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不充電也能續(xù)航百年?太空中的核電池是何原理,為何不能民用?

2022-06-20

不充電也能續(xù)航百年?太空中的核電池是何原理,為何不能民用?

 

當(dāng)我們還在天馬行空想著如果自己的手機(jī)可以盡情地在網(wǎng)上沖浪,不用考慮充電這個問題的時候,不用充電也能續(xù)航百年的核電池已經(jīng)被科學(xué)家們發(fā)明了出來,并且運(yùn)用在航天領(lǐng)域。那么這種核電池真的可以不用充電嗎?它的工作原理又是什么?

核電池叫做放射性同位素溫差發(fā)電器,又稱原子能電池。核電池與核電站的發(fā)電原理不同,核電站得比較復(fù)雜,先將核能轉(zhuǎn)為內(nèi)能,接著由內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,再由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。但核電池不用這么麻煩,核電池是把碲化鉍、碲化鉛等性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料串聯(lián)組成起來的,除此之外,核電池要發(fā)電就要使其存在溫差,所以它還需要合適的熱源和換能器來達(dá)到發(fā)電的效果。

核電池用的是衰變原理,核電池的種類多種多樣,以目前航天器核電池常用的燃料-238來說,在它衰變過程中,它會產(chǎn)生一個α粒子,而這個α粒子會因?yàn)槭茏铚p慢速度,從而放出熱量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測算,在衰變過程中,钚-238的功率密度是0.41w/g,而半衰期竟可高達(dá)87.7年。而我們先前提到的半導(dǎo)體材料,它可以讓钚-238在衰變過程中產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成電能,主要是將兩個不同半導(dǎo)體元件串聯(lián)成電池的兩極,如此一來,利用溫差,熱能會轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,而這個過程也不停的在發(fā)電,我們管這種現(xiàn)象為溫差電動勢。放射性同位素和溫差不斷組成就形成了核電池。簡單來說,核電池的原理是將熱量轉(zhuǎn)化為電能。

核電池不僅體積小,重量也輕,使用起來很是方便,重要的是使用壽命長。那核電池是否真的可以不用充電也可以用上百年呢?其實(shí)我們從它的原理也可以得知整個過程是在不斷地衰變,這也意味著在某一段時間后能量被耗盡,核電池也就變成了廢品,但是就目前來說,核電池在航天器中的壽命有幾十年甚至是上百年,足夠滿足人們對核電池的需求。

核電池的壽命要比太陽能電池板的壽命要長很多,所以在航天領(lǐng)域,大部分都是使用核電池,比如在2012年時,美國就是在火星探測器好奇號用了45斤的核電池,就連目前新型的火星漫游車毅力號也是用了好好奇號相似的核電池,其實(shí)不光是航天領(lǐng)域,醫(yī)療領(lǐng)域也在運(yùn)用核電池,比如心臟起搏器,它可以在人體內(nèi)工作十年之久,所以對患者來說,不僅沒有放置的負(fù)擔(dān),也免去了因時間的問題繼續(xù)動手術(shù),但是因?yàn)楹穗姵赜龌饡尫欧派湫晕廴?,假設(shè)患者逝世后火化,核電池也跟著被火化,那后果很是危險,因此后面這種核電池的心臟起搏器就被停產(chǎn)了。

很多人也會有這樣疑惑,既然核電池使用壽命長,抗干擾性強(qiáng),為什么不能民用?主要有兩個原因。一是如心臟起搏器被停用的原因一致,它的放射性沒有辦法得到解決,使用它和它帶來的污染在民用上不能達(dá)到平衡,或許在未來,科技的不斷發(fā)展能找到一個更好的解決辦法,但目前我們?nèi)圆荒芙鉀Q這個污染的問題,而用在航天領(lǐng)域,它可以被國家管控,也方便人們探索宇宙,是合適的;二是核電池的成本太高了。比如我們知道的钚-238,一斤的钚-238就要上千萬美金,而美國的探測儀要用45公斤的核電池,這需要一筆非常龐大資金支持,而一個國家要承擔(dān)這么高金額的核電池尚且都吃力,更何況是我們普通老百姓。所以核電池的成本價并不親民,因此在民用方面很難有所突破,只能在航天或者其他的軍事領(lǐng)域得到超常發(fā)揮。


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