“核電池”真的能用一萬年嗎？看完其工作原理，你或能了解真相

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你知道嗎？下一次“核戰(zhàn)爭”已經(jīng)近在眼前了，只不過這次的主角并不是什么“殺傷性武器”，而是“核電池”。

那么，核電池是什么時候出現(xiàn)的呢？它又經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展歷程？它真的能用一萬年嗎？

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核電池的發(fā)展回顧

人類和核能之間的“孽緣”基本都開始于上個世紀(jì)，核電池也不例外。它是在1913年，由英國物理學(xué)家亨利·莫塞萊發(fā)明的。那一年，他利用水晶X射線衍射法觀察和測量了多種金屬化學(xué)元素的波譜，在首創(chuàng)莫塞萊定律之后，順便設(shè)計(jì)了世界上第一個核電池。

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亨利·莫塞萊發(fā)明出第一個核電池

根據(jù)資料來看，當(dāng)時這塊核電池使用的是20mCi的β放射源，采用直接收集機(jī)制獲得150kV的電壓以及電流。不過，這塊電池也有不少缺點(diǎn)，其中最典型的，就是對真空環(huán)境有著嚴(yán)格的要求，在這種情況下，它的可應(yīng)用領(lǐng)域很少。

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后來，人們都發(fā)現(xiàn)了核電池的壽命要比普通電池長的多，這種優(yōu)點(diǎn)剛好符合那一時期準(zhǔn)備起步的航天探索事業(yè)。所以，一批科學(xué)家在忙著搞“核武器”，另一批科學(xué)家則忙著研究核電池。

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自上世紀(jì)五十年代開始，核電池就開始進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，人們通過熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制造出了適用領(lǐng)域更寬泛的核電池，相關(guān)的研究甚至擴(kuò)展到了器件制造和應(yīng)用方面。

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用熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制造出核電池

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眼看著這種“超長壽命電池”不斷取得研發(fā)成果，美國在1956年就制定了核動力輔助計(jì)劃（簡稱SNAP），希望核電池的研究可以助力航天發(fā)展。到1961年，他們便已實(shí)現(xiàn)讓核電池飛上太空的壯舉了。

如今，核電池的發(fā)展已經(jīng)過去了百年，人們學(xué)會了使用核廢料制作核電池，進(jìn)一步提升它的發(fā)電性能和壽命等等。

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比如，此前美國的NDB公司就表示，他們通過相關(guān)技術(shù)，造出了一種新型核電池，這種電池的壽命甚至能達(dá)到2.8萬年左右。

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那么，為什么核電池的壽命能這么長呢？它的工作原理到底是什么？

核電池的分類及工作原理
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核電池又叫放射性同位素電池、原子能電池，雖然與核武器、核電站之類的共同起步發(fā)展，但是知名度相對較低，一直比較低調(diào)。這就導(dǎo)致大家對它產(chǎn)生了一些誤解，比如不少人都覺得核電池就和核電站的發(fā)電原理一樣，它就是“濃縮版”的核電站。

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核電池是一種放射性同位素電池

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但事實(shí)上，核電站是利用核反應(yīng)堆當(dāng)中，原子核裂變釋放的核能來發(fā)電的，而核電池的發(fā)電原理和核裂變一點(diǎn)兒關(guān)系都沒有。因?yàn)樗墓ぷ髟恚亲屍渲械耐凰厮プ儺a(chǎn)生能量，然后再將這些能量轉(zhuǎn)換成電。

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正是因?yàn)橛羞@樣特殊的發(fā)電原理，所以核電池的分類是按照“轉(zhuǎn)換方式”來區(qū)分的。人們將其分成了兩大類，分別是非熱轉(zhuǎn)換型核電池和熱轉(zhuǎn)換型核電池。并且這兩大類之下可以繼續(xù)細(xì)分，比如非熱轉(zhuǎn)換式還可以分為直接充電型、直接轉(zhuǎn)換型和間接轉(zhuǎn)換型。

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那么，這兩種不同形式的核電池，工作原理又有何差異呢？

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首先來說說熱轉(zhuǎn)換型核電池。它算是起步發(fā)展比較早的一類，技術(shù)發(fā)展相對成熟。從其名字就能看出，它是利用同位素衰變后產(chǎn)生的熱能來發(fā)電的。首選的同位素有人工合成的化學(xué)元素鋦244、鋦242以及钚238，這之中大家比較熟悉的應(yīng)該是钚238，畢竟它是世界上第二個被合成的超鈾元素。

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钚238是第二個被合成的超鈾元素

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钚238不僅能夠在衰變的過程當(dāng)中，釋放出大量的熱量以供發(fā)電，其半衰期的年限還特別長，大約為87.74年。這就意味著，從理論上來說，你擁有了一塊由钚238制成的核電池，少說也能用幾十年，如果愛惜一點(diǎn)，它的壽命甚至比你家房子的產(chǎn)權(quán)年限還長。

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目前這類電池常用的機(jī)制為熱離子轉(zhuǎn)換、熱光電轉(zhuǎn)換、賤金屬熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換等等，其中熱離子的轉(zhuǎn)化效率雖然高達(dá)20％，但是用于轉(zhuǎn)換的原料鋦244產(chǎn)量比較少，價格十分昂貴，無形中就提升了制造成本。

熱轉(zhuǎn)換型核電池制造成本昂貴

其次再來看看非熱轉(zhuǎn)換型核電池。這類電池主要依靠同位素衰變放出β粒子來發(fā)電。以直接充電式核電池為例，它的基本結(jié)構(gòu)就包括放射源、真空系統(tǒng)、電荷收集裝置。工作原理是在真空環(huán)境之下，發(fā)射源發(fā)出β或者α粒子，然后被電荷收集裝置捕捉到形成電場。

其實(shí)從不同核電池的發(fā)電原理來看，之所以有人宣傳它能使用1萬年甚至更久，主要是根據(jù)其中同位素的半衰期長短來判斷的。不過雖然核電池的半衰期很久，但是也頂不住一直消耗，所以它的實(shí)際使用年限應(yīng)該還是和“用電量”息息相關(guān)。

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正因如此，目前“能用一萬年”還是有些夸張宣傳的意味，再者也沒有人有那么“長壽”，真的目睹這個電池在1萬年后才耗盡電量。不管怎么說，核電池的壽命對比其他電池來說，都要長的多，目前研發(fā)的核電池大多適用于“耗電量”不太大的設(shè)備。

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此外，想讓核電池真正成為人們“夢想中”那種，能夠順利使用千年或者萬年的“超級電池”，還需要進(jìn)一步改進(jìn)能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，因?yàn)榇蟛糠趾穗姵氐哪芰哭D(zhuǎn)換效率都太低了，這是一種浪費(fèi)。至于將核電池推廣進(jìn)行民用，估計(jì)還有十分漫長的路要走，畢竟它們的造價實(shí)在是太高了。

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不知道NDB公司研制出用“核廢料”制作的納米級鉆石核電池，能不能依靠廉價的原料，拉低核電池的市場價格。若是價格夠低的話，大家還是很樂意買一塊來用用的，不求千年萬年，哪怕用5到10年也不虧。那么，若是未來核電池的研制取得了更大的進(jìn)步，它將會被應(yīng)用在哪些領(lǐng)域當(dāng)中呢？

核電池可以應(yīng)用在哪些領(lǐng)域中？
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首先就是航天領(lǐng)域了，這一領(lǐng)域是各國角逐的主要目標(biāo)。其實(shí)將核電池應(yīng)用于太空探索，不止是看重它壽命長，還有重量輕，以及小、能夠經(jīng)受強(qiáng)烈振動之類的要求。從目前的情況來看，核電池滿足了大部分要求。

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因此早在旅行者1號進(jìn)入太空遨游的時候，美國就為它裝上了長效RTG核電池。根據(jù)資料來看，它的核燃料是以钚238為主的，咱們在上文中提到過，這是熱轉(zhuǎn)換型核電池的首選元素。在擁有了這一電池之后，遠(yuǎn)游長達(dá)幾十年的旅行者一號，在2025年前依舊能與咱們保持聯(lián)絡(luò)。

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旅行者一號的核電池使其能保持運(yùn)作至2025年

其次就是在進(jìn)入民用領(lǐng)域后，核電池可以用在手機(jī)、電動汽車之上。在裝上核電池后，大家就不用再尋找充電寶和充電樁了，因?yàn)橛猩陜?nèi)，電池的電量是消耗不完的。

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不知道核電池普及使用的這一天，何時才能到來呢？

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