放射性同位素电池及其应用

段欢次洲次欢旅滚冲欢欢旅滚欢浓欢欢演欢旅浓浪欢策夕浪冲滩 舜 、 ‘ 、 、 , 、 、 、 、 ‘ 尧 毯物理 学 和 经济 建设 丝 舜 舜 创砚欢欢次获欢斌砚斌次次砚欢欢斌次斌欢成欢欢欢成欢次欢衬 放 射 性 同 位 素 电 池 及 其 应 用 梁 代 葬 沈 关 涛 中国科学院上海原子核研究所 引 言 就 目前所知 , 干电池 、蓄电池和燃料电池的 使用寿命只有几小时至几十天 , 因而仅能限于 短期应用 对于长期任务 , 必须配备重量可观 的电池或经常定期更换 这对于一般场合是容 易办到的 , 但对人们难于经常到达的严重缺氧 的高山 、严寒的极区 、远海孤岛及数千米深的海 下 , 那就很难办到了 , 对于长期的空间航行更无 此可能性 太阳能电池的使用寿命较长 , 但仅 适用于阳光充足的地区 , 在海下和远外空间等 没有阳光或阳光极弱的地方 , 就无能为力了 月 球上的漫长黑夜 一个 “ 月夜” 相当于十四个地 球昼夜 及强烈的太阳风 、宇宙辐射和宇宙微尘 的作用 , 将影响太阳能电池的性能和使用寿命 为了适应各种特殊场合对能源的要求 , 促使人 们研制一种尽可能不受外界环境影响的长寿命 电池 放射性同位素电池就是在这种情况下应 运而生 , 这是近十多年来出现的一种新型的长 寿命电池 此外 , 放射性同位素电池也是大规模利用 原子能工业“ 废物气裂变产物 , 化害为利 、变废 为宝的重要途径 , 也是原子能综合利用的一个 重要方面 这两类电池的区别在于 , 前者需要一个换 能装置 即所谓“ 引擎” 把热能转换成电能 , 后 者则是将放射性同位素衰变时出射的高速带电 粒子的动能直接转换成电能 , 或使射线经过某 种次级效应而转变成电能 一般仅把非热转换 型放射性同位素电池称为核电池 放射性同位素电池的分类 静态型 动态型 热引擎型 了‘ ⋯ 放射性同 位素电池 戴霎擎戛鬓纂履默望池 布雷顿循环系统 兰金循环系统 斯特林循环系统 非热转换型 核电池 与其他电池相比 , 初级核电池 次级核电池 三级核电池 放射性同位素电池具有 二 、 放射性同位素电池的种类与特点 放射性同位素电池的种类很多 , 按工作原 理可分为热引擎型和非热 转 换 型 两 类 见 表 许多优点 寿命长 这主要取决于所用放 射性同位素半衰期的长短和半导体换能元件的 长期工作稳定性 , 目前 , 该种电池的使用寿命可 达 一 年 对环境适应性强 能承受较 强的辐射照射 , 不怕微粒轰击 能承受火箭发射 和返回大气层时的冲击 、加速 、振动及各种可能 发生事故时的热冲击 、机械冲击 能承受较高的 海水静压力 , 海水腐蚀 不依赖阳光等 工 作可靠 不需维护 , 结构紧凑 、体积小 、 重量轻 这对于空间和医学应用特别合适 例 如 , 第一台正式应用于空间的放射性同位素电 池 , 形状接近球体 , 直径约 , 高约 , 重约 , 但它所提供的电力却等于一台 重 左右的镍一铜电池所提供的电力 又 物理 例如 , 正式应用于埋植式心脏起搏器的放射性 同位素电池 , 重量仅 , 长约 , 直径约 核电池就更小了 , 有的只有纽扣般大小 由 于具有上述这些特点 , 因而放射性同位素电池 具有特殊的用途 三 、 放射性同位素电池的基本结构 不同种类 , 不同用途的放射性同位素电池 的结构是各不相同的 , 现以热电型放射性同位 素电池为例 , 简单介绍一下它的基本结构 图 为该种电池的结构示意图 、 它共包括六个部 放射性同位 〕〕八 、、〕〔〔 亡亡 凡凡仁仁 陌陌陌 目目「「「 一 刁刁刁刁刁刁刁刁 厂一门门门才才才才才才才才才才才才才才才才才才才「「「一 一 「甲一门门门 一 门门门门门门门 尸自侧侧 「「「「「一 巨刃 〕〕〕「一一一厂厂厂一 门门门门门门门门 一州州州 素热原 半导休 换能器 绝热材料 外完 包括 辐射屏蔽 圈 热电型放射性同位萦电池结构示惫图 分 放射性同位素热源 、半导体换能器 、绝热材 料 、外壳一散热器 、辐射屏蔽与安全防护 、电压变 换和功率调节 热源是放射性同位素电池 的 主 要 部 件 之 一 它是决定电池的性能 、 结构特点和成本的 关键 它由放射性同位素燃料和燃料盒两部分 组成 放射性同位素燃料是电池的能量来源 为获得高性能的电池 , 要求作燃料用的放射性 同位素有一定的功率密度 比功率 。 、 半衰期长 、毒性小 、有害杂质少 、有良好的物理 、 化学性能和加工性能 、与燃料盒适应性好等 因 此 , 虽然已知的放射性同位素有 多种 , 但 可用作电池燃料 的 只 有 ” , ‘, , “ , , ‘”枷 , ,‘, , 之‘ , ’‘, , ’“ 等 来种 , 其中用得最 多的是 ’。 和 翔 燃料盒的主要任务是可靠 地密封燃料 , 确保安全 一个中等功率水平 几 十瓦 的电池所包含的同位素有几十万居里 , 决 不允许放射性物质向周围环境扩散 , 这就要求 燃料盒在电池的安装 、试验 、 使用 、 运输以及各 种事故环境中完整无损 尤其在空间应用 , 燃 料盒必须能经受得住重返大气层时极为强烈的 热冲击和机械冲击 , 能够克服空气动力加热等 作用而完整地返回地面 半导体换能器是另一个主要部件 , 它的主 要作用是将放射性同位素热源发出的热能转变 为电能 , 对换能器的主要要求是转换效率高和 长期工作的稳定性 目前常用的换能材料有三 种 啼化铅 、 啼化秘和硅一锗合金 , 它们分别为 中温 、低温 、高温材料 每种材料均有各自的最 佳工作温度范围 为了提高换能效率 , 常常几 种材料联合使用 串联或级联 此外 , 在制造 换能器的过程中 , 还要解决许多工艺问题 , 例如 与电极的焊接间题 , 如何降低热阻等 绝热材料的主要作用是减少漏热 , 保证热 源中的大部分热量从换能元件中通过 目前 , 使 用较多的一种绝热材料是微孔绝热材料 , 它主 要由二氧化硅 、玻璃纤维和少量遮光剂组成 , 其 热导率低于空气的热导率 , 绝热性能良好 外 壳一散热器有双重作用 , 一是保护电池本身 , 二 是散热 中等功率以上的电池 , 除水下应用外 , 大多采用带散热翅的外壳 电池的安全防护有 两个方面 , 一是防止放射性物质散布和污染 , 二 是设计适当厚度的屏蔽层 , 使射线的强度减弱 到允许的安全 , 从而保证电池附近的仪器 及工作人员能够安全正常地工作 电池的核安 全问题已能很好地解决 , 自正式应用以来 , 还未 出现过安全事故 电池的输出大都是低电压大 电流 , 而用电设备要求的电压往往较高 , 有的还 要求多路供电 , 因而需要进行电压变换 , 使与所 用设备相匹配 功率调节装置有两个功能 , 一是 保护电池本身 , 二起“ 功率调坪 ”作用 , 使电池在 整个运行过程中 , 保持平稳的工作状态 , 不受热 源衰变的影响 此外 , 电池还有一些其它零部 卷 期 件 四 、 热电型放射性同位素电池 的工作原理 不同种类的放射性同位素电池的工作原理 是不同的 , 对于热电型放射性同位素电池 , 它的 热电流程图如图 所示 放射性同位素热源发 放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放放射射射射 始始始 抓抓抓 绝热材料与 辐辐辐 外外 性性性性 料料料 盒盒盒 支摊结构构构 贫贫贫 壳壳同同同同同同同同同同同同同同同同 蔽蔽蔽 · 敌敌 位位位位位位位位位位位位位位位位位位 热热 萦萦萦萦萦萦萦萦 热电换能器器器器器 粉粉 热热热热热热热热热热热热热热热热热热热热热热热热热 裸裸裸 电电压变换与与 功功 调坪软 ,, 图 半导体换能器工作原理示意图 图 热电型放射性同位素电池的热电流程图 出的热量 总 , 大部分通过换能器 动 , 还 有小部分不可避免地通过绝热材料和支撑结构 漏掉了 , 通过换能器的热盆 。 只有一 小部分被转换成电能 , 提供负载使用 , 其余热量 与 一起 最终通过外壳一散热器向周围环境 排出 热电型放射性同位素电池是以温差电现象 如塞贝克效应 、 拍尔帖效应和汤姆孙效应等 的理论为基础 , 根据温差发电的原理制成的 热 源中的放射性同位素不断衰变放射出射线 “ , 夕, 了 , 这些射线通过物质时与物质发生相互作 用 , 最终被阻止和吸收 , 射线的动能就转变为热 能 , 使与其相互作用的物质 如源盒 的温度升 高 通过绝热材料的作用 , 在换能器的两端建 立起几百度的温差 , 并由半导体换能器把这种 热能转变为电能 半导体换能器的工作原理示 意图见图 换能器的基本单元由一个 型和 一个 型元件组成 , 称为温差电偶 一个电池 的换能器 由多对温差电偶组成 热电型电池半导体换能器能最转换的基本 原理如下 型半导体是掺人施主杂质的半导 体 , 施主杂质易释放电子 , 可使半导体内产生很 多自由电子 当这种半导体一端加热时 , 自由 电子从热端扩散到冷端 , 使冷端积累电子而带 负电 , 相应的热端带正电 型半导体是掺人 受主杂质的半导体 , 当它被加热时 , 使半导体中 的电子摆脱原子的束缚而变为自由状态 , 这些 电子很容易被受主杂质俘获 , 而使半导体呈“ 空 穴邵型 因此 , 当它的一端被加热时 , “空穴 , 由 热端扩散到冷端 , 使冷端带正电而热端带负电 这样 , 一 型温差电偶两端的电压 , 就等于这 两种半异体元件所产生的电位差之和 为使电 池获得比较高的电压 , 可将若干对热电偶串联 起来 将电偶与外负载接通 , 便可对负载供电 五 、 放射性同位素电池的性能 放射性同位素电池的总体性能参数包括 效率 、输出电功率 、输出电压 、 工作寿命 、 重量 、 体积 、 成本和可靠性等等 人们是根据这些参 数来评价一个电池的 电池的总效率定义为 刃总 电池输出的电功率 放射性同位素热源的热功率 刃 刃热电 刃幼构 ’ 刀女侧 , 式中 瓶电 , 刃。 , 刃 , 。 分别代表换能器的热电转 换效率 、 电池的结构效率和电压变换与功率调 节装置的效率 效率的精确表达式和严格计算 比较麻烦 , 实际计算可以简化 在满足几何条 件和电阻最佳化的理想条件下 , 表达式为 物理 刃 , 电 最大 刃卡。 · 刃材。 最大 几 一 。 十 二 、 一 。 一 名 , , , 尸 — 戈才 一 少 。 射率 , “ 为斯蒂芬一玻耳兹受常数 , , 为辐射 表面温度 , 为从外部能源吸收的辐射热 勺 在地面应用时 , 电池外壳散热器 传热不仅 靠辐射 , 而且还有对流 , 其关系为 , 能 十 口 , 人 ‘ △ 人 △ , 式 中 五。 , 汤, 分别为对流热传导系数和辐射热传 导系数 · , 。 , 分别为外壳的自 然对流传导面积和辐射热传导面积 今, △ 一 , 为外壳表面温度 , , 为周 围环境温度 海下应用时 , 要用相应的其他公 式计算 电池漏走的热量 , 燃料盒的温度及元 件尺寸等 , 要根据具体结构而定 电池各个性 能参数的相对重要性 , 随电池的用途不同而有 所变化 , 在设计计算时要针对具体情况进行综 合考虑 苦 一了了丫 刃。 总 一 总 , 刃, 一 。 , 这里 , 刃卡。 , 刀材料 分别称为卡诺效率和半导休换 能材料的换能效率 , 丁 , 。 分别为 换 能 器 的 高 、 低温端的温度 , 为换能材料的灵敏 值 , 。 为换能器输出的电功率 , 为电池输出 的电功率 在进行近似计算时 , 的表达式为 · 。。 。 了瓦夏二 斌石忑 一, , 式中 。 , 。 分别为 型和 型元件的 塞 贝 克 系数 户 , 。 , 为相应 元 件 的 电 阻 率 · 。 凡 , 为相应元件的热 导 率 · 上式各值分别取使用温度范 围 即 了、 一 的相应积分平均值 电池的输出功率和输出电压 , 主要按用户 的要求进行设计 在理想条件下 , 电池的最大 输出功率和负载电压为 一大 。 。。 一 ’ 外 六 、 放射性同位素电池的应用 一 二梦乍又 十 。 、 一 助 又似 十 少 上两式中 , 为换能元件的对数 即热电偶的个 数 , 外 为电池的负载电阻 , 由下式求 得 一 外 , 一 了 十 、 十 乏, 其中 内 为电池的内阻 , 相应最大输出功 率的最佳电流为 。 一 , 一 , 。 一 。 刀内 上述计算都是对换能元件采用单段材料而 言 , 若采用分段结构 , 表达式将更为复杂些 如果电池用于空间 , 则电池外壳靠辐射传 热 , 外壳表面积与表面温度之间的关系为 订 , 〔刃盯 一 , , 轰一 宁 才 , 式中 , 为电池的净功率输出 , 为电 池外壳的辐射表面积 今, 。 为辐射表面热辐 放射性同位素电池的研制开始于五十年代 中期 , 到六十年代初 , 就先后在海 、陆 、空间和医 学等领域取得了实际应用 目前正式应用的电 池都为热电型放射性同位素电池 其他各类电 池的研制也取得了相当大的进展 , 有的处于研 制试验阶段 , 有的已接近实用水平 , 将在八十年 代投人使用 下面简略介绍一下热电型放射性 同位素电池在海洋 、地面 、空间和生物医药四个 方面的应用情况 空间应用 空间应用主要是三个领域 某些具有特殊 使命的地球卫星 , 月面科学考察站 , 外层空间飞 行与探索 空间能源是宇宙航行迫切 需要 解 决 的 问 题 , 而且对能源的要求非常高 , 除要求功率高 、 寿命长 、体积小 、重 轻外 , 还要求可作性好 , 能 适应火箭动力学环境和严峻的宇宙环境 用于 人造地球卫星的电源有化学电池 、燃料电池 、太 阳能电池和放射性同位素电池等 前两种只适 用于短期工作 在地球轨道上 , 阳光充足 , 太阳 卷 期 能电池已发展成为人造地球卫星的主要电源 然而 , 某些具有特殊使命的卫星常借助于同位 素电池供电 六十年代初期 , 美国先后发射五颗 “ 子午仪 ”导航卫星 , 以解决 “ 北极星 , 核潜艇的 精确定位 年 月又发射了这类 卫 星 的 改进型 , 放射性同位素电池是作为主要能源使 用的 其中 年 月首次在空间应用的同 位素电池运行了十多年 , 大大超过原来的设计 寿命 年和 年又有两颗军用气象卫 星发射到空间 , 它们各携带了两台同位素电池 作为太阳能电源的辅助电源 此外 , 美国国防部 于 年发射了两颗通讯卫星 , 每颗卫星由两 台百瓦级同位素电池供电 , 共输出 电能 在月球表面上 , 漫长的月夜 , 十分悬殊的温 差 、经常受到陨石袭击和强烈的太阳辐射 , 没有 空气和水 , 缺乏人类生存的必要条件 在这样 恶劣环境中 , 用放射性同位素电池作为月面考 察站的电源是比较理 想 的 一 年期 间 , 共有五台放射性同位素电池 , 分别由 “ 阿波 罗‘ , , , , , 号的宇 航 员 带 上 月 球 , 它们昼夜为月震仪 、 磁强仪 、 热流计 、 重力 计 、 大气成分分析仪和太阳风测定仪等多种仪 器提供动力 试验表明 , 电池工作情况良好 , 而 且巳大大超出原设计的一年使用寿命 当宇宙飞船在太阳系向外 层 深 空 间 飞 行 时 , 由于飞行时间长 以年计 , 且太阳光通量随 之急剧下降 , 在这样的恶劣环境下 , 同位素电池 能很好地满足这种特殊任务的要求 为了探索 木星的奥秘 , 年和 年先后发射了“ 先 驱者 , 号 , 号木星探测器 , 每个探测器均配 备了四台高性能的放射性同位素电池 , 合计能 提供 的电功率 此外还配备有 个 的放射性同位素加热装置 年各 携 带 两 台同位素电池 各共 的 “ 海盗 ” 号 , 号 火星探测器踏上了八亿多公里的旅程 , 于 年成功地实现了火星软着陆 , 进行各种科学考 察 , 并将各种资料和照片等发回地球 年 美国航空和航夭局又发射了 “ 旅行者” 号和 号宇宙飞船 , 去执行木星和土星的飞行使命 , 其中“旅行者” 号 , 于 年 月越 过 木 星 , 年 月接近土星 , 预计 年抵达天 王 星 , 年 月越过冥王星轨道 飞船上载了 三台百瓦级同位素电池 , 共发出 电功率 。 海下应用 在水下 , 没有阳光 , 无法应用太阳能电池 , 其他各种电池 , 也因寿命短等缺点 , 不完全适 用 而放射性同位素电池却是一种比较理想的 水下电源 在海下应用需要解决耐压和耐海水 腐蚀问题 目前 , 国际上已有几十台同位素电 池投人海洋应用 , 估计今后将增加到几百台 同 位素电池在海下的应用是多方面的 , 主要作为 海下声纳 、信标 、水下监听器 、海底电缆中继站 、 通讯增音器 、深海应答器 、 海潮报警器 、 海底实 验室以及各种海洋仪器的电源 美国海军于七 十年代中期开始研究一种用于海底监察系统中 使用的半瓦级的放射性同位素电池 , 设计寿命 年 , 年已搞出样机 , 研究试验工作仍在 进行 地面和海面的应用 放射性同位素电池在地面和海面上主要用 于其他能源难以发挥作用的场合 , 例如南极 、北 极 、远海孤岛 、高山 、沙漠等条件恶劣 、人迹不易 到达的地方 地面和海面上应用的电池 , 人接 触的机会相对多一些 , 因而需要很好的辐射屏 蔽 许多国家都在进行这方面应用的电池的研 制工作 , 并于六十年代初起 , 相继正式投人应 用 它们主要用作自动无人气象站 包括南极 、 北极 、高山 、海洋浮漂气象站 、 浮标和灯塔 、 地 震观察站 、 飞机导航雷达信标 、 微波通讯中继 站 、 核武器控制系统以及钟表等的电源 美国 海军比较重视发展水下及地面用的放射性同位 素电池 , 单美国目前至少有几十个各种型号的 电池投人海面和地面应用 , 夕 年相继把多合 同位素电池用于海洋信标 、南极气象站等方面 。 医学应用 微瓦级 、 毫瓦级的微型放射性同位素电池 可供生物医学上使用 , 放射性同位素心脏起搏 器就是一个突 出 例 子 年 斗 月法国巴黎 布鲁塞医院首次将放射性同位素心脏起搏器植 人人体获得成功 这种起搏器所用的同位素电 物理 池 , 以 ’ 为燃料 , 输出电功率为 拼 , 寿 命至少可达十年 它的体积很小 , 为一个直径 、 高 圆柱体 , 其横截面相当于伍分硬 币的大小 , 重 美国于 年 月也把同 位素心脏起搏器植人人体 该起搏器所用的电 池外形尺寸为 价 这种起搏器适 用于房室传导阻滞和房颤伴有室率缓慢的心脏 病患者 , 它的功能是当患者心率低于 次 分 时 , 给予一定的电脉冲刺激 , 增强心胜的搏动能 力 , 使患者的心率维持在 次 分 据最近一个 资料的不完全统计 , 巳有 个放射性同位素 心脏起搏器植人人体 , 其中只有四例失败 , 个 现仍在安全地运转 , 失败率小于 巧 多 年美国已研制成功植人 式 的 放 射 性 同位素隔神经模拟器 , 并取得了专利 它是由 放射性同位素电池 俨 为燃料 、 电脉 冲 发 生器和调制器等组成 , 是一种借助于同位素电 池产生的电能来刺激一根或多根隔神经 , 以达 到控制哺乳动物呼吸速率的装置 它的直径为 , 厚 , 重约 , 电能输出约 一 此外 , 放射性同位素电池在医学上还可 作为括约肌刺激器 、 人工血压调节器 、 人工心 脏 、 人工肺脏 、 人工肾脏等人造胜器的电源 , 并 且人工心脏已开始在牛 、羊等动物身上做试验 池 , 该类电池已比较成熟 , 并在海洋 、陆地 , 空间 和生物医学上获得广泛的应用 , 在那些其他电 池难以发挥作用的领域更能显 示 出它 的 优 越 性 目前 , 该类型电池仍在继续发展 , 新的发展 主要在两个方面 采用先进的同位素分离 和燃料生产工艺 , 研制新的热电材料 —硒材料 , 从而使电池的效率提高 , 成本降低 、 性能 大为改善 预计到八十年代初中期 , 效率可从原 来的 , 一 务提高到 一 多 燃料成本将从 百万美元降到 。 百万美元 电池的成本将 从 万美元 降到 千美元 电池 的比功率可从 , 提高到 。 其他类型的放射性同位素电池也取得了可 喜的进展 年有一台兰金循环系统开始投 人运行 , 以 为燃料 , 输出 , 效率 为 。务 , 重 左右 八十年代 , 布雷顿循 环系统 、斯特林系统都将投人运行 , 输出效率为 千瓦级 预计反应堆空间能源将在 一 年投人运行 , 输出功率约 一 , 中科院上海原子 核 所 于 年首次成功 地安装了一台放射性同位素电池 , 以 ’ 为燃 料 , 输出功率为 , 效率达 多 预料 这种新型电源将随着原子能事业和科学技术的 发展而不断完善 , 应用范围将不断扩大 七 、 结 束 语 。 。 参 考 文 献 , 日 么 , , 二十多年来的研究和应用表明 , 热电型放 射性同位素电池是一种十分可 靠 的 长 寿 命 电 , 一 , , 斗 梁代脚 、斯厚智、 杜光天 、 沈关涛 , 放射性同位素电池 , 原子能出版社 , 上接第 页 常会发现一些过去从未了解的 、有趣的新性能 ,’ 某些材料科学家对此仍持保留态度 哈佛大学应 用物理学家 , 飞 ’ 认为 , 如果结果属实 , 钱 的结果将是非常重要的 但是他担心这种铁银合金的 均匀性究竟如何 , 他说 “也许是均匀的 , 但在没有进 一步证实其在原子尺度上也 是按 , 。 。均匀混合 的 话 , 我将难以信月’’ 然而钱坚持认为这种合金至少在 百分之二的误差范围内是混合得均匀的 钱的工作是第一次制备出那些根本不存在相应晶 态合金的元素系统的金属玻璃 这种非晶态铁银合金 是亚稳态 , 在 , ℃以上 , 合金中的铁和银开始彼此分 离 , 并分别晶化 既然铁和银彼此互不相容 , 那么在这种新的金属 玻璃中是什么力能将这些原子结合在一起呢 钱认为 铁原子间很强的内聚力就是其根源 , 而银原子只是简 单地被捕陷于其间 他指出 , 铁银合金的成功将排斥 了非晶固体中的微晶理论 , 因为这种理论认为金属玻 璃的存在是与相应晶态的存在密切相关的 。 赵见高自 年第 斗卷第 期 卷 期