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同位素电池让嫦娥四号晚上也能正常工作

发布时间:2019/4/12 14:27:29 关键词: 电池 应用

摘 要 嫦娥四号除了太阳能板之外,还带了一块“核电池”,可以在夜晚的时候也可以开展一些科研观测,而不必像三号那样一到晚上就得睡觉。

嫦娥四号月球探测器已成功软着陆。这是全人类成功登陆月球背面。嫦娥四号此次着陆在在崎岖的极区,这意味着嫦娥三号相比于以往的号更难以获得光照,观测环境,尤其是夜间环境会更冷,为了不让探测器因为失温而坏掉,嫦娥四号也更注意保温。

因此,嫦娥四号除了太阳能板之外,还带了一块“核电池”,可以在夜晚的时候也可以开展一些科研观测,而不必像三号那样一到晚上就得睡觉。

一说到核电,很多人会自然想到核电站,实际上核电池与核电站的关系就是都运用了核技术,但是它们的原理是截然不同的。

核电站是利用核裂变产生的热量,将水变为水蒸气推动汽轮机发电。核电站的发电过程与普通火力电站的区别就是一个是用核能产生热,一个是烧煤产生热。而核电池,是使用同位素自然衰变产生的热量,通过温差热电效应,转化为电能。

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。

核电池让嫦娥四号晚上也能正常工作 

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。

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;然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。
按能量转换机制,核电池一般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。
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— 1 V 左右)两类。高电压型核电池以含有β射线源(锶-90或氚)的物质制成发射极,周围用涂有薄碳层的镍制成收集电极,中间是真空或固体介质。低电压型核电池又分为温差电堆型、气体电离型和荧光-光电型三种结构。
“好奇”号的动力由一台多任务放射性同位素热电发生器提供,其本质上是一块核电池。该系统主要包括两个组成部分:一个装填钚-238二氧化物的热源和一组固体热电偶,可以将钚-238产生的热能转化为电力。这一系统设计使用寿命为14年,也高于太阳能电池板。该系统足以为“好奇”号同时运转的诸多仪器提供充足能量。

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。

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。

直接充电式核电池的两个电极都选用金属,发射电子的一端为正极,接收电子的一端为负极。康奈尔大学科学家利用铜板和同位素63Ni板作为新型电池,在衰变时63Ni会释放β粒子,失去电子获得正电荷,铜板接收β粒子带负电;外接负载构成回路时,镍铜电池便会开始工作,源源不断地产生电流,为负载提供电能。63Ni半衰期达100a,按半衰期来算,该电池至少工作50a。

气体电离式核电池的能量转换靠溢出功有差异的材料实现,一般高溢出功的材料有铂、氧化铅、钼和金等;低溢出功的材料有镁和铝等;放射性气体电介质通常为氚或85Kr。若用二氧化铅(高逸出功)和镁(低逸出功)作为电极,开路电压可达1。5V 左右。

荧光体光电式核电池、热致光电式核电池和温差式核电池的发展都与半导体技术密切相关。随着半导体材料制造技术的提高,使得这些电池的实际应用成为可能。

宇宙航行对电源的要求非常高,除了功率满足要求外,不仅要求体积小、重量轻和寿命长,还要能经受宇航中各种苛刻条件的考验。太阳能电池广泛应用在人造地球卫星上,但是当进行远离太阳的深空航行时,太阳能电池就显得力不从心,除了因光线太弱导致能量不足外,还有可能因受到强烈的宇宙射线的照射而使能量转换元件失效。而核电池可以满足各种航天器对电源的长期、可靠供电的要求,被航天界普遍看好并广泛应用。

处于深海、远海、急流险滩处的灯塔和导航浮标等需要的能源保证寿命长,通常的太阳能电池、燃料电池和其他化学电池很难胜任,而采用核电池,能保证光源几十年内不换电池,不用为经常更换电池和维修发电机而烦恼。

地面上有许多终年积雪冻冰的高山地区、遥远荒凉的孤岛、荒无人烟的沙漠,还有南极、北极等,也需要建立气象站和导航站。如果用其它电源,更换和维修是极其困难的。若用核电池,可以建成自动气象站或自动导航站,实现自动记录和自动控制,常年无须更换和维修电源。

另一个主要挑战是:如何使放射性同位素电源价格低廉,而且易于与电子器件集成。例如,在我们的实验系统中,曾使用了1毫居里的镍-63,其成本为25美元,这对于大规模生产的电子设备来说太昂贵了。可能的比较便宜的替代物是同位素氚,它是某些核反应堆工作时大量产生的副产品。就一个核微型电池所需要氚的量来说,也许只需花费几美分。一旦克服了上述挑战,核微型电池将很快应用在手机和PDA等手持设备中。就像前面提到的那样,核电池还可以为传统电池供电。
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