具有獨特用途的放射性同位素電池

沈天健 梁代驊 蔡建華 戴志敏 夏匯浩 王建華 孫 森俞國軍 王 曉 王東興 劉 鑫

(中國科學院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)

自從伏打電池問世以來，迄今已有二百多年的歷史。電池可分為化學電池和物理電池，化學電池又可分為干電池、蓄電池、燃料電池及金屬空氣電池等；物理電池主要有太陽能電池和放射性同位素電池?；瘜W電池雖然造價較低，但是使用壽命較短，大約在數(shù)小時到數(shù)天之間。物理電池，尤其是放射性同位素電池的使用壽命較長，在數(shù)月到數(shù)十年之間。放射性同位素電池的比容量在104–105/W·h·kg–1。

放射性同位素電池的種類按用途可分為空間、地面、海下、醫(yī)學用的電池等，按工作原理可分為熱轉(zhuǎn)換型和非熱轉(zhuǎn)換型(即核電池)兩類。

熱轉(zhuǎn)換型放射性同位素電池，是通過換能器將熱能轉(zhuǎn)換為電能，它有靜態(tài)型和動態(tài)型熱轉(zhuǎn)換之分。靜態(tài)型電池功率通常<103W，例如，熱電型放射性同位素電池(Radioisotope thermoelectric generator(RTG))[1]和熱離子型放射性同位素電池(Thermionic converter)[2]。動態(tài)型電池功率＞103W，例如，布雷登循環(huán)系統(tǒng)(Brayton Cycle System)[3]、蘭金循環(huán)系統(tǒng)(Rankine Cycle System[4])和斯特林循環(huán)系統(tǒng)(Stirling Cycle System)[5]。

非熱轉(zhuǎn)換型放射性同位素電池，是將放射性同位素衰變放射的高速帶電粒子的動能直接轉(zhuǎn)變成電能，或使射線經(jīng)次級效應(yīng)而轉(zhuǎn)變成電能，這類電池又稱核電池，它的功率水平較低(10–6–10–3W)。

本文就熱轉(zhuǎn)換型放射性同位素電池的特點、原理和發(fā)展情況等，作一綜述性介紹。

1 熱電型放射性同位素電池的特點

(1) 壽命長。放射性同位素電池的壽命，主要取決于換能器的工作穩(wěn)定性和所選同位素燃料的半衰期以及電池的輻射損傷。目前常用的換能材料有碲化鉍、碲化鉛、硅-鍺合金，穩(wěn)定性都很好，常用的放射性同位素有238Pu、90Sr，半衰期分別為86.4 a和27.7 a，可使核電池的工作壽命滿足長期任務(wù)的需要。目前的設(shè)計壽命為5–10 a，實際使用超過10 a，初期的電池使用已達35 a。

(2) 環(huán)境適應(yīng)性強。它們不依賴陽光，在漫長月夜(14 d/月)的月球、無陽光的深海、遠離太陽的外層空間和遠星球都能正常運行。它們也不怕宇宙輻射損傷和粒子轟擊，能在電離層和高輻射帶(如木星周圍)及嚴重塵暴(如火星)等惡劣環(huán)境中工作；還能承受數(shù)千米深的海水靜壓力及海水的長期腐蝕作用。環(huán)境溫度變化、空間的高真空對它們的影響也很小。

(3) 工作可靠。靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換放射性同位素電池并無活動部件，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計并選擇合適的半導體和最佳工作狀態(tài)，采取防升華、防氧化措施，其可靠性是相當高的。

(4) 無需維護。放射性同位素電池可長期使用無需維護，除在深太空、深海應(yīng)用外，還可在高山、極區(qū)、孤島、沙漠等特殊環(huán)境中使用。

(5) 小型化?？臻g和醫(yī)學應(yīng)用的放射性同位素電池結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。采用α放射性同位素作燃料，無須專門屏蔽。源盒、電池尺寸小、重量輕。美國第一臺正式應(yīng)用于空間的電池重2 kg，能提供相當于一臺重300 kg鎳-鎘電池提供的電力。

2 熱電型放射性同位素電池的基本原理

放射性同位素電池是根據(jù)溫差發(fā)電原理制成的(圖1)。放射性同位素衰變放出的高速帶電粒子(α,β)和γ輻射與物質(zhì)相互作用而被物質(zhì)吸收，射線的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被作用物質(zhì)(源盒)的溫度升高，再通過半導體換能器把熱能轉(zhuǎn)化成電能(溫差發(fā)電)。按功能及工作內(nèi)容，放射性同位素電池結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1 熱電型放射性同位素電池工作原理和熱電流程示意圖Fig.1 The principle and heat flow procedure of radioisotope thermoelectric generator.

圖2 放射性同位素電池的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The Structure of RTG.

2.1 總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計

放射性同位素電池的總體性能參數(shù)包括效率、輸出功率(電壓)、工作壽命、重量、體積、可靠性、成本等。根據(jù)用戶要求，進行最佳化的物理設(shè)計、機械設(shè)計，選擇元件、材料(同位素、半導體、源盒、屏蔽、外殼等)，確定尺寸、框架、總體布局、對各部分總的要求，對性能參數(shù)進行分析綜合平衡，選擇最佳方案，總體安裝、測試，調(diào)整改進設(shè)計。

2.2 放射性同位素熱源

放射性同位素熱源由兩部分組成：放射性同位素燃料和燃料盒。高質(zhì)量的電池，要求燃料的功率密度高、半衰期長、毒性小、有害雜質(zhì)少(不產(chǎn)生高能中子和高能γ)、防護簡單、屏蔽輕等。至今，應(yīng)用于電池的同位素主要有：238Pu(空間、醫(yī)學)、90Sr(地面、海下)、210Po(示范模型、輔助電源、熱源)。燃料盒包裝燃料要求堅固、經(jīng)久耐用、可靠密封、確保安全。

2.3 放射性同位素的輻射損傷、屏蔽與安全防護

選擇合適的同位素及其化學形態(tài)并進行源盒設(shè)計、屏蔽設(shè)計，開展輻射損傷研究以避免內(nèi)照射和外照射，放射性同位素源的運輸、安裝、防盜、廢源的處置都需取得相應(yīng)資質(zhì)。

2.4 放射性同位素電池的核安全研究試驗

空間用的放射性同位素電池要能經(jīng)受發(fā)射、各類事故、重返大氣層所遇到的各種極端環(huán)境(如加速、振動、撞擊、爆炸、腐蝕、局部高溫、燒蝕等)的考驗，海下用電池要經(jīng)受海水的靜壓力和海水長期腐蝕等。要就使用環(huán)境和飛行環(huán)境作嚴格的模擬試驗，乃至實際考驗。

2.5 半導體換能器

換能器由半導體換能材料和電極組成，是決定電池性能的主要因素，因此，要求其轉(zhuǎn)換效率高和工作穩(wěn)定。高效率電池要求半導體換能材料在使用溫度范圍內(nèi)具有高的靈敏值。目前較成熟、使用較多的低、中、高溫半導體換能材料是碲化鉍、碲化鉛、硅化鍺。電極是連接N型和P型半導體換能元件之間的金屬，主要起電連接、傳熱、機械支撐作用。另外，焊接的可靠性及其化學、物理穩(wěn)定性，直接影響電池的壽命和效率，因此，電池研制中，對電極、焊料、焊接工藝應(yīng)有嚴格的要求。

2.6 絕熱材料

絕熱材料的主要作用是減少漏熱，確保絕大部分熱量從換能材料通過，并在換能材料兩端建立符合設(shè)計要求的溫差，其性能決定電池的結(jié)構(gòu)效率。對它的要求是熱導率盡可能低、耐高溫、耐輻射、有一定機械強度。

2.7 外殼—散熱器

放射性同位素電池的外殼能抵御外部機械撞擊、熱沖擊、燒蝕，對換能器、熱源起屏障和緩沖器的作用；同時還具有散熱作用，對空間大功率電池需采用輻射效率高的散熱翅。外殼—散熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸對電池重量有很大影響，須在安全保護-散熱-重量間統(tǒng)籌考慮。

2.8 電壓變換和功率調(diào)節(jié)

儀器設(shè)備所需電壓較高，還要求多路供電，故須對電池輸出電壓進行變換，使之與用電設(shè)備相匹配。對于間歇式或脈沖式(如航標燈或發(fā)報)用電設(shè)備，要用功率調(diào)節(jié)裝置解決峰值與值守功率之間的矛盾。放射性同位素電池裝源運行后，不管設(shè)備用電與否，電池將連續(xù)輸出電流。放射性同位素的衰變會引起電池功率的遞降，為解決電池使用初期與末期的功率矛盾，需功率調(diào)坪。為使電池有盡可能高的效率，功率調(diào)節(jié)或調(diào)坪裝置要力爭高效率。

3 空間星際探測的電源

3.1 在地球衛(wèi)星上的成功應(yīng)用

1961–1976年，美國在地球衛(wèi)星上使用19臺放射性同位素電池(不包括熱源和反應(yīng)堆)[6,7]，其中子午儀導航衛(wèi)星上5臺，雨云氣象衛(wèi)星上10臺，通訊衛(wèi)星上4臺。這些電池均用238Pu，每臺功率從幾瓦至100多瓦，設(shè)計壽命1–5 a，實際使用壽命都超過設(shè)計壽命。有2次發(fā)射失敗，放射性同位素熱源返回燒蝕或回收，未形成事故。前蘇聯(lián)于1965年在軍事衛(wèi)星(宇宙-84、宇宙-90)使用2臺210Po同位素電池作輔助電源[7]，其后在地球衛(wèi)星末使用放射性同位素電池，而主要使用反應(yīng)堆作能源。

3.2 月球試驗站放射性同位素電池一枝獨秀

1969–1972年，美國在阿波羅12號、14號、15號、16號、17號先后5次發(fā)射的月面試驗站中，使用 5臺放射性同位素電池[6,7]，每臺輸出功率都為70多瓦，外形尺寸(含散熱翅) Φ46 cm×40 cm，重量<20 kg，同位素燃料為Φ50–250 μm的氧化钚-238微球，每臺約裝1.65×1015Bq，向月面試驗站的月震儀、磁強儀、太陽風探測儀等五種儀器設(shè)備供電(圖3)。這些電池經(jīng)受了太空飛行環(huán)境、月面惡劣環(huán)境的考驗，正常運轉(zhuǎn)超過設(shè)計壽命，為放射性同位素電池在外層空間的使用打下了堅實基礎(chǔ)。

圖3 美國在月球試驗站使用的放射性同位素電池Fig.3 The RTG used on the moon[8].

3.3 外層星際探測的電源

20世紀70年代初至世紀末，美國發(fā)射了10艘星際探測器，共有25臺放射性同位素電池用于外層行星探測[6,7]。每臺電池電功率80–850 W，設(shè)計壽命 2–10 a，同位素燃料為氧化钚-鉬陶瓷或氧化钚-238陶瓷片。1996年俄羅斯“火星-96”號使用了4臺钚-238放射性同位素電池[7]。

在外層行星探測器接收的太陽能極少，飛行器背離太陽飛行；太陽系行星空間還有宇宙微粒襲擊、強輻射、強磁場；使用壽命一般5–10 a；宇宙空間還有許多未知的惡劣環(huán)境。因此，在星際探測任務(wù)中(月球表面和深太空)，放射性同位素電池是目前的首選電源。

中國科學院上海應(yīng)用物理研究所(原上海原子核研究所)于1971年3月12日安裝試驗成功我國第一臺放射性同位素電池—210Po電池[9]。如圖4，電池內(nèi)裝210Po燃料4.1×1013Bq，輸出電功率1.5 W，電池效率4.2%，有效壽命符合用戶要求，所用半導體換能器是碲化鉛組件，絕熱材料為熱導率很低(10–4W/cm·k)的微孔絕熱材料。該電池性能指標與國外指標相近或占優(yōu)，填補了國內(nèi)這一領(lǐng)域的空白，為放射性同位素電池的研制打下了堅實的基礎(chǔ)。

圖4 中國第一臺放射性同位素電池—210Po電池Fig.4 The first RTG produced in China.

4 地面和海下電源

20世紀60年代初，地面用放射性同位素電池正式投入應(yīng)用，主要作為自動無人氣象站、浮標和燈塔、地震觀測站、飛機導航雷達信標、微波通訊中繼站等的電源。

自動無人氣象站地區(qū)環(huán)境惡劣，卻是全面掌握氣象動態(tài)不可缺少的測量點。衛(wèi)星與各類氣象站組成綜合測量系統(tǒng)，自動氣象站自動、定時測量、記錄、傳送溫度、濕度、氣壓、風向、風速、日照、雨量等要素資料，使氣象預報更科學、準確、及時。放射性同位素電池最能適應(yīng)無人氣象站的使用環(huán)境。

處于遠海及孤島處的燈塔和浮標，設(shè)置在邊遠偏僻處及海洋中的地震觀測站、設(shè)置在隱秘處的飛機導航雷達信標、建立在高山頂上的微波中繼站等工作環(huán)境惡劣、地理位置險要，儀器設(shè)備難于經(jīng)常維護、更換，最合適的電源還是放射性同位素電池。

美國上世紀 80年代在阿拉斯加部署了Sentinel-25F和SNAP-23A的RTG作為無線電中繼站電源。1976年在南極Marble Point，美國國家科學基金會(NSF)和斯坦福大學建立了南極氣候觀察站(AWS)，試用了URIPS-8RTG[10]。

海下用的電池要解決海水靜壓力和海水腐蝕等問題，放射性同位素電池是理想的海下電源，主要用于海洋學和海洋工程測量設(shè)備、反潛艇水下監(jiān)測器、海下聲納、海底航標、海底電纜中繼站等儀器。

1978年美國在阿拉斯加的Fairway Rock部署了RTG的海底傳感系統(tǒng)，設(shè)計壽命＞10 a。自1974年起美國陸續(xù)在水下、海底使用了多種 SNAP-21和Sentinel-25放射性同位素熱電發(fā)生器(電池)[10]。

20世紀60年代，蘇(俄)、美、法、英、德、意大利、加拿大等國相繼在地面、海下使用放射性同位素電池，蘇聯(lián)(俄羅斯)的國防部、交通部使用了1000多個，所用放射性同位素大都為90Sr，每個電池放射性活度 1.85×1014?1.30×1016Bq，有的電池已超過使用壽命。美國海軍、空軍、能源部在地面、海洋使用了140多個放射性同位素電池。法、英、加拿大、意大利都有地、海使用的報道。

中國科學院上海應(yīng)用物理研究所于 1972?1974年設(shè)計、安裝、試驗了5臺3 W的電熱模型[11]，為設(shè)計地、海用的電池提供可靠依據(jù)。根據(jù)210Po電池發(fā)現(xiàn)的問題，對電池的結(jié)構(gòu)、總體安裝工藝、換能材料性能、焊接質(zhì)量等作了改進，并取得良好效果。5個模型中效率最高的達5.6%，最長有效壽命超過三年。其中一個模型配備了電壓變換裝置和鎳鎘電池給航標燈供電，在無人照管情況下，電池模型為航標燈供電達六年之久(圖5)。

圖5 1973年上海應(yīng)用物理研究所研制的地、海應(yīng)用的電熱模型(為航標燈供電)Fig.5 RTG model for territory application designed at Shanghai Institute of Applied Physics in 1973(power supply for lantern).

2004年，中國原子能研究院同位素所承擔了“百毫瓦級钚－238同位素電池研制”任務(wù)，在兩年時間內(nèi)，同位素所和協(xié)作單位完成了總體設(shè)計和一系列相關(guān)工藝研究，研制出樣品。最終檢測表明，電池輻射防護檢測的各項指標均符合國家安全要求，性能達到了技術(shù)指標要求[12]。

5 醫(yī)學應(yīng)用

放射性同位素心臟起搏器是微型電池(10–3–10–6W)在醫(yī)學上應(yīng)用的實例，放射性同位素電池推動了埋植式起搏器的應(yīng)用，使用壽命長，避免多次手術(shù)更換電池及心肌電極插入口引起的感染。

用于心臟起搏器的放射性同位素電池要求：(1)微型化，外形尺寸Φ2.3 cm×5 cm，由此要求放射性同位素功率密度較高。(2) 工作穩(wěn)定可靠，使用壽命＞10 a，同位素半衰期須足夠長，(如238Pu，t1/2=86.4 a)。(3) 安全性要求高，選用同位素毒性低，燃料盒在各種可能事故下完整無損；選用α源且純度達到醫(yī)學級水平，并盡量減少燃料用量，降低電池的輻射劑量(起搏器表面劑量<2.5×10–5Sv/時)。已正式使用的起搏器表面劑量與一塊夜光表的輻射劑量相當，一年內(nèi)所接受的總劑量相當于進行一次胸透的劑量，不會造成輻射損傷。

放射性同位素心臟起搏器于上世紀 70年代初開始應(yīng)用，最早使用的是法國和美國。法國用于放射性同位素心臟起搏器[6]的電池為碲化鉍半導體型，燃料為238Pu二元合金，輸出功率700 μW，外形尺寸Φ2.3 cm×5 cm，重40 g。美國使用金屬熱電偶型電池的心臟起博器[6]，燃料為金屬238Pu，輸出功率230 μW，外形尺寸Φ1.7 cm×4.5 cm。

放射性同位素電池還能用作人工心臟、人工肺臟、人工腎臟、心臟輔助裝置、神經(jīng)模擬器、人工血壓調(diào)節(jié)器、括約肌刺激器等的電源。

6 放射性同位素電池的發(fā)展與應(yīng)用前景

6.1 改進傳統(tǒng)換能材料性能、開展先進換能材料研究

改進傳統(tǒng)換能材料碲化鉍、碲化鉛、硅化鍺的性能，提高優(yōu)值，并根據(jù)使用要求和材料特性對三種材料進行分段串接或級聯(lián)組合使用，使各自在最佳工作溫度使用，獲得最高的轉(zhuǎn)換效率[13]。還要開展先進換能材料研究，如方鈷礦類材料、功能梯度換能材料、納米復合材料。

6.2 由“靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換”向多種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)展

美國制定了空間核創(chuàng)新計劃，提出開發(fā)先進放射性同位素發(fā)電體系。各國已開展或計劃開展的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有靜態(tài)熱離子換能器、同位素熱光伏轉(zhuǎn)換器、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器、同位素熱聲能源系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)已進入研發(fā)階段[14]。近年來，動態(tài)型放射性同位素發(fā)電系統(tǒng)的研制取得進展，有的已進入工程單元設(shè)計和論證，研究較多的是布雷頓(Brayton)、斯特林(Stirling)循環(huán)系統(tǒng)，后者已被NASA列入重點研究內(nèi)容，有的國家還開展微型溫差電換能器的研究，某些非熱轉(zhuǎn)換核電池也有新進展。

6.3 放射性同位素電池的應(yīng)用前景

21世紀將繼續(xù)進行火星、木星、天王星、海王星及太陽的探測，如向木星衛(wèi)星發(fā)射軌道飛行器，對彗星進行科學考察，飛越冥王星等。圖6是美國登月30年后宣布重返月球的計劃，預計2018年實現(xiàn)載人重新登月，并將建立月球基地。我國于2003年啟動了嫦娥月球探測工程，歐洲航天局公布了“曙光女神”計劃，日本以發(fā)射“飛天號”、“月神號”為契機步入了探月征途，印度將以“月船1號”為起點開始展現(xiàn)它的月球計劃[15]。只有放射性同位素電池能滿足月球飛行與月面探測任務(wù)的要求，成為這些領(lǐng)域的最佳電源。

此外，放射性同位素電池在海下、地面、醫(yī)學方面的應(yīng)用也將繼續(xù)擴大和深入發(fā)展。

圖6 美國在太空中使用的放射性同位素電池[8]Fig.6 RTG of USA used in space.

6.4 放射性同位素電池民用化趨勢越來越明顯

上世紀70年代，放射性同位素電池用于心臟起搏器是民用的良好開端。近十多年來，諾基亞公司已開發(fā)出核能手機樣機，內(nèi)置核電池，可終機使用不用更換電源，也有完善的安全措施。蘋果公司也進行了將核電池用于筆記本電腦的研發(fā)工作。放射性同位素電池在微型電動機械中的應(yīng)用也是一個飛速發(fā)展的領(lǐng)域。還有科學家提出在電動汽車上使用放射性同位素電池的設(shè)想。以上這些動向展現(xiàn)了民用的發(fā)展前景。

熱電型放射同位素電池具有壽命長、對環(huán)境適應(yīng)性強、工作可靠、不需要維護、小型化(空間、醫(yī)學應(yīng)用)等特點，在空間、海下、地面、醫(yī)學等方面已獲得廣泛應(yīng)用，成為空間星際探測和最佳海下電源。在地面特殊任務(wù)、醫(yī)學方面也獲得成功應(yīng)用。在21世紀，放射性同位素電池將繼續(xù)深入發(fā)展，改進傳統(tǒng)的換能材料性能，開展先進換能材料的研究，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將由“靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換”向多種轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)展；放射性同位素電池將在大規(guī)?？臻g和太陽系探測中發(fā)揮更大作用。在海下、地面、醫(yī)學方面的應(yīng)用也將繼續(xù)擴大，并開始向“民用化”發(fā)展?？傊?，放射性同位素電池將朝著壽命更長、效率更高、更安全可靠、功率范圍更大、種類越來越多、使用范圍更加廣泛的方向發(fā)展。

1 Mills, Joseph C, Richard C D.Thermionic Systems for DOD Missions.American Institute of Physics Conference Proceedings, 217(3): 1088–1092

2 http://nuclear.mst.edu/department/spacepower.html,Nuclear Power in Space, Nuclear Engineering U.S.Department of Energy Office of Nuclear Energy, Science and Technology DOE/NE-0071

3 Lester C L.Combustion Engine Processes, 1967,McGraw-Hill, Inc., Lib.of Congress 67-10876

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6 梁代驊, 斯厚智, 杜光天, 等.放射性同位素電池.北京: 原子能出版社, 1978 LIANG Daihua, SI Houzhi, DU Guangtian, et al.Radioisotope power generator, Beijing: Atomic Energy Press, 1978

7 蔡善鈺, 何舜堯.核科學與工程, 2004, 24(4): 97–104 CAI Shanyu, HE Shunyao.Chinese J Nucl Sci Eng, 2004,24(4): 97–104

8 Sakamoto J, Jewell A.Advanced Thermoelectric Power Generation Technology Development at JPL 3rdEuropean Conference on Thermoelectric, Nancy, France, 2005

9 黛薺祖.核技術(shù), 1980, 3(5): 8–13 DAI Qizu.Nucl Tech, 1980, 3(5): 8–13

10 Report Documentation, Radioisotope Thermoelectric Generator of the U.S.Navy, Volume 10, Naval Nuclear Power Unit, Port Hueneme CA 93043, 1978

11 梁代驊, 杜光天, 斯厚智, 等.核技術(shù), 1982, 5(2):17–20 LIANG Daihua, DU Guangtian, SI Houzhi, et al.Nucl Tech, 1982, 5(2): 17–20

12 http: // www.ciae.ac.Cn /otype3/onews /onews588.htm

13 Corliss W R, Harvey D G.Radioisotope Power Generation, Printic-Hall, 1964

14 崔 萍, 李 歆, 張 楠, 等.電源技術(shù), 2004, 28(12):803–806 CUI Ping, LI Xin, ZHANG Nan, et al.Chinese J Power Sources, 2004, 28(12): 803–806

15 張 熇.翱翔九天, 上海: 上?？萍冀逃霭嫔? 2007 ZHANG He.Shanghai: Shanghai Scientific and Technology Education Publishing House, 2007