文章目录

• 核电池真的有放射性吗
• 核电池的热发电
• 核电池的应用
• 核电池寿命
• 核电池在其他领域的应用
• 总结:

很多人认为“核电池”是一个神奇的东西。一方面是核能驱动，看起来很高。另一方面，有人声称这种电池可以使用“一万年”。似乎使用核电池时，电能将取之不尽，用之不竭。真的是这样吗？

核电池真的有放射性吗

“核电池”的真名是“放射性同位素热电发生器”，英文名是“放射性同位素热电发生器”，所以有个简称“RTG”。从这个名字，我们可以大致了解到，所谓的“核电池”其实是一种利用放射性同位素在衰变过程中产生热能，然后利用热能发电的设备。它实际上与我们传统的核电站发电是两回事。

大多数RTG要求使用放射性元素钚。众所周知，钚是一种非常危险的物质，许多原子弹都是由钚制成的。原子弹大致分为铀弹和钚弹。钚比铀更强大。通常铀弹的核装药量为15~25公斤，而钚弹只需5~10公斤即可引爆。美国用铀炸弹轰炸广岛，用钚炸弹轰炸长崎。

左侧为广岛铀弹，右侧为长崎上空的钚弹蘑菇云左边是广岛铀弹，右边是长崎的钚弹蘑菇云空。

幸运的是，核电池中使用的钚与原子弹中使用的钚不同。原子弹的钚是钚-239(239钚)，而大多数RTG使用钚-238(238钚)，钚的另一种同位素，它比前者的原子核少一个中子。这一点非常重要。这意味着核电池中的钚不会爆炸。它只会慢慢衰变为铀-234(234U)，这是一种相对安全的产品。

钚-238的α衰变释放出一个氦-4原子核。

钚-238在衰变过程中会释放出一个氦-4原子核(α粒子)，所以钚-238的衰变也叫α衰变。阿尔法粒子比较大，速度也不快，很容易被挡住。你只需要一张纸就能挡住它。

每个α粒子从原子核发射出来时，携带5.593兆电子伏(兆电子伏，相当于8.96× 10-13焦耳)的动能。当α粒子在物质中受阻减速时，这种动能会迅速转化为热能并释放出来。估计每克238Pu在衰变过程中产生的自发热可以产生0.568W的电能。

热钚238原子核

核电池的热发电

从上一节的分析可以看出，钚-238具有放射性，在衰变过程中产生α粒子，α粒子的动能转化为热能，使钚-238变热。但是在这个过程中，没有自由电子释放。核电池是如何发电的？

这里需要提到另一个概念:热电效应。

热可以发电。准确地说，在一定条件下，温差会产生电流。核电池利用热电效应发电。

间隔连接几段铜线和铁丝，形成一个回路。当你加热它时，回路中会产生电流。这是因为不同金属中自由电子的能级不同。加热时会产生电位差，进而在电路中形成电流。这就是热电效应中的塞贝克效应。

塞贝克效应

我们身边有很多利用热电效应制作传感器的例子，比如我们每天使用的燃气灶中间的熄火传感器。当火焰燃烧时，传感器产生电流。当火焰意外熄灭，电流消失时，燃气灶的阀门就会关闭。

热电偶熄火传感器

核电池是利用钚-238的衰变热能来加热电路，从而产生稳定的输出电能。

核电池的应用

到目前为止，核电池主要用于航天空探测领域。几十年前，人们试图将其安装在起搏器中，但后来他们放弃了。

美国和前苏联广泛使用核电池为航天器提供动力。主要原因不是可以使用一万年，而是不受阳光影响，可以保持长期稳定供电。

当谈到卫星和其他航天器时，我们自然会想到太阳能电池，因为阳光是取之不尽的。但太阳能电池的缺点也很明显:需要保证持续稳定的太阳光，当航天器飞得太远或背向太阳时，太阳能电池就会失去作用。核电池没有这个问题。

朱诺探测器巨大的太阳能电池板

1977年，美国宇航局实施太阳系深空探测计划，先后发射了旅行者1号和旅行者2号两个探测器，其任务是飞往太阳系边缘执行科学探测任务。由于远离太阳的深层空光线暗淡且极其寒冷，科学家在旅行者探测器上安装了三个放射性同位素热电发电机(RTG)。同时，RTG在工作时会产生高温，它们被固定在探测器的螺旋臂上，以避免对其他传感器产生不利影响。

旅行者1号上安装的核电池和内部结构

不仅是“航海家”，在先锋10号、先锋11号、伽利略号、尤利西斯号、卡西尼号、新堀江号、火星科学实验室号、好奇号火星车和阿波罗12~17号上，美国都使用了核电池进行供电。美国宇航员在月球表面安装了被动地震实验仪器(PSE)、太阳风光谱仪(SWS)和月球表面磁力仪(LSM)。为了持续向这些探测装置供电，美国宇航局为它们配备了特殊的核电池。

阿波罗12号宇航员安装了探测设备，黄色箭头所指的黑色物体是一个核电池。

从另一张照片中可以更清楚地看到核电池:阿波罗12号宇航员正在将RTG号从飞船中取出，并准备将其安装在地面的核电池散热器中。这是因为核电池不断释放热能，所以需要通过辐射释放多余的热量。

阿波罗12号宇航员正在安装核电池。

好奇号火星车没有安装太阳能电池，它也依靠RTG作为电源，所以不管是白天还是晚上，好奇号都能在寒冷的火星表面执行探测任务。

RTG裹在好奇号尾部的白色散热器里

核电池寿命

核电池真的能像传说中的那样持续一万年吗？不幸的是，它不能。它的寿命由RTG的工作原理决定。

钚-238是一种放射性同位素，半衰期为87.7年。也就是说，在任何由钚-238加热的核电池中，87.5年后，钚-238的一半衰变为铀-234，87.7年后，剩余一半的一半衰变。虽然还在发热，但热能已经不足以产生足够的电流，这种核电池已经基本被废除。

也就是说，对于航天器来说，它所携带的核电池最多只能够使用100年。当然，这已经足够长了，飞船上的大多数其他传感器也无法支持这么长时间。

核电池在其他领域的应用

虽然用不了一万年，但核电池仍然是寿命最长的电池。不用充电就能使用近100年(而且不可能充电)，因此一度被用作起搏器供电电池。只是怕病人死后意外火化造成放射性污染，只生产了100个心脏起搏器核电池，没有继续。

核电池被用于心脏起搏器。

核电池的民用屏障不仅仅是因为害怕核辐射，更是因为太贵了。钚-238或其他放射性同位素的生产需要极其复杂的技术，因此成本太高。从商业角度来看，并不划算，所以核电池在民用方面从未取得突破。

总结:

与传统核能发电不同，核电池不利用核中子裂变或聚变反应产生热能进行发电，而是利用放射性同位素α衰变产生热能，然后利用热电效应产生稳定电流。

目前可用的放射性物质半衰期有限，最常用的钚-238半衰期为87.7年，因此一个核电池不可能使用1万年，100年左右基本失效。

RTG解剖图

核电池由于其放射性风险和高制造成本而不适合民用。在可预见的未来，RTG仍将只在航空航天领域发挥作用。