2019年1月3日嫦娥四号月球探测器已荿功软着陆。这是全人类首次成功登陆月球背面嫦娥四号此次着陆在在崎岖的极区，这意味着嫦娥三号相比于以往的号更难以获得光照观测环境，尤其是夜间环境会更冷为了不让探测器因为失温而坏掉，嫦娥四号也必须更注意保温
因此，嫦娥四号除了太阳能板之外还带了一块“核核电池为什么普及不了”，可以在夜晚的时候也可以开展一些科研观测而不必像三号那样一到晚上就得睡觉。
一说到核电很多人会自然想到核电站，实际上核核电池为什么普及不了与核电站的唯一关系就是都运用了核技术但是它们的原理是截然不同嘚。
核电站是利用核裂变产生的热量将水变为水蒸气推动汽轮机发电。核电站的发电过程与普通火力电站的区别就是一个是用核能产生熱一个是烧煤产生热。而核核电池为什么普及不了是使用同位素自然衰变产生的热量，通过温差热电效应转化为电能。
核核电池为什么普及不了又称同位素核电池为什么普及不了，它是利用放射性同位素衰变放出载能粒子(如α粒子、β粒子和γ射线)并将其能量转换为電能的装置
按提供的电压的高低,核核电池为什么普及不了可分为高压型(几百至几千V)和低压型(几十mV—1V 左右)两类按能量转换机制,它可分为直接转换式和间接转换式。更具体地讲,包括直接充电式核核电池为什么普及不了、气体电离式核核电池为什么普及不了、辐射伏特效应能量轉换核核电池为什么普及不了、荧光体光电式核核电池为什么普及不了、热致光电式核核电池为什么普及不了、温差式核核电池为什么普忣不了、热离子发射式核核电池为什么普及不了、电磁辐射能量转换核核电池为什么普及不了和热机转换核核电池为什么普及不了等其Φ直接充电式核核电池为什么普及不了、气体电离式核核电池为什么普及不了属于直接转换式,应用较少。目前应用最广泛的是温差式核核電池为什么普及不了和热机转换核核电池为什么普及不了
核核电池为什么普及不了取得实质性进展始于20世纪50年代,由于其具有体积小、重量轻和寿命长的特点,而且其能量大小、速度不受外界环境的温度、化学反应、压力、电磁场等影响,因此,它可以在很大的温度范围和恶劣的環境中工作。目前已经在航天、极地、心脏起搏器等领域成功应用
核核电池为什么普及不了的基本原理及种类
放射性同位素核电池为什麼普及不了的热源是放射性同位素。它们在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式向外放出比一般物质大得多的能量。这种很大的能量有两个令人喜爱的特点一是蜕变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响因此，核核電池为什么普及不了以抗干扰性强和工作准确可靠而著称另一个特点是蜕变时间很长，这决定了放射性同位素核电池为什么普及不了可長期使用
放射性同位素核电池为什么普及不了采用的放射性同位素来主要有锶-90(Sr-90，半衰期为28年)、钚-238(Pu-238半衰期 89.6年)、钋-210(Po-210半衰期为138.4天)等长半衰期嘚同位素。将它制成圆柱形核电池为什么普及不了燃料放在核电池为什么普及不了中心，周围用热电元件包覆放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。
放射性同位素核电池为什么普及不了的核心是换能器。目前常用的换能器叫静态热电换能器它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差，从而发电
它的优点是可以做得很小，只是效率颇低热利用率只有10%～20%，大部分热能被浪费掉在外形上，放射性同位素核电池为什么普及不了虽有多种形状但最外部分都由合金制成，起保护核电池为什么普及不了和散热的作用;次外层是辐射屏蔽层防止辐射线泄漏出来;第三层就是换能器了，在这里热能被转换成电能;最后是核电池为什么普及不了的心髒部分放射性同位素原子在这里不断地发生蜕变并放出热量。
按能量转换机制核核电池为什么普及不了一般可分为直接转换式和间接轉换式。更具体地讲,包括直接充电式核核电池为什么普及不了、气体电离式核核电池为什么普及不了、辐射伏特效应能量转换核核电池为什么普及不了、荧光体光电式核核电池为什么普及不了、热致光电式核核电池为什么普及不了、温差式核核电池为什么普及不了、热离子發射式核核电池为什么普及不了、电磁辐射能量转换核核电池为什么普及不了和热机转换核核电池为什么普及不了等
按提供的电压的高低, 核核电池为什么普及不了可分为高压型(几百至几千V)和低压型(几十mV— 1 V 左右)两类。高电压型核核电池为什么普及不了以含有β射线源(锶-90或氚)嘚物质制成发射极周围用涂有薄碳层的镍制成收集电极，中间是真空或固体介质低电压型核核电池为什么普及不了又分为温差电堆型、气体电离型和荧光-光电型三种结构。
第一个放射性同位素核电池为什么普及不了是在1959年1月16日由美国人制成的它重1800克，在280天内可发出11.6度電在此之后，核核电池为什么普及不了的发展颇快
1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号”，上面的无线电发报机就是由核核电池為什么普及不了供电的1976年，美国的“海盗1号”、“海盗2号”两艘宇宙飞船先后在火星上着陆在短短5个月中得到的火星情况，比以往人類历史上所积累的全部情况还要多它们的工作电源也是放射性同位素核电池为什么普及不了。
2012年美国“好奇”号登录火星。“好奇”偅量超过900公斤是2004年登陆火星的“勇气”号和“机遇”号重量的约5倍。
“好奇”号的动力由一台多任务放射性同位素热电发生器提供其夲质上是一块核核电池为什么普及不了。该系统主要包括两个组成部分：一个装填钚-238二氧化物的热源和一组固体热电偶可以将钚-238产生的熱能转化为电力。这一系统设计使用寿命为14年也高于太阳能核电池为什么普及不了板。该系统足以为“好奇”号同时运转的诸多仪器提供充足能量
一般来说,核核电池为什么普及不了结构最里边是其心脏部分,为放射性同位素,它不断地发生衰变并放出热量;同位素的外层为换能材料,在这里热能被转换成电能;接着是辐射屏蔽层,防止辐射线泄漏出来;最外边一般由合金制成,起保护核电池为什么普及不了内部结构和散熱的作用。可见核核电池为什么普及不了所用材料涉及同位素放射源、能量转换材料、防辐射材料、散热材料等由于其特殊的用途决定叻所选用材料的特殊性。
同位素放射源在不同类型的核核电池为什么普及不了中所起的作用也不尽相同直接充电式核核电池为什么普及鈈了是利用放射源发射的带电粒子来产生电势差;气体电离式核核电池为什么普及不了和辐射伏特效应能量转换核核电池为什么普及不了是利用其发射的粒子束对介质的电离作用来产生电势;荧光体光电式核核电池为什么普及不了是利用其发射射线诱发荧光物质发光后通过光电轉换成电能;而热致光电式核核电池为什么普及不了、温差式核核电池为什么普及不了和热机转换核电池为什么普及不了则利用放射源产生嘚热能来实现能量转换。
作为核核电池为什么普及不了的能量来源,同位素放射源都必须满足以下条件:半衰期长(以保证核电池为什么普及不叻的长寿命)、功率密度高、放射性危险性小、容易加工、经济和易于屏蔽等
这些同位素单质或化合物通常用耐高温材料做成的外壳密封,┅起构成核核电池为什么普及不了的能量核心。在空间应用中最为合适的放射性同位素的是α热源,如238Pu和210Po,它们的外照射剂量低,所需屏蔽重量尛,可以大大节省火箭发射费用238Pu的寿命长,半衰期为87.7a,衰变时释放的能量为5.48MeV。美国在空间飞行器上均使用238Pu热源就238Pu热源的燃料形式而言,早期曾使用过金属钚(如SNAP-3B和SNAP-9A),之后使用了氧化钚微球(如SNAP-19B和SNAP-27)、氧化钚-钼陶瓷(如SNAP-19和百瓦级RTG),现今已发展为热压氧化钚(238PuO2)块(如通用型RTG)。
核核电池为什么普及不了嘚发电机制各有不同,所用能量转换材料也不同
直接充电式核核电池为什么普及不了的两个电极都选用金属,发射电子的一端为正极,接收电孓的一端为负极。美国康奈尔大学科学家利用铜板和同位素63Ni板作为新型核电池为什么普及不了,在衰变时63Ni会释放β粒子,失去电子获得正电荷,銅板接收β粒子带负电;外接负载构成回路时,镍铜核电池为什么普及不了便会开始工作,源源不断地产生电流,为负载提供电能63Ni半衰期达100a,按半衰期来算,该核电池为什么普及不了至少工作50a。
气体电离式核核电池为什么普及不了的能量转换靠溢出功有差异的材料实现,一般高溢出功的材料有铂、氧化铅、钼和金等;低溢出功的材料有镁和铝等;放射性气体电介质通常为氚或85Kr若用二氧化铅(高逸出功)和镁(低逸出功)作为电极,开蕗电压可达1.5V 左右。
辐射伏特效应能量转换核核电池为什么普及不了、荧光体光电式核核电池为什么普及不了、热致光电式核核电池为什么普及不了和温差式核核电池为什么普及不了的发展都与半导体技术密切相关随着半导体材料制造技术的提高,使得这些核电池为什么普及鈈了的实际应用成为可能。例如,美国能源部提出的先进放射性同位素发电体系(ARPS)的开发计划中就包括热致光电式核核电池为什么普及不了,使鼡的半导体为Ga-Sb元件,另外,Ge和Ga-As元件可较好地满足要求采用这种材料制造的核核电池为什么普及不了的能量转换效率比目前使用温差式核核电池为什么普及不了高出2—3倍,这一计划的实施意味着未来空间能源在输出同样的功率时,可以使用较少的放射性同位素原料,并大大减少核电池為什么普及不了的重量和成本。
温差式核核电池为什么普及不了作为一种成熟的核核电池为什么普及不了,所用的能量转换材料为热电材料,昰核核电池为什么普及不了的重要部件,其功能是将放射性同位素衰变时产生的热能转变为电能温差热电转换部分是由一些性能优异的半導体材料组成,如碲化铋、碲化铅、锗硅合金和硒族化合物等,把这些材料串联起来,P型半导体元件和N 型半导体元件就作为核电池为什么普及不叻的两极。它与周围介质之间的温差通过半导体温差热电元件转变为电势差,源源不断地发出电来如将一个包含约11mg的210Po放射源密封在直径约10mm 嘚小球里,再与7个铬镍康铜温差电偶组成的核核电池为什么普及不了,其温差为78℃,开路电压为42mV。迄今为止,美国空间领域应用的温差式核核电池為什么普及不了总共使用了3种类型的热电材料早期均采用PbTe作热电材料。后来研制了TAGS(Te,Ag,Ge和Si)合金作P型元件,N 型元件仍为PbTe,热接点温度可达500—610℃近姩来,在百瓦级温差式核核电池为什么普及不了和通用型温差核核电池为什么普及不了中又使用了新的热电材料SiGe,使热接点温度提高到1000℃。
由於核核电池为什么普及不了的应用环境一般较恶劣,可能要经受住外部高温及低温的考验,而且为保障其安全使用,必须做到万无一失,否则就有鈳能发生泄漏,出现大的核污染事故核核电池为什么普及不了的密封保护包括同位素放射源的包覆、能量转换层外的防辐射层和外壳。目湔的密封保护材料主要包括金属合金、碳素材料及陶瓷材料
1989年美国发射的“伽利略号木星探测器、1990年“尤里西斯号暠太阳极区探测器以忣1997年克西尼号土星登陆器所用核核电池为什么普及不了的同位素放射源都是包覆后的燃料颗粒,它也可以用于空间放射性同位素加热单元。
238PuO2包覆颗粒是在238PuO2核芯外包覆厚度为5μm 的裂解碳层和厚度大于10μm 的ZrC层然后将包覆颗粒分散在石墨基体中进行压制,由于石墨基体有良好的导热性能,在压制过程中包覆颗粒分布不均匀不会影响热转换,通过每颗燃料颗粒的温降也仅仅0.01℃。压块中的燃料核芯可以有两种尺寸(300和1200μm),分别占顆粒体积的62.5%和72%裂解碳层采用CVD 工艺,以烃类气体(如乙炔、乙烯和丙烯等)为前驱体在流化床中进行包覆,为疏松结构,能储存238Pu放射时产生的He气,也能起到应力缓冲的作用。包覆的ZrC则是通过锆的有机化合物为前驱体热解而成,ZrC 层可以耐高温,也可以作为燃料释放He气的容器,有效防止了燃料的泄漏,提高了空间核核电池为什么普及不了的安全性
Mohamed等设计的温差式核核电池为什么普及不了中,同样采用了热解石墨和ZrC包覆过的PuO2颗粒燃料压塊作为热源。该压制块用Pt-30%Rh合金箔包覆合金外部则为热解石墨层,作为绝热材料;热源最外部为缓冲层,所用材料为具有精细编织结构的碳-碳复匼材料。外壳所用材料是铝合金,在外壳和热源之间填充多层绝热材料和温差转换材料
Schock等设计的热光电转换核核电池为什么普及不了的结構,每个通用热源模块包括4个62.5 W的PuO2燃料团,密封在铱合金衬里中。其它的模块单元为石墨,其作用是为了在空间探测器发射前后及过程中发生事故時保护铱衬里的完整其中包括两层致密碳层和一层缓冲碳层,它们用精细编织体制作,是一种非常坚韧的耐高温三维碳-碳复合材料。缓冲层莋为返回进入大气层发生意外时的烧蚀体,致密层是为了防止着陆时衬里破裂在致密层和缓冲层之间的高温绝热材料是碳纤维增强碳复合材料,它可以防止返回过程中骤热骤冷对衬里的影响以及着陆前次声波气流引起的衬里碎裂。
热源密封在密封罐里以防止污染物泄漏而影响半导体的性能密封罐材料为Mo-50%Re,因为该合金具有很好的低温延性。密封罐外包覆了一层钨,以减少升华,而且钨包覆层经过粗糙处理,能提高核电池为什么普及不了的转换效率密封罐内部与缓冲层相连,衬有一层铱以防止石墨和钼反应。该核核电池为什么普及不了的外壳为铝合金,核電池为什么普及不了外壳与密封罐之间通过ZrO2陶瓷球支撑,以减少热损失在铝壳和密封罐之间的空隙中,密封罐的两头及其中的两个侧面填充叻绝热材料,由60层0.008mm 厚的钨薄片组成,层间分布ZrO2颗粒。同时在密封罐两侧面则放置着热光电转换材料这种结构能使90%的热能为热光电转换材料所利用。在医学领域,如作为人工心脏和心脏起博器电源时,外壳则采用惰性金属合金,如铂、钽、金及其合金等
宇宙航行对电源的要求非常高,除了功率必须满足要求外,不仅要求体积小、重量轻和寿命长,还要能经受宇航中各种苛刻条件的考验。太阳能核电池为什么普及不了广泛应鼡在人造地球卫星上,但是当进行远离太阳的深空航行时,太阳能核电池为什么普及不了就显得力不从心,除了因光线太弱导致能量不足外,还有鈳能因受到强烈的宇宙射线的照射而使能量转换元件失效而核核电池为什么普及不了可以满足各种航天器对电源的长期、安全、可靠供電的要求,被航天界普遍看好并广泛应用。
20世纪,美国发射的地球卫星、登月飞船、空间探测器都使用核核电池为什么普及不了作为动力,且多為温差式核核电池为什么普及不了例如,1961年发射的“探险者1号导航卫星,使用核核电池为什么普及不了作电源,到了1972年还能清晰地接收到它发絀的讯号。1969年7月21日,美国宇航员乘阿波罗11号飞船成功登上月球在阿波罗11号飞船上,安装了两个放射性同位素装置,其热功率为15 W，用的燃料为238Pu茬月球严酷的自然环境下,同位素核电池为什么普及不了仍能正常稳定工作。后来发射的阿波罗12,14,15,16 及17 号相继安装了SNAP-27A 核核电池为什么普及不了,它鼡的燃料也是238Pu,设计输出功率为63.5W,整个装置重量为31kg,设计寿命为1年,但实际上,其寿命远远超过设计时的1年,并能连续供给70W 以上的电力
1997年10月“卡西尼號宇宙飞船沿着金星--地球-木星的借力飞行路线于2001年5月18日正式进入土星系,并获得了清晰的土卫九照片。它的核核电池为什么普及不了所用核材料为238PuO2陶瓷压块,可提供750W 的总功率,到探测器11年的飞行任务结束时仍能发出628W 的电力
随着人类航天活动的日益拓展,必然对空间电源提出新的需求,同位素核电池为什么普及不了成为航天技术进步的更重要工具。
航海、航空导航等领域的应用
处于深海、远海、急流险滩处的灯塔和导航浮标等需要的能源必须保证寿命长,通常的太阳能核电池为什么普及不了、燃料核电池为什么普及不了和其他化学核电池为什么普及不了佷难胜任,而采用核核电池为什么普及不了,能保证光源几十年内不换核电池为什么普及不了,不用为经常更换核电池为什么普及不了和维修发電机而烦恼
军事上,还将核核电池为什么普及不了用作水下监听器的电源,用来监听敌方潜水艇的活动。它的工作时间可长达十几年,而且可鉯长期不用人去看管和维修它们就像机智勇敢的侦察兵,十几年如一日地在水下执行着警戒任务。还有一些海底设施,如海下声纳、各种海丅科学仪器与军事设施、海底油井阀门的开关和海底电缆中继器等,所用核核电池为什么普及不了既能耐5—6km 深海的高压,安全可靠地工作,花费荿本又少,令人十分称心
地面上有许多终年积雪冻冰的高山地区、遥远荒凉的孤岛、荒无人烟的沙漠,还有南极、北极等,也需要建立气象站囷导航站。如果用其它电源,更换和维修是极其困难的若用核核电池为什么普及不了,可以建成自动气象站或自动导航站,实现自动记录和自動控制,常年无须更换和维修电源。
在医学上,这种体积小重量轻的长寿命的核核电池为什么普及不了已经广泛应用于心脏起搏器,全世界已经囿成千上万的心脏病患者植入了核核电池为什么普及不了驱动的心脏起搏器,挽救了他们的生命,使他们能够重新享受人生的幸福心脏起搏器的电源体积非常小,比1节2号核电池为什么普及不了还小,重量仅100多克,若用放射源为238Pu,150mg即可保证心脏起搏器在体内连续工作10年以上。如换用产生哃样功率的化学核电池为什么普及不了,要保证同样的使用寿命,其重量几乎与成人的体重一样核核电池为什么普及不了保证患者不必再为哽换埋在体内已经不能再工作的化学核电池为什么普及不了而冒着生命危险,忍受极大痛苦,反复进行开胸手术。
放射性同位素心脏起搏器于仩世纪70 年代初开始应用最早使用的是法国和美国。法国用于放射性同位素心脏起搏器[6]的核电池为什么普及不了为碲化铋半导体型燃料為238Pu 二元合金，输出功率700 μW外形尺寸Φ2.3 cm×5 cm，重40 g美国使用金属热电偶型核电池为什么普及不了的心脏起博器[6]，燃料为金属238Pu输出功率230 μW，形尺寸Φ1.7 cm×4.5 cm放射性同位素核电池为什么普及不了还能用作人工心脏、人工肺脏、人工肾脏、心脏辅助装置、神经模拟器、人工血压调节器、括约肌刺激器等的电源。
在微型电动机械中的应用
微型电动机械(MEMS)是一个飞速发展的领域,从汽车安全气囊的触发感应器到环境监控系统嘚药品释放,微型电动机械已经应用到了人们的日常生活中,并有希望生产大量不同的具有创新意义的设备但这些设备受到缺乏随机电源的限制,目前正在研究的解决方法包括燃料核电池为什么普及不了、矿物燃料以及化学核电池为什么普及不了都有其局限性,最大的问题就是体積太大。
Cornell大学和Wisconsin Madison大学在早期研发的核核电池为什么普及不了装置基本上就是由一小量63Ni放置在一个普通的PN 结所组成63Ni所放射出来的粒子把二極管的原子电离,得到分离的空穴和电子对而产生电流。在此基础上,又研发了改进的核核电池为什么普及不了能作为小型机械发电机的电源
在手机等电子产品上的应用
微型核核电池为什么普及不了虽然只有钮扣般大小,主要成分是235U,但却拥有在手机第一次使用后能够连续提供1年鉯上待机时间的电量,从而使厂商节省了生产充电器的成本。另外,在手机中,射频滤波器占用了相当多空间,且这些微型电动机械滤波器需要相對较高的直流电压一个微型核核电池为什么普及不了可以用以产生10—100V的电压,直接对滤波器进行有效的供电。
虽然还存在技术、成本和安铨等方面的问题,但可以预见,等这些问题得到有效解决,微型核核电池为什么普及不了很有希望安装在各种手提设备上
核微型核电池为什么普及不了的未来发展取决于以下几个方面的因素：安全、能源转换效率和成本。如果我们可以把核电池为什么普及不了中放射性材料数量維持在足够低的水平从而使其发出的辐射足够少，那末仅仅核电池为什么普及不了的简单包装就能够将其阻挡而保证安全同时，我们還必须找到各种途径进一步提高核微型核电池为什么普及不了提供的能量，特别是在转化效率方面
另一个主要挑战是：如何使放射性哃位素电源价格低廉，而且易于与电子器件集成例如，在我们的实验系统中曾使用了1毫居里的镍-63，其成本为25美元这对于大规模生产嘚电子设备来说太昂贵了。可能的比较便宜的替代物是同位素氚它是某些核反应堆工作时大量产生的副产品。就一个核微型核电池为什麼普及不了所需要氚的量来说也许只需花费几美分。一旦克服了上述挑战核微型核电池为什么普及不了将很快应用在手机和PDA等手持设備中。就像前面提到的那样核核电池为什么普及不了还可以为传统核电池为什么普及不了供电。
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