核电池材料及核电池的应用.pdf

暋第23卷暋第3期原子核物理评论Vol灡23,No.3暋暋2006年9月NuclearPhysicsReviewSep.,2006暋暋暋文章编号:1007-4627(2006)03-0353-06核电池材料及核电池的应用*郝少昌,卢振明,符晓铭,梁彤祥(清华大学核能与新能源技术研究院,北京102201)摘暋要: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暋暋暋文献标识码:A1暋引言2暋核电池所用材料暋暋核电池,又称同位素电池,它是利用放射性同暋暋一般来说,核电池结构最里边是其心脏部分,位素衰变放出载能粒子(如毩粒子、毬粒子和毭射为放射性同位素,它不断地发生衰变并放出热量;线)并将其能量转换为电能的装置。按提供的电压同位素的外层为换能材料,在这里热能被转换成电的高低,核电池可分为高压型(几百至几千V)和低能;接着是辐射屏蔽层,防止辐射线泄漏出来;最压型(几十mV—1V左右)两类。按能量转换机制,外边一般由合金制成,起保护电池内部结构和散热它可分为直接转换式和间接转换式。更具体地讲,的作用。可见核电池所用材料涉及同位素放射源、包括直接充电式核电池、气体电离式核电池、辐射能量转换材料、防辐射材料、散热材料等。由于其伏特效应能量转换核电池、荧光体光电式核电池、特殊的用途决定了所选用材料的特殊性。热致光电式核电池、温差式核电池、热离子发射式2.1暋同位素放射源核电池、电磁辐射能量转换核电池和热机转换核电,其中直接充电式核电池、气体电离式核池等[1,2]暋暋同位素放射源在不同类型的核电池中所起的作电池属于直接转换式,应用较少。目前应用最广泛用也不尽相同。直接充电式核电池是利用放射源发的是温差式核电池和热机转换核电池。射的带电粒子来产生电势差;气体电离式核电池和核电池取得实质性进展始于20世纪50年代,辐射伏特效应能量转换核电池是利用其发射的粒子由于其具有体积小、重量轻和寿命长的特点,而且束对介质的电离作用来产生电势;荧光体光电式核其能量大小、速度不受外界环境的温度、化学反电池是利用其发射射线诱发荧光物质发光后通过光应、压力、电磁场等影响,因此,它可以在很大的电转换成电能;而热致光电式核电池、温差式核电温度范围和恶劣的环境中工作。目前已经在航天、池和热机转换电池则利用放射源产生的热能来实现极地、心脏起搏器等领域成功应用。随着太空探索能量转换。作为核电池的能量来源,同位素放射源的深入和对新能源的追求,人类对核电池也提出更都必须满足以下条件:半衰期长(以保证电池的长高的要求。而核电池所用各种材料则与之也相辅相寿命)、功率密度高、放射性危险性小、容易加工、成地发展。本文将从材料和应用方面对核电池作详经济和易于屏蔽等。细介绍。*收稿日期:2006灢01灢24;修改日期:2006灢06灢29暋暋暋暋作者简介:郝少昌(1982-),男(汉族),河南偃师人,硕士研究生,从事溶胶灢凝胶法制备陶瓷微球的研究;E灢mail:[e-mail]原子核物理评论·360·第23卷暋,目前根据放射性同位素放出的射线不同,可以将其放的能量为5.35MeV210Po主要是用于制作分为毩源、毬源、毭源3类,其中适合作为核电池放原型核电池。美国早期的原型温差式核电池使用的;,,,前苏联早期在核电池上也使用过,射源的有近10种。包括毭源60Co毬源90Sr137Cs就是210Po210Po;,,,144Ce和147Pm毩源210Po233Pu241Am242Cm而后着重用于发展反应堆动力。我国于1971年研。表和244Cm等[3]1列出了核电池常用放射性同位制的原型核电池采用的也是210Po放射源,总活度素的一些参数。表2则给出了各种核电池目前所使为1110Ci,产生热能35.5W,输出电功率1.4。用放射源的状况。W[7]90Sr灢90Y衰变过程发射的毬粒子在辐射伏特效表1暋不同放射性同位素的参数比较[4]应能量转换电池和电磁辐射能量转换核电池中应用。因此,在偏僻地区使用的核电池,可以选放射源核素半衰期/a射线种类比功率/(W/g)较多[8],60Co5.26毬毭5.54用90Sr作为放射源。90Sr本身是裂变堆的主要放射90Sr28.5毬0.223性废物之一,可以从核电站的放射性废物中提取。,137Cs30毬毭0.12所以,用90Sr来发电也是对废物的一种综合利用。,144Ce0.78毬毭0.284氚作为能量来源的状态有气体和固体,可以用210Po0.38