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“核电池”真的续航一万年从它的工作原理你可以了解真相


文章作者:www.zx8.org.cn 发布时间:2019-11-02 点击:550



许多人认为“核电池”是一件神奇的事情。一方面,它是由核能驱动的,而且看起来很高;另一方面,有人声称这种电池可以使用“ 10,000年”,并且似乎使用了核电池。力量是无穷无尽的。真的是这样吗?

核电池确实具有放射性

“核电池”被称为“放射性同位素热电发生器”,英文名称为“ radioisotope thermoelectric generator”,因此缩写为“ RTG”。从这个名字我们可以粗略地了解到所谓的“核电池”实际上是一种在衰变过程中利用放射性同位素产生热能,然后利用热能发电的设备。实际上,这与我们传统的核能发电有两点不同。

大多数RTG都需要放射性元素锶。众所周知,蟑螂是一种非常危险的物质,许多原子弹都是由蟑螂制成的。原子弹大致分为铀弹和弹药。它们比铀更强大。通常,铀弹的核弹荷为15至25公斤,引爆仅需5至10公斤。美国使用铀炸弹炸毁广岛,使用炸弹炸毁长崎。

左侧的广岛铀弹,右侧的长崎上空的蘑菇云

在核电池中使用最好的不是原子弹。原子弹是钚-239(239Pu),而大多数RTG使用的是另一种同位素钚-238(238Pu)。它的中子比前者少一个。这非常重要,这意味着核电池中的钌不太可能爆炸,它只会慢慢分解成铀234(234U),这是一种相对安全的产品。

钚-238的α衰变释放出ln-4核

238-238的衰变过程中释放出δ-4核(α粒子),因此钚-238的衰变也称为α衰变。 alpha粒子相对较大,其速度并不快,因此很容易被遮挡,您只需要一张纸即可将其遮挡。

每个α粒子从原子核发射时都带有5.593 MeV(兆电子伏特,相当于8.96 x 10 ^ -13焦耳)的动能。当α粒子在材料中受阻时,该动能会迅速减速。它转化为热量并释放。据估计,在衰变过程中,每克238Pu会自发产生0.568W的热量。

A-238热核

核能发电

从上一节的分析中,我们可以看到钚-238是放射性的,它在衰变过程中产生α粒子,并且α粒子的动能转化为热,这使钚-238变热。但是在此过程中,没有自由电子释放,核电池如何发电?

这里需要提到另一个概念:热电效应。

热量可以发电。确切地说,温度差会在某些条件下产生电流。核电池利用热电效应发电。

将几根铜线连接到电线以形成回路。加热时,电流将在环路中流动。这是因为不同金属中自由电子的能级不同。加热时会产生电势差,进而在回路中形成电流。这是热电效应中的塞贝克效应。

塞贝克效应

有很多使用热电效应在我们周围创建传感器的传感器示例,例如我们每天使用的燃气灶中间的熄火传感器。当火焰燃烧时,传感器会产生电流,而当火焰意外熄灭时,电流会消失并且燃气灶具阀门会关闭。

热电偶熄火传感器

核电池使用钚-238的衰减热能加热电路来产生稳定的电能输出。

核电池的应用

迄今为止,核电池已被广泛用于太空探索。几十年前,人们试图将其安装在起搏器中,后来放弃了。

美国和前苏联使用大量核电池为航天器供电。主要原因不是它可以使用10,000年,而是不受太阳光照的影响,并且可以保持长期稳定的电源。

说到卫星和其他航天器,我们自然会想到太阳能电池,因为太阳并非取之不尽。但是太阳能电池的缺点也很明显:保证了对恒定和稳定的太阳能照明的需求,而且当航天器飞得太远或面对太阳时,太阳能电池就会失去作用。核电池没有这个问题。

朱诺探测器巨大的风帆冲浪

1977年,NASA实施了太阳系深空探测计划,该计划发射了两个探测器Voyager 1和Voyager 2,它们的任务是飞向太阳系边缘进行科学探索任务。鉴于远离太阳的昏暗和极冷的光线,科学家在旅行者的探测器上安装了三台放射性同位素热电发生器(RTG)。同时,RTG在运行期间会产生高温,并且将其固定在检测器的一个臂上,以避免对其他传感器产生不利影响。

旅行者1号上安装的核电池和内部结构

不仅“旅行者”,美国还在“先锋10号”,“先锋11号”,伽利略号,尤利西斯号,卡西尼号,“新视野号”,火星科学实验室,“好奇号”漫游车和“阿波罗12号至17号”中使用了核能。电池用于供电。美国宇航员在月球表面安装了被动地震测试仪(PSE),太阳风光谱仪(SWS)和月球表面磁力计(LSM)。为了持续为这些检测设备供电,NASA为其配备了专用核电池。

阿波罗12号宇航员安装了检测设备,黄色箭头指示的黑色物体是核电池

从另一幅图中可以更清楚地看到核电池:阿波罗12号宇航员正在将RTG从飞船中带出,并准备将其安装到地面核电池散热器中。这是因为核电池继续释放热量,因此有必要通过辐射释放多余的热量。

阿波罗12号宇航员正在安装核电池

好奇号漫游车未安装太阳能电池。它还依赖于RTG电源,因此无论是白天还是晚上在火星上,好奇号都能在寒冷的火星表面执行检测任务。

好奇心结束时,RTG包裹在白色散热器中

核电池寿命

核电池真的有10,000年历史了吗?不幸的是,事实并非如此。其寿命由RTG的工作原理决定。

p-238是一种放射性同位素,半衰期为87.7年。就是说,在任何以氦238为动力的核电池中,钚-238的一半会在87年半后分解为铀。 -234,剩下的87.7的一半已经衰减。尽管仍然很热,但热量不再足以发送足够的电流。核电池已基本取消。

换句话说,对于一艘航天器,它最多可以携带100年的核能。当然,这已经足够长了,航天器上的大多数其他传感器都不能支持这么长时间。

在其他领域使用核电池

尽管核电池已经使用了10,000年,但它仍然是最长的电池。它无需充电即可使用近100年(且不充电),因此已在起搏器中使用。动力电池。只是因为担心病人死亡后意外火化会造成放射性污染。起搏器的核电池仅生产100枚,并且没有继续使用。

核电池已用于心脏起搏器

民用核电池的壁垒不仅是由于对核辐射的担忧,而且还因为它太昂贵。不论是钚-238还是其他放射性同位素生产都需要使用尖端技术,因此成本太高,从商业角度来看并不划算,因此核电池在民用领域并未取得突破。

摘要:

核细胞不同于传统意义上的核能发电。核电池没有使用核中子裂变或聚变来产生热能,而是利用热同位素α衰变来产生热能并重新利用热电效应来产生稳定的电流。

当前可用的放射性物质的半衰期受到限制。最常用的铯238的半衰期为87.7年。因此,不可能将10,000年的时间用于核电池,并且大约100年后它将基本失效。

RTG解剖图

核电池具有放射性风险,且制造成本高,因此不适合民用。在可预见的未来,RTG仍将仅在航空航天领域发挥作用。

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