛(wèi)星系列。從1964年8月到1978年10月共發(fā)射了7顆。雨云號衛(wèi)星的任務是試驗新的氣象觀測儀器和探測方法。美國在1965年發(fā)射的一顆軍用衛(wèi)星中，用反應堆溫差發(fā)電器作為電源。但由于電源調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障僅工作43天。1968年5月“雨云”號氣象衛(wèi)星發(fā)射失敗時，核電源落入圣巴巴拉海峽，后被打撈上來。)。

第一個放射性同位素電池是在1959年1月16日由美國人制成的，它重1800克，在280天內(nèi)可發(fā)出11.6度電。在此之后，核電池的發(fā)展頗快。

1961年美國發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星“探險者1號”，上面的無線電發(fā)報機就是由核電池供電的。1976年，美國的“海盜1號”、“海盜2號”兩艘宇宙飛船先后在火星上著陸，在短短5個月中得到的火星情況，比以往人類歷史上所積累的全部情況還要多，它們的工作電源也是放射性同位素電池。因為火星表面溫度的晝夜差超過100℃，如此巨大的溫差，一般化學電池是無法工作的。

前蘇聯(lián)航天器使用核電池的情況

另據(jù)了解，前蘇聯(lián)在1967～1982年期間，共發(fā)射了24顆核動力衛(wèi)星，都屬于海洋監(jiān)視衛(wèi)星。衛(wèi)星帶有以濃縮鈾235為燃料的熱離子反應堆，核能功率為5～10千瓦。不過核動力并不是用來驅(qū)動衛(wèi)星，只是利用放射性元素衰變時放出的熱量，通過熱電偶產(chǎn)生電能給衛(wèi)星上的設備供電。這些核動力衛(wèi)星，多在200多公里的低軌道上工作，完成任務后核反應堆艙段與衛(wèi)星體分離，并將小型火箭推到大約1000公里的軌道，可運行600年。

1978年1月24日，蘇聯(lián)“宇宙”954號核動力衛(wèi)星發(fā)生故障，核反應堆艙段未能升高而自然隕落，未燃盡的帶有放射性的衛(wèi)星碎片散落在加拿大境內(nèi)，造成嚴重污染。1983年1月“宇宙”1402號核動力衛(wèi)星發(fā)生類似故障，核反應堆艙段在南大西洋上空再入大氣層時完全燒毀。

隨著后來美蘇太空競賽的冷卻，人類探索深空的腳步放緩。由于在近地軌道，核電池的性價比不及太陽能電池，此外，全球钚238主要產(chǎn)自俄羅斯，燃料來源的局限也拖累了核電池的發(fā)展、應用。

中國在自主研發(fā)的核電池上邁出大步

月球在繞地球公轉(zhuǎn)的同時進行自轉(zhuǎn)，周期27.32166日，正好是一個恒星月，所以我們看不見月球背面。這種現(xiàn)象我們稱“同步自轉(zhuǎn)”，幾乎是衛(wèi)星世界的普遍規(guī)律。由于月球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)都是28天，所以“月球夜”會長達14天(月球日即白晝也有14天)。由于月球晝夜要半個月交替一次，溫差高達300℃，那里是零下150度到180度，太冷了，月球車上的所有的儀器全部要凍壞。普通電池無法應對。所使用的各種高級的蓄電池，什么鋰電池、氫電池，各種各樣的電池對我們來說都沒有用。長時間經(jīng)受極大溫差對我國月球探測器是個極大挑戰(zhàn)。迫使我們一定要想出新的辦法，于是我們國家自己研制了原子能的電池，歐陽自遠院士說，我國的月球車實際上在同時使用太陽能和核能作為能源。黑暗中的月面，溫度驟降到零下100多攝氏度，為防止車載儀器被凍壞，休眠中的月球車就得靠核電池的能量來保溫，并維持與地面的通訊。而一旦新一個白晝來臨，太陽能電池就能重新驅(qū)動月球車工作。

中國第一塊放射性同位素電池于1971年3月12日誕生于中科院上海原子核所，以釙210為燃料，輸出電功率為1.4瓦，熱功率35.5瓦，并進行了模擬太空應用的地面試驗。隨著我國核電站數(shù)量的增加，由乏燃料后處理提取的镎237原料的逐漸積累，為后來開發(fā)钚238電池，提供了物質(zhì)基礎。

據(jù)歐陽自遠院士介紹，近年來，我國在自主研發(fā)的核電池上邁出了大步。我國月球車搭載的核電池，是由中國原子能科學研究院牽頭研發(fā)的。

從中國原子能科學研究院該院官方網(wǎng)站上，可以得知，從2004年開始，該院正式啟動航天用同位素電池的研發(fā);到2006年，研制出我國第一顆钚238同位素電池;2008年通過了專家組的鑒定。這顆電池的研制成功，填補了我國長期以來在該研究領(lǐng)域的空白，標志著我國在核電源系統(tǒng)研究上邁出了重要的一步。

核電池的用武之地不僅僅局限于太空。在高山、深海、南北極乃至人體中到處可以找到它的影蹤。心臟起搏器用的核電池重量僅40克，體積很小，壽命可達十年。病人免除了經(jīng)常做開胸手術(shù)的痛苦。在極地、海島、高山、沙漠、深海等條件惡劣、交通不便的地方都是RTG的大顯身手之地。自動無人氣象站、浮標和燈塔、地震觀察站、飛機導航信標、微波通訊中繼站、海底電纜中繼站等都可以使用免維護、長壽命的RTG供電。

據(jù)原子能院的官網(wǎng)文章介紹，第一顆“國產(chǎn)”同位素電池的各項指標均超過了預期要求，研制全過程安全無誤，功率為百毫瓦級。這將保證中國首次將核能用于航天器。據(jù)悉，為了保證著陸器的能源供應，嫦娥三號就是使用了這種原子能電池(RTG同位素電池)。

我國首次實用核電池將隨“嫦娥三號”軟著陸月球，并用于嫦娥三號的著陸器和月球車上。這種原子能電池可以連續(xù)工作30年。有了它，再不怕月球晚上溫度驟降到零下150度到180度。完全可以確保探測器上儀器不至于被凍壞。為防止車載儀器被凍壞，夜間休眠中的月球車可以靠核電池放出來的熱量保溫。而一旦新一個白晝來臨，太陽能電池就能替代核電池，重新驅(qū)動月球車工作。

對嫦娥三號來說，核電池中的钚金屬塊238它相當于一個熱源。這一熱源對將在月球環(huán)境下生存的嫦娥三號的保溫作用是至關(guān)重要的。其釋放出的熱量及經(jīng)過溫差熱電轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換形成的電流，充分滿足了嫦娥三號的能量需求。它的能力雖不足以讓火箭升空，卻可以用于小規(guī)模供電，支持嫦娥三號所帶月球車低速移動;支持嫦娥三號所帶設備正常工作;支持嫦娥三號與地球之間的通訊。

中國第一個钚-238同位素電池

中國第一個钚-238同位素電池是在中國原子能科學研究院誕生的，同位素電池的研制成功標志著中國在核電源系統(tǒng)研究上邁出了重要的一步。

2004年，原子能院同位素所承擔了“百毫瓦級钚-238同位素電池研制”任務，在兩年時間里要完成總體設計和一系列相關(guān)工藝研究，研制出樣品。

同位素所和協(xié)作單位并按制定的研究方案開展了大量的模擬實驗、示蹤實驗、熱實驗等工作。最終檢測表明電池性能完全達到了技術(shù)指標要求，輻射防護檢測的各項指標均符合國家安全要求。中國第一個钚-238同位素電池誕生了。

小型核電池

雖然在很久之前核電池就已經(jīng)應用在航天領(lǐng)域，但是在因為大小的限制，在地球上核電池的應用還很少。大多數(shù)核電池通過固態(tài)半導體截獲帶電粒子，因為粒子的能量非常高所以半導體隨著時間的推移將受到損傷，為了能讓電池長期使用，核電池被制造的非常大。

中國第一塊放射性同位素電池于1971年3月12日誕生于中科院上海原子核所，以釙210為燃料，輸出電功率為1.4瓦，熱功率35.5瓦，并進行了模擬太空應用的地面試驗。隨著我國核電站數(shù)量的增加，由乏燃料后處理提取镎237原料的逐漸積累，為今后開發(fā)钚238電池提供了物質(zhì)基礎。從2004年開始，中國原子能科學研究院啟動了太空同位素電池的研發(fā)，2006年該院研制出我國第一顆钚238同位素電池。

我國將于2013年發(fā)射“嫦娥三號”探測器在月球進行軟著陸并施放月球車。前不久月球探測工程首席科學家歐陽自遠院士接受媒體采訪時透露，中國月球車將配備核電池來幫助月球車進行“冬眠”，等到太陽再次在月面上升起時，電池自動重啟，月球車開始進入工作狀態(tài)，這樣的核電池可持續(xù)工作30年。

目的：為微型機電系統(tǒng)或者納米級機電系統(tǒng)找到合適的能量來源。