航天領(lǐng)域的應(yīng)用

宇宙航行對(duì)電源的要求非常高,除了功率必須滿足要求外,不僅要求體積小、重量輕和壽命長(zhǎng),還要能經(jīng)受宇航中各種苛刻條件的考驗(yàn)。太陽(yáng)能電池廣泛應(yīng)用在人造地球衛(wèi)星上,但是當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)離太陽(yáng)的深空航行時(shí),太陽(yáng)能電池就顯得力不從心,除了因光線太弱導(dǎo)致能量不足外,還有可能因受到強(qiáng)烈的宇宙射線的照射而使能量轉(zhuǎn)換元件失效。而核電池可以滿足各種航天器對(duì)電源的長(zhǎng)期、安全、可靠供電的要求,被航天界普遍看好并廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì),美國(guó)發(fā)射的地球衛(wèi)星、登月飛船、空間探測(cè)器都使用核電池作為動(dòng)力,且多為溫差式核電池。例如,1961年發(fā)射的“探險(xiǎn)者1號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星,使用核電池作電源,到了1972年還能清晰地接收到它發(fā)出的訊號(hào)。1969年7月21日,美國(guó)宇航員乘阿波羅11號(hào)飛船成功登上月球。在阿波羅11號(hào)飛船上,安裝了兩個(gè)放射性同位素裝置,其熱功率為15 W，用的燃料為238Pu。在月球嚴(yán)酷的自然環(huán)境下,同位素電池仍能正常穩(wěn)定工作。后來(lái)發(fā)射的阿波羅12,14,15,16 及17 號(hào)相繼安裝了SNAP-27A 核電池,它用的燃料也是238Pu,設(shè)計(jì)輸出功率為63.5W,整個(gè)裝置重量為31kg,設(shè)計(jì)壽命為1年,但實(shí)際上,其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)的1年,并能連續(xù)供給70W 以上的電力。

1997年10月“卡西尼號(hào)宇宙飛船沿著金星--地球-木星的借力飛行路線于2001年5月18日正式進(jìn)入土星系,并獲得了清晰的土衛(wèi)九照片。它的核電池所用核材料為238PuO2陶瓷壓塊,可提供750W 的總功率,到探測(cè)器11年的飛行任務(wù)結(jié)束時(shí)仍能發(fā)出628W 的電力。

隨著人類航天活動(dòng)的日益拓展,必然對(duì)空間電源提出新的需求,同位素電池成為航天技術(shù)進(jìn)步的更重要工具。

航海、航空導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用

處于深海、遠(yuǎn)海、急流險(xiǎn)灘處的燈塔和導(dǎo)航浮標(biāo)等需要的能源必須保證壽命長(zhǎng),通常的太陽(yáng)能電池、燃料電池和其他化學(xué)電池很難勝任,而采用核電池,能保證光源幾十年內(nèi)不換電池,不用為經(jīng)常更換電池和維修發(fā)電機(jī)而煩惱。

軍事上,還將核電池用作水下監(jiān)聽器的電源,用來(lái)監(jiān)聽敵方潛水艇的活動(dòng)。它的工作時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)十幾年,而且可以長(zhǎng)期不用人去看管和維修。它們就像機(jī)智勇敢的偵察兵,十幾年如一日地在水下執(zhí)行著警戒任務(wù)。還有一些海底設(shè)施,如海下聲納、各種海下科學(xué)儀器與軍事設(shè)施、海底油井閥門的開關(guān)和海底電纜中繼器等,所用核電池既能耐5—6km 深海的高壓,安全可靠地工作,花費(fèi)成本又少,令人十分稱心。

地面上有許多終年積雪凍冰的高山地區(qū)、遙遠(yuǎn)荒涼的孤島、荒無(wú)人煙的沙漠,還有南極、北極等,也需要建立氣象站和導(dǎo)航站。如果用其它電源,更換和維修是極其困難的。若用核電池,可以建成自動(dòng)氣象站或自動(dòng)導(dǎo)航站,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄和自動(dòng)控制,常年無(wú)須更換和維修電源。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

在醫(yī)學(xué)上,這種體積小重量輕的長(zhǎng)壽命的核電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于心臟起搏器,全世界已經(jīng)有成千上萬(wàn)的心臟病患者植入了核電池驅(qū)動(dòng)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(hào)電池還小,重量?jī)H100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(xué)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(xué)電池而冒著生命危險(xiǎn),忍受極大痛苦,反復(fù)進(jìn)行開胸手術(shù)。

放射性同位素心臟起搏器于上世紀(jì)70 年代初開始應(yīng)用，最早使用的是法國(guó)和美國(guó)。法國(guó)用于放射性同位素心臟起搏器[6]的電池為碲化鉍半導(dǎo)體型，燃料為238Pu 二元合金，輸出功率700 μW，外形尺寸Φ2.3 cm×5 cm，重40 g。美國(guó)使用金屬熱電偶型電池的心臟起博器[6]，燃料為金屬238Pu，輸出功率230 μW，形尺寸Φ1.7 cm×4.5 cm。放射性同位素電池還能用作人工心臟、人工肺臟、人工腎臟、心臟輔助裝置、神經(jīng)模擬器、人工血壓調(diào)節(jié)器、括約肌刺激器等的電源。

在微型電動(dòng)機(jī)械中的應(yīng)用

微型電動(dòng)機(jī)械(MEMS)是一個(gè)飛速發(fā)展的領(lǐng)域,從汽車安全氣囊的觸發(fā)感應(yīng)器到環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的藥品釋放,微型電動(dòng)機(jī)械已經(jīng)應(yīng)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(shè)備。但這些設(shè)備受到缺乏隨機(jī)電源的限制,目前正在研究的解決方法包括燃料電池、礦物燃料以及化學(xué)電池都有其局限性,最大的問(wèn)題就是體積太大。

Cornell大學(xué)和Wisconsin Madison大學(xué)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(gè)普通的PN 結(jié)所組成。63Ni所放射出來(lái)的粒子把二極管的原子電離,得到分離的空穴和電子對(duì)而產(chǎn)生電流。在此基礎(chǔ)上,又研發(fā)了改進(jìn)的核電池能作為小型機(jī)械發(fā)電機(jī)的電源。

在手機(jī)等電子產(chǎn)品上的應(yīng)用

微型核電池雖然只有鈕扣般大小,主要成分是235U,但卻擁有在手機(jī)第一次使用后能夠連續(xù)提供1年以上待機(jī)時(shí)間的電量,從而使廠商節(jié)省了生產(chǎn)充電器的成本。另外,在手機(jī)中,射頻濾波器占用了相當(dāng)多空間,且這些微型電動(dòng)機(jī)械濾波器需要相對(duì)較高的直流電壓。一個(gè)微型核電池可以用以產(chǎn)生10—100V的電壓,直接對(duì)濾波器進(jìn)行有效的供電。

雖然還存在技術(shù)、成本和安全等方面的問(wèn)題,但可以預(yù)見(jiàn),等這些問(wèn)題得到有效解決,微型核電池很有希望安裝在各種手提設(shè)備上。