我国成功研发高效辐光伏核电池概念，寿命预估或超千年

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近日，我国科研界传来振奋人心的消息，可用上千年！效率最高的辐光伏核电池在我国面世，苏州大学王殳凹教授、王亚星教授团队携手国内多家科研单位，成功研发出一种基于“内置能量转换器”的锕系微型核电池。




这种新型核电池摆脱了传统化学电池寿命衰减的困境，实现了放射性核素衰变能到光能转换效率近8000倍的提升，是目前已知效率最高的辐光伏核电池。这一突破性成果已发表在权威科学期刊《自然》杂志上，标志着我国在核电池技术领域迈出了重要一步。



核电池，又称放射性同位素电池或原子能电池，是一种利用放射性同位素衰变过程中释放的能量来产生电能的装置。这种电池不需要外界充电，因此也被称为“永久电池”。


核电池以其长寿命、高稳定性和不受外界环境影响的特点，在航天、深海探测、极地考察等极端条件下发挥着重要作用。



核电池的工作原理主要基于放射性同位素的衰变过程。放射性同位素在衰变时会放出α粒子、β粒子或γ射线等，同时释放出大量的热能。这些热能随后被转化为电能。具体来说，核电池内部通常包含两部分：一是负责提供热能的放射性同位素热源，二是负责将热能转化为电能的能量转化器。

其中放射性同位素热源：位于电池中心的放射性物质（如钚-238）在衰变时会放出α粒子等放射性粒子。这些粒子具有较短的射程，当它们遇到电池内部的材料时，其动能会转化为热能。



能量转化器：是热能通过热电转换器（如热电偶或热离子转换器）被转化为电能。热电转换器利用热电效应（如塞贝克效应）或热离子效应，从高温热源吸收热量并向低温热源释放热量，在这一过程中产生电能。在半导体材料中，这种热能转化过程会导致电流的产生。




而核电池技术优点有；



1.长寿命：核电池中的放射性同位素衰变周期极长，因此核电池的使用寿命也非常长，有些甚至可以达到数千年。



2.高稳定性：核电池在衰变过程中释放的能量大小、速度不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场等的影响，因此具有极高的稳定性。



3.环境适应性强：核电池可以在极端环境下工作，如月球表面的巨大温差、深海的高压和腐蚀环境等，是其他能源所无法替代的。



4.能量密度高：放射性同位素衰变释放的能量非常巨大，使得核电池具有很高的能量密度。



5.应用广泛：核电池已成功地应用于航天器的电源、心脏起搏器电源以及一些特殊军事用途。此外，在深海探测、极地考察、无人气象站等领域也有广泛应用。



近年来，不少国家的核电池技术也是取得了显著进展。例如，美国无限功率公司（Infinity Power）成功研发了一种高效核电池，其整体能量转化效率超过60%，远高于传统核电池。这种电池采用了创新的电化学能量转化器，将放射性同位素溶解为电解质，从而大幅提高了能量转化效率。此外，该公司还研发了先进的电池包装技术，能够提供足够的屏蔽并防止发生泄漏。



还有，我国生产的微型核电池作为一种将放射性同位素衰变能转换为电能的装置，也具有不受外界环境（如温度、湿度等）影响的独特优势。尤其在那些对电池寿命和稳定性要求极高的应用场景中，如深海探测、太空探索、远程传感器等，微型核电池成为不可或缺的能源解决方案。



然而，这种传统微型核电池却存在自吸收效应严重、能量转换效率低等问题，限制了其广泛应用。因此，提高能量转换效率、延长使用寿命成为核电池领域亟待解决的关键问题。



针对传统微型核电池存在的挑战，王殳凹教授团队创新性地提出了基于“内置能量转换器”的锕系微型核电池结构设计理念。他们通过深入研究锕系元素与发光镧系元素的分子层级耦合机制，设计了一种能够高效转换放射性核素衰变能的内置能量转换器。



实验结果表明，这种新型结构显著提高了能量转换效率，并表现出卓越的结构稳定性和发光稳定性。研究团队进一步将内置能量转换器与光伏电池相结合，成功开发出一种全新的锕系微型辐光伏核电池，实现了高效、稳定的电能输出。



我国科研团队在核电池技术领域的这一重大突破，展现了我国科技创新的实力和潜力，为解决能源存储和转换难题提供了新的解决方案。随着高效辐光伏核电池的进一步研发和应用推广，我们有理由相信，未来以下能源领域将迎来更加光明的发展前景。



1.太空探索；在太空探索中，核电池为深空探测器和卫星提供了稳定的能源供应。这些探测器在远离太阳的深空环境中，无法依赖太阳能供电，而核电池则能持续提供能量，确保探测器能够执行复杂的科学任务。


如美国NASA的“卡西尼”号土星探测器、欧洲航天局的“罗塞塔”号彗星探测器等，都使用了核电池作为主要能源来源。



2.远程监测设备；在一些偏远地区或恶劣环境下，如深海、冰川、火山等，传统的电池供电方式难以满足长期稳定工作的需求。核电池则可以提供长达数十年的持续电力供应，为这些设备的正常运行提供保障。


如深海探测器如美国的“深海挑战者”号、日本的“深海探索者”号等，都依赖核电池提供动力，进行海洋生物研究、地质勘探等工作。



3.生物医学领域；在生物医学领域，核电池被应用于一些植入式医疗设备中，如心脏起搏器、人工耳蜗等。这些设备需要长期稳定的电能供应，以减少患者因更换电池而进行的手术次数。核电池能够持续提供稳定的电能，且寿命长，非常适合这种应用场景。



4.军事应用；在军事领域，核电池被用于一些特殊装备上，如潜艇、无人机等。这些装备对电力供应有着极高的要求，而核电池能够提供可靠的电力支持，确保装备在关键时刻能够正常工作。核电池的高能量密度和长寿命特性，使其在军事应用中具有独特的优势。



5.能源短缺地区；在能源短缺的地区或偏远地区，核电池可以提供稳定的电力供应，改善当地的生活条件。这些地区可能无法接入传统的电网，或者电网供电不稳定，而核电池则能够提供可靠的能源解决方案。



6.电动汽车等移动设备；随着核电池技术的不断进步，未来在电动汽车、无人机等移动设备领域，核电池也有望得到更广泛的应用。核电池能够提供更长的续航时间和更高的能量密度，从而解决电动汽车充电后使用时间短、续航能力不足等问题。



此外值得一提的是，虽然核电池作为一种利用放射性同位素衰变释放能量来产生电能的装置，具有许多独特的优势，但是也存在一些显著的缺点。以下是核电池的主要缺点（仅供参考）：



1.发电效率低；核电池在能量转换过程中存在效率损失，大部分热能被浪费掉，发电效率通常只有10%～20%。这意味着，尽管放射性同位素衰变释放的能量巨大，但能够转化为电能的部分相对较少。这限制了核电池在某些需要高效率能量转换场合的应用。



2.核电池的制造成本较高，这主要是由于以下几个原因造成的：如放射性同位素稀缺：制造核电池所需的放射性同位素如钚-238等相对稀缺，且提取和加工成本高昂；再如特殊材料的需求：为了保护放射性同位素并防止其泄漏对环境和人体造成伤害，核电池需要使用特殊的屏蔽材料和防护结构，这增加了制造成本；以及在研发和技术中的投入：核电池的研发和生产技术复杂，需要大量的科研投入和技术积累。



3.安全性问题；核电池内部含有放射性物质，如果处理不当或发生泄漏，会对环境和人体健康造成危害。因此，在核电池的设计、制造、运输和使用过程中，需要严格遵守安全规范和标准，确保放射性物质的安全性和稳定性。



4.废弃处理困难；核电池在达到使用寿命后需要进行废弃处理。由于内部含有放射性物质，其废弃处理过程相对复杂且费用高昂。需要采取特殊的处理方法来确保放射性物质不会对环境和人体造成长期危害。



5.体积和重量限制；尽管核电池的能量密度较高，但其体积和重量仍然受到一定限制。这限制了核电池在某些需要小型化、轻量化设备中的应用。例如，在手机等便携式电子设备中，由于体积和重量的限制，目前还难以采用核电池作为能源供应方式。



6.技术成熟度有限；尽管核电池技术在某些领域已经取得了显著进展，但整体而言，其技术成熟度仍然有限。在商业化应用方面，还需要进一步解决成本、安全、环保等问题，并推动技术的不断创新和完善。



综上，核电池在太空探索、远程监测设备、生物医学领域、军事应用以及能源短缺地区等多个领域都有广泛的应用场景。我国这一成果为核电池领域的研究提供了新的思路和方法，推动了核科学、材料科学、能源科学等多学科的交叉融合，有望激发更多创新性的研究项目；


高效辐光伏核电池的开发也为设计更长时间运行的设备提供了可能，如深海探测器、太空卫星等，将大大提升这些设备的可靠性和使用寿命。



对普通民众来说：虽然直接接触这类高科技产品的机会有限，但高效辐光伏核电池的应用将间接促进科技进步和社会发展，提升人民生活质量。例如，在环境监测、灾害预警等领域的应用，将更好地保障人民生命财产安全；


另外，锕系核素作为核废料中的长期放射毒性源，其资源化利用一直是环保领域的难题。高效辐光伏核电池的研发为锕系核素的非核燃料循环利用提供了新途径，有助于减少核废料对环境的潜在威胁。



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