核电池材料及核电池的应用.pdf

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核电池材料及核电池的应用引言2核电池所用材料郝少昌，卢振明，符晓铭，梁彤祥寿命)、功率密度高、放射性危险性小、容易加工、原子核物理评论文章编号：1007—4627(2006)03—0353—06摘要：核电池具有体积小、寿命长、不受外界环境影响等优点，因而在航空航天、深海、极地、心脏起搏器、微型电机等领域得到广泛地应用。核电池的发展与所用材料的发展互相促进。从同位素放射源、电能转换、密封保护的角度介绍了核电池所用材料的发展和最新研究进展，同时也介绍了核电池现有和潜在的应用领域。关键词：核电池；同位素；能源中图分类号：TL99文献标识码：A1核电池，又称同位素电池，它是利用放射性同位素衰变放出载能粒子(如仅粒子、B粒子和^y射线)并将其能量转换为电能的装置。按提供的电压的高低，核电池可分为高压型(几百至几千V)和低压型(几十mV一1V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，包括直接充电式核电池、气体电离式核电池、辐射伏特效应能量转换核电池、荧光体光电式核电池、热致光电式核电池、温差式核电池、热离子发射式核电池、电磁辐射能量转换核电池和热机转换核电池等‘1’“，其中直接充电式核电池、气体电离式核电池属于直接转换式，应用较少。目前应用最广泛的是温差式核电池和热机转换核电池。核电池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环境中工作。目前已经在航天、极地、心脏起搏器等领域成功应用。随着太空探索的深入和对新能源的追求，人类对核电池也提出更高的要求。而核电池所用各种材料则与之也相辅相成地发展。本文将从材料和应用方面对核电池作详细介绍。一般来说，核电池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，起保护电池内部结构和散热的作用。可见核电池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了所选用材料的特殊性。2．1同位素放射源同位素放射源在不同类型的核电池中所起的作用也不尽相同。直接充电式核电池是利用放射源发射的带电粒子来产生电势差；气体电离式核电池和辐射伏特效应能量转换核电池是利用其发射的粒子束对介质的电离作用来产生电势；荧光体光电式核电池是利用其发射射线诱发荧光物质发光后通过光电转换成电能；而热致光电式核电池、温差式核电池和热机转换电池则利用放射源产生的热能来实现能量转换。作为核电池的能量来源，同位素放射源都必须满足以下条件：半衰期长(以保证电池的长经济和易于屏蔽等。第23卷第3期(清华大学核能与新能源技术研究院，北京102201)2006年9月收稿日期：2006—0l一24；修改日期：2006—06—29作者简介：郝少昌(1982一)，男(汉族)，河南偃师人，硕士研究生，从事溶胶一凝胶法制备陶瓷微球的研究；NuclearPhysicsReviewV01．23．No．3Sep．，2006E—mail：[e-mail]
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原子核物理评论根据放射性同位素放出的射线不同，可以将其分为OL源、p源、1源3类，其中适合作为核电池放射源的有近10种。包括1源60Co；p源90137Cs，144Ce和147Pm；Ot源210Po，2”Pu，241Am，242Cm和244Cm等阳]。表1列出了核电池常用放射性同位素的一些参数。表2则给出了各种核电池目前所使用放射源的状况。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，一起构成核电池的能量核心。在空间应用中最为合适的放射性同位素的是d热源，如238Pu和210Po，它们的外照射剂量低，所需屏蔽重量小，可以大大节省火箭发射费用。”8Pu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”8Pu热源口o。就238Pu热源的燃料形式而言，早期曾使用过金属钚(如SNAP一3B和SNAP一9A)，之后使用了氧化钚微球(如SNAP一19B和SNAP．27)、氧化钚一钼陶瓷(如SNAP一19和百瓦级RTG)，现今已发展为热压氧化钚(238PuO：)块(如通用型R'TG)。61。“oPo的寿命短，半衰期仅为0．38a，衰变时释放的能量为5．35MeV，目前2”Po主要是用于制作原型核电池。美国早期的原型温差式核电池使用的就是210Po，前苏联早期在核电池上也使用过210Po，而后着重用于发展反应堆动力。我国于1971年研制的原型核电池采用的也是210Po放射源，总活度为Ci，产生热能