核电池：小身材有大能量

一般核电池在外形上与普通干电池相似，呈圆柱形。在圆柱的中心密封有放射性同位素源，其外面是热离子转换器或热电偶式的换能器。换能器的外层为防辐射的屏蔽层，最外面一层是金属筒外壳。“好奇”号的核电池由两部分组成：一个装有钚238二氧化物的热源和一组固体热电偶。热电偶是一种半导体，可以将钚238衰变产生的热能转化为电能。(见上图)

同位素衰变时释放的能量大小和释放速度不受外界环境的温度、化学反应、压力、电磁场的影响，所以在要求高功率、长寿命、运行环境恶劣的供电领域，核电池是绝佳的选择。特别是当航天器远离太阳或位于星球表面上，难以靠太阳能电池长时间供电时，核电源便是唯一的选择了。

当放射性物质衰变时，能够释放出带电粒子，如果正确利用的话，能够产生电流。核电池正是利用放射性物质衰变会释放出能量的原理所制成的，此前已经有核电池应用于军事或者航空航天领域的实例，但是它们的体积往往很大。过去在电池的研发过程中面临的重大难关之一，就是为了提高性能，电池大小往往比产品本身还大。由美国密苏里大学计算机工程系教授率领的研究组成功为“核电池”瘦身，他们研发出的“核电池”体积小但电力强：体积只是略大于1美分硬币(直径1.95厘米，厚1.55毫米)，但电力是普通化学电池的100万倍。密苏里大学研究团队称他们研制小型核电池的目的是，为微机电系统或者纳米级机电系统找到合适的能量来源。如何为微型或纳米级机电系统找到足够小的能源装置，同研制微型装置一样是一个热门的研究领域。核电池的另一诱人之处是，提供电能的同位素工作时间非常长，甚至可能达到5000年。

太空核电池的研发始于1958年的美国。1961年美国发射了近地轨道导航卫星“子午仪-4A”，该卫星首次配备了RTG。该电池外形接近球体，直径约12.5厘米，重约2千克。个头虽小，它所提供的电力却相当于一块重300千克的镍-铜电池。“子午仪-4A”卫星在太空运行了十多年，大大超过原来的设计寿命。

在月球的漫漫长夜里，月表温度可低至-170℃。这时普通电池都无法工作，核能成为最理想的选择。1969至1972年间，共有五块放射性同位素电池被五次“阿波罗”任务的宇航员带上月球，为月震仪、磁强仪、热流计、重力计和太阳风测定仪等多种仪器提供电能。1969年，苏联的“月球车1号”登上月球，这台重达756千克的无人探月车使用11千克的放射性同位素钋210作为燃料(可输出800瓦功率)来抵御月夜的严寒。“月球车1号”设计寿命为三个月，实际工作了近一年时间。

为了保证安全，需要对核电池进行大量苛刻的环境试验，包括模拟火箭发射和着陆环境的冲击振动试验、模拟再入大气层的高温试验、模拟海水长期浸泡的腐蚀试验等。四十年来，RTG已为许多太空任务提供动力，保持着良好的工作业绩。即便是在那些距离地球极其遥远、环境极其恶劣的考察任务中(如飞至太阳系边缘的“先驱者”号和“旅行者”号、飞向木星的“伽利略”号、探测太阳极区的“尤利西斯”号、飞向土星的“卡西尼”号、飞向冥王星“新视野”号等)，RTG也从未出现过故障。

中国第一块放射性同位素电池于1971年3月12日诞生于中科院上海原子核所，以钋210为燃料，输出电功率为1.4瓦，热功率35.5瓦，它经历了模拟太空应用的地面试验。随着我国核电站数量的增加，由乏燃料后处理提取镎237原料的逐渐积累，为今后开发钚238电池提供了物质基础。从2004年开始，中国原子能科学研究院启动了太空同位素电池的研发工作，2006年该院研制出我国第一颗钚238同位素电池。

我国于2013年发射“嫦娥三号”探测器在月球进行软着陆并施放月球车，月球探测工程首席科学家欧阳自远院士接受媒体采访时表示，中国月球车配备核电池来帮助月球车进行“冬眠”，等到太阳再次在月面上升起时，电池自动重启，月球车开始进入工作状态，这样的核电池可持续工作30年。

当然，核电池的用武之地绝不仅仅局限于太空，高山、深海、南北极乃至人体中到处可以找到它的影踪。心脏起搏器用的核电池重量仅40克，体积很小，寿命可达十年，病人免除了经常做开胸手术的痛苦。在极地、海岛、高山、沙漠、深海等条件恶劣、交通不便的地方都是RTG的大显身手之地。无人自动气象站、浮标和灯塔、地震观察站、飞机导航信标、微波通讯中继站、海底电缆中继站等都可以使用免维护、长寿命的RTG供电。仅俄罗斯的北极海岸地区就有386个使用锶90的RTG在运行，为导航设施供电。目前，使用同位素电池的收音机和个人电子设备也已经出现。

现在，核电池正向效率更高、比功率更大、安全性更强的方向发展，它不但能帮助人类遨游太空、畅游海洋，还会走进日常生活给我们带来诸多便利。