核電池：驅動生活算我一個

松園

2011年8月啟程的“朱諾號”木星探測器，使用了3個10米長的太陽能電池板以滿足它在探測活動中對電能的需求，這在人類的木星探測活動中是史無前例的。此前的木星探測器如“伽利略號”都是依靠钚提供能源的，這種核原料在它衰變的過程中產生熱能，這些熱能被航天器上的放射性同位素熱電發(fā)電機轉變成了電能。未來，太陽能電池技術的進步可以讓其最終取代“核電池”嗎？

“核能航天”

難以取代

有科學家認為，假若下一代太陽能電池能在性能上進一步得到改善，而航天器也能進一步減少能源消耗，那么一艘航天器甚至可以依靠一個太陽能電池陣列進入天王星軌道。然而，當航天器進入深空后，太陽能電池的工作效率終究要大打折扣。

預計2015年夏天抵達冥王星的“新地平線號”的電力來自于一個放射性同位素熱電發(fā)電機。在冥王星附近，能夠接收到的太陽能只有地球附近的千分之一了，按照現(xiàn)有的技術，假若“新地平線號”要使用太陽能，那么它的太陽電池板便要做到約2000平方米大，這是很不現(xiàn)實的。

2011年11月26日發(fā)射的“好奇號”火星車使用核能驅動，這使得“好奇號”與它的前輩 “勇氣號”和“機遇號”在性能上有了很大的不同。事實上，“好奇號”原本也打算使用太陽能，但最后還是選擇了核能，原因就在于科學家們希望“好奇號”的表現(xiàn)能進一步超過“勇氣號”和“機遇號”，要做到這一點，就必須使電能的供應不受火星季節(jié)變化和其他環(huán)境因素的影響。2004年，當“勇氣號”著陸火星后，它曾有一個雄心勃勃的計劃，那就是攀登幾千米開外的哥倫比亞山主峰麥庫爾山，然而“勇氣號”沒能完成這個計劃，原因就在于它的太陽能供電系統(tǒng)無法提供足夠的能量，加上它的輪子也壞了。不過“勇氣號”還是在2005年9月登上了哥倫比亞山的另一座名為“赫斯本德山”的山峰，這座山高約90米，雖然比麥庫爾山低幾十米，但“勇氣號”總算可以在那里鳥瞰四周，這也是人類憑借機器人第一次在地球之外的另一顆行星上征服一座山巔。

由于使用太陽能，“勇氣號”在火星上的探險活動還經歷了一些類似的“有驚無險”的麻煩，例如有一次它遇到了強烈的火星塵暴，于是它的太陽能電池板上布滿了灰塵，這就使它的電量大減，幾乎“死”了過去，幸好火星上的一陣狂風又將電池板上的灰塵吹得一干二凈，“勇氣號”才得以“死里逃生”。

假若使用核能，這種事情就不會發(fā)生，火星車抵抗環(huán)境干擾的能力會強很多。盡管“好奇號”的重量是“勇氣號”或“機遇號”的5倍，長度是它們的2倍，但它的核動力系統(tǒng)依然能使它在60度的斜坡上行駛，而且它的工作時間也由幾年延長到了十幾年。

核電池及其安全性

放射性同位素熱電發(fā)電機又叫“放射性同位素電池”，簡稱“核電池”。與核反應堆靠裂變反應發(fā)電不同的是，核電池是基于衰變反應產生能量的。由于同位素在自然衰變中釋放熱量，人們便通過一種半導體能量轉換器將這些熱能轉化成電能，但衰變遠不如裂變劇烈，所以核電池只適用于小規(guī)模供電。它們體積小，穩(wěn)定性強，能長期使用，抗干擾性和可靠性極佳，所以自1959年核電池誕生之日起，它們便成了電池家族中深受人們青睞的佼佼者。尤其是在航天領域，核電池的應用一下子大大拓展了人類對宇宙自然的認識空間。此前的“旅行者號”、“先驅者號”、探測木星的“伽利略號”、探測土星的“卡西尼號”都仰賴于這種核能源，并且取得了巨大的成功。“好奇號”上的核電池重約45千克，發(fā)電功率140瓦，它的能量可供“好奇號”使用14年。

然而，核電池由于冠了個“核”字，它便成了人們敬而遠之的“另類一族”。事實上，用于航天器上的核能材料的確是危險的，例如钚-238，它的放射性極強，毒性很大，在發(fā)射航天器的過程中和發(fā)射以后的時段里，它們都有可能因意外而釋放到大氣層中去。1964年，美國海軍導航衛(wèi)星發(fā)生了爆炸，1千克钚-238被釋放在了大氣層中，這種嚴重污染環(huán)境的事故令人對核電池很不放心。1999年，“卡西尼號”在飛臨地球時引發(fā)了一場范圍廣泛的公眾抗議活動。“好奇號”使用核動力也曾遭到一些環(huán)保專家和普通民眾的反對，這幾乎使這項計劃面臨夭折。直到美國宇航局公布了“好奇號”的風險評估報告并再三強調技術的可靠性，這才在一定程度上緩解了公眾的擔憂。

核電池的優(yōu)良性能讓人們 “寵愛有加”，但另一方面，它的“核標記”又使人們“聞之色變”。能不能改變核電池在人們心目中的形象，使它們放下身段，走入尋常人的生活呢？

核電池的“瘦身運動”

改變發(fā)生在2005年。來自美國和加拿大的科學家發(fā)表文章說，他們利用核材料放射衰變的原理制造了一種新型電池，它的電量是此前同類電池的10倍，可連續(xù)10年不充電。在當時，核電池的誕生已接近半個世紀，因此利用放射衰變的原理產生電能并不是新鮮事。然而此前利用同類方法生產的核電池都面臨體積過大、電量過小的問題，原因很簡單，那就是當放射性物質發(fā)生衰變時，它們的電子是向四面八方輻射的，所以大部分電子并沒有被硅捕獲到。這種情況有點類似于太陽發(fā)出的光子絕大部分都散發(fā)到宇宙中去了，而我們地球只接收到其中的極少一部分一樣。為此，科學家們使用了一種巧妙的辦法，那就是在硅片上弄出許多坑來，這需要使用一種名為“蝕刻”的技術。這些坑好像一些深井，而放射性的氚氣則會充斥于深井中，“井壁”的存在成倍增加了硅片接收電子的面積，因而有限的平面就得到了

充分的利用。不過說是“深井”，其實非常小，“井口”直徑只有1微米，“井深”約40微米。利用這種方法可使電量提高10倍，而一種期待中的“挖井”方法還將使電量提高160倍。

不過，核電池的“瘦身運動”并沒有就此停止。2009年，美國科學家推出了一款更新的核電池，它只有一枚便士大小。其“瘦身”的奧秘在于，科學家們將核電池中的固體半導體材料改變成了液體材料。原來，當核電池產生電流時，它的輻射也同時在損害固體半導體的晶格結構，正是由于這個緣故，為了讓核電池能長期使用，它們才不得不被做得很大。但現(xiàn)在使用了液體半導體材料，人們便能最大限度地避免這種損害，核電池就可以變得很小了。2012年8月，美國一家公司又推出了一種名為NanoTritium 的“微核”電池，據說這種電池能連續(xù)供電20年。科學家相信，未來的核電池還可以進一步“瘦身”，甚至可以小到只有一根頭發(fā)絲那么厚。如此看來，“微核”的未來不是夢。

“核”未來值得期待

現(xiàn)階段，“微核”的電量還是太小，它們可以大顯身手的地方只能是耗能很低的裝置，例如微機電裝置、一些傳感器和某些用于人體中不宜經常更換的植入裝置等等。至于人們期待用它們驅動筆記本電腦和手機還需假以時日。

另外一個問題是，盡管科學家們反復說明，他們研制的微核電池是安全的，例如使用的氚是氫的放射性同位素，它只釋放低能量的粒子，很薄的材料就能阻攔它們。但即使如此， 像普通電池那樣不受管制地使用核電池依然有待措施的完善。只有對核電池的制造、銷售和回收都有了完善的管理機制，人們才有可能真正放心地使用核電池。

事實上，即使在航天領域，人們也在研發(fā)有望代替核電池的新型航天動力系統(tǒng)。例如，美國科學家邁克爾·保羅就闡述了用斯特林引擎探測金星的可能，他認為這種引擎最適合在金星的表面使用，因為斯特林引擎能將金星上的二氧化碳和鋰燃料相混合，然后通過燃燒產生熱能。假若發(fā)展得當，這種引擎便能代替核能系統(tǒng)參與到土衛(wèi)六、火星和永久照不到陽光的月球隕石坑的探測活動中去。這是否意味著核電池要從航天領域中退出呢？不是的。核電池的優(yōu)良性能，例如它的穩(wěn)定性、持久性和適應環(huán)境的能力目前還很難被其他電池所取代，所以在未來的深空探測活動中，核電池還將繼續(xù)發(fā)揮作用。

2013年初，美國為了緩解航天業(yè)的核能短缺，決定重啟已中斷多年的钚-238的生產。這雖然遭到了很多人的反對，但也不失為解決現(xiàn)實難題的一種辦法。

我國第一枚钚-238核能電池誕生于2006年，這將為我國未來的深空航天探測打下良好的基礎。我國還將在準備成行的“嫦娥三號”月球車上使用钚-238。“嫦娥三號”月球車同時配備太陽能和核能電池。當月球的夜晚來臨時，月球車將依靠核電池的能量“暖身”，以此保證它的車載儀器不被凍壞。

未來的核電池將是怎樣的，這是人們非常關心的問題。自核電池問世以來，人們一直在依靠它們完成常規(guī)電池無法完成的“特殊任務”，這是核電池的特點和優(yōu)勢，也依然是未來核電池不變的使命。“微核”電池的出現(xiàn)已向民用邁出了一大步，假若未來的技術能在安全性能和發(fā)電效能上出現(xiàn)大幅度改進，那么核電池就會進一步走進我們的生活。也許有一天，電動汽車、筆記本電腦和我們的手機都會裝上一枚核電池。

【責任編輯】龐 云