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零碳情報

【 核電池要來了？

美國2000萬投資

砸向核動力光伏電池 】

來源：Getty Images

據(jù)美國趣味工程網(wǎng)站（Interesting Engineering）近日報道，美國密蘇里大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)銜的工程師團隊，正致力于開發(fā)一種能夠在深海、外太空等極端環(huán)境中連續(xù)運行數(shù)月甚至數(shù)年而無需維護的核動力光伏電池。

該項目專注于放射性光伏技術(shù)，這是一種將核輻射直接轉(zhuǎn)化為電能的電池。與傳統(tǒng)電池不同，它無需充電，能為遠程應(yīng)用提供長期穩(wěn)定的電力。這種微型電池結(jié)構(gòu)緊湊，專為浮標、航天器及遠程傳感器設(shè)計，在這些場合，更換或充電都極為困難。

該項目總投資280萬美元（約合人民幣1935萬元），并獲美國國防部高級研究計劃局（DARPA）「輻射到瓦特」（Rads to Watts）計劃支持。項目研究人員表示，該項目旨在探索將核輻射能量直接轉(zhuǎn)化為電能的新方法，目標是每公斤質(zhì)量產(chǎn)生 10 瓦的電力，并指出這比目前的光伏系統(tǒng)具有更高的功率密度。

這種輻射光伏電池的工作原理類似太陽能電池，但它利用的是放射性衰變而非陽光。太陽能電池板將光子轉(zhuǎn)化為電能，而放射性光伏裝置則利用放射性物質(zhì)釋放的帶電粒子。這使得電池可在陽光不足或無法利用的環(huán)境中運行，為需要不間斷供電的長期任務(wù)提供了新的可能。

來源：City Labs

核電池（nuclear battery）又稱原子電池（atomic battery）或放射性同位素電池（radioisotope battery），是一種利用放射性同位素衰變放出載能粒子（如α粒子β粒子和γ射線）能量或由它們引發(fā)的熱效應(yīng)、光效應(yīng)或電離作用等來產(chǎn)生電能的一種裝置。

核電池是利用射線能量來產(chǎn)生電能，其工作原理不似核裂變或核融合會產(chǎn)生致命性核輻射，核泄漏的問題處理起來較為容易。例如，用于心臟起搏器的核電池可直接植入人體，只要做好密封保護并不會對人體造成任何傷害。

此外，核電池衰變時放出的能量大小與速度不會受到溫度、壓力與電磁場等環(huán)境因素的影響，具良好的抗干擾性，能穩(wěn)定運行數(shù)十年，這些特性是其他型式電池系統(tǒng)無法企及的。

1956年，美國率先制定了“核輔助動力系統(tǒng)計劃”，并于1961年成功地發(fā)射了配備放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電器（radioisotope thermoelectric generator, RTG）的導(dǎo)航衛(wèi)星。同時，中國與俄羅斯等國亦投入相關(guān)技術(shù)的開發(fā)，迄今放射性同位素電池的換能方式已發(fā)展出十余種不同型式。

過去六十年間，核電池已成功運用于軍事衛(wèi)星、水下監(jiān)聽器與偏遠難以派人值守的導(dǎo)航、氣象探測設(shè)施。由于其工作時間可長達數(shù)年，且毋須人力進行看管與進行維護，燃料電池、化學(xué)電池與太陽能電池難以望其項背。

但是目前核電池的能量轉(zhuǎn)換效率偏低，即令技術(shù)發(fā)展成熟的RTG，其能量轉(zhuǎn)換效率仍僅在5%到10%之間，造價昂貴與放射性污染等問題，使得其運用受到相當(dāng)程度制約。

來源：DARPA

這一次，密蘇里大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊致力于研發(fā)采用氧化鎵（一種半導(dǎo)體材料）的器件。與傳統(tǒng)材料相比，氧化鎵具有更強的抗輻射能力。這一特性有望提升器件的效率和使用壽命。

托萊多大學(xué)科學(xué)家正主導(dǎo)模擬研究，為器件的構(gòu)建提供指導(dǎo)。這些模擬將在甄選出最佳器件結(jié)構(gòu)、確保達到性能指標方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。此次合作還匯聚了賓夕法尼亞州立大學(xué)、休斯頓大學(xué)、海軍研究實驗室等多家機構(gòu)，整合了材料科學(xué)、建模與器件工程等多領(lǐng)域?qū)＜摇?/p>

該項目旨在通過提高功率密度和增強耐久性，推動放射性光伏更接近實際應(yīng)用，尤其是在傳統(tǒng)電池?zé)o法勝任的場景中。

支持該項目的“輻射到瓦特”計劃是由美國國防高級研究計劃局（DARPA）發(fā)起的一項科研競賽，旨在探索利用輻射光伏（也稱放射性光伏）技術(shù)將核輻射能量直接轉(zhuǎn)化為電能的新方法。

該競賽接受任何輻射源，從自然衰變的放射性同位素到發(fā)射中子和伽馬粒子的反應(yīng)堆均可使用，旨在發(fā)展千瓦級的高功率電能輸出技術(shù)，為惡劣或偏遠地區(qū)設(shè)施提供長期與穩(wěn)定的電源。

（來源：Interesting Engineering、科技日報、EE Times；整理：Penn）

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