獨辟蹊徑的核能電池

王遠

生活在現代社會里，幾乎每個人都能體會到電池的重要性。想象一下，出門在外手機突然沒電了，那是多么令人難受的一件事情。未來有沒有可能發明一種電池，擁有巨大的能量，能夠讓我們超長時間使用？答案是：可能的。

放棄又拾起的能源

1977年，旅行者號探測器（1號和2號）起飛，開始了宇宙旅程。現在，它們已經離開了太陽系。你或許會問，“這么長時間了，它們飛行的能量還沒用完嗎？”是的，因為它們有很好的電池（據稱，這些電池將持續到2025年）。

在日常生活中，電池似乎無法持續那么長的時間。手機的電量好像每天都被我們榨干，筆記本電腦似乎對電源線的渴求不斷，而電動汽車往往還沒走多久就不得不停下（充電）……這個時候，我們都渴望一種新型的電源。

也許在不久的將來，它就會出現在我們的生活中。旅行者號探測器使用的是弱核動力源，具有放射性，在地球上使用很危險。不過，新型電源的形式與它密切相關，如果最終開發出來，我們將得到更大的能量，而且可以在普通汽車中安全地工作。很早的時候，人們就認識到這種能源。20年前，科學家們曾就它進行了激烈的爭論，造成的結果是它逐漸淡出了人們的視線。現在，美國陸軍研究所已經緊緊盯住了它，并進行了一項實驗，可能會賦予它新的生命。

從原子中尋找能量

能量的儲存方式大多數都與化學反應有關。當汽油在汽車發動機中燃燒時，釋放的是化學鍵中存儲的能量。同樣，手機等設備中的鋰電池也是通過帶電離子的流動來工作。但是，如果我們超越化學反應，就會發現，在原子的內部蘊藏著更大的能量。

每個原子由原子核與核外電子構成，而原子核中有質子和中子。這些質子和中子在極端的溫度和壓力環境下（如恒星內部）通常會融合在一起。如果以正確的方式深入原子核，則可從中提取令人震驚的能量。一種方式是“核裂變”：核釋放出中子，然后中子會使更多的原子分裂，從而導致鏈式反應釋放出大量的能量（目前世界上大多數核電站就是采用這種方式）。還有一種方式是“核聚變”，它產生的能量可能更強大，但要以可控的方式將核束縛在一起。

但是，旅行者號探測器卻以另一種不同的方式獲取能量：它們利用天然放射性。一些原子是不穩定的，會不時地吐出大量的物質和能量——可能是兩個質子和兩個中子（α射線）、一個電子（β射線）或者是γ射線形式的原始能量。

所有輻射都危險？

我們無法預測一個原子什么時候會這么衰變，但我們知道，一團放射性物質的原子，其半數完成衰變需要多長時間，這是它的“半衰期”，其長短差別很大，短的遠小于一秒，長的可達數百億年。钚-238的半衰期為87.7年，這是它被選作旅行者探測器動力的一個原因。它會放射出一堆α粒子流，并產生熱量，該熱量被探測器上的放射性同位素熱電發生器轉化為電能。

說起放射性同位素，人們第一反應通常是它會給人體造成傷害，但事實上，并非所有的放射性同位素都是如此。γ射線能夠穿透人體組織，它很危險;β射線能被體外衣服消減或阻擋，所以危險性一般;α射線無法穿透皮膚，只有在進入人體時才會造成傷害。事實上，直到20世紀70年代初，心臟起搏器才配備了功能完備的放射性同位素熱電機。

美國陸軍研究所關注的能源，融合了其它核能最好的部分，可能更強大、安全且持久，這就是異構體。異構體指的是，特定元素的質子和中子可以以不同的排列聚集在原子核中，各自具有不同的能量。原子通常以其最穩定的異構體（基態）存在，高能異構體則往往會迅速將自身重新排列回此狀態，但是有一些高能異構體可以穩定地持續很長時間。

狀態轉化產生能量

1998年，美國得克薩斯大學的卡爾·柯林斯使用粒子加速器制備了一種穩定的高能異構體，稱為鉿-178m2（m2表示這是鉿-178的第二種異構體）。然后，他向其原子核發射X射線，并聲稱將該原子核移至了基態，同時還釋放出了伽瑪射線。這種材料非常危險，因此很難被開發成能源。但柯林斯認為這是原子核的異構體能用來作能源的原理性證明，甚至可以用其制造新型的核彈。

許多科學家嘲笑柯林斯，認為他進行異構體轉化所投入的能量比得到的還多。此外，他需要使用粒子促進劑來制造“鉿”的異構體，這意味著耗費巨資卻只能獲取少量收益。后來這被稱為“鉿的爭議”。

這些問題，其它高能異構體可能解決。例如，銀-108m雖會產生β輻射，但這種輻射危險性較小，且易于開發。異構體的安全性始終沒人敢打包票，但如果它們能夠產生有效的、無限的能源，我們似乎可以放手一搏。

柯林斯的方法是將異構體的所有能量一口氣釋放出來。但是，有一種不同的方法更加管用，我們已經知道它幾十年了，只是一直沒有正確地研究它。

無定論的爭議

想象一下，你擁有一塊放射性異構體，例如鉿-178m2，它能量很高，也很穩定。你可以將它安全地、長時間地放置在容器中，它幾乎不會發出任何輻射。當你需要一些能量時，就將它的一部分轉換為基態，這部分會變得極不穩定，并開始迅速發生放射性衰變。很快，你將獲得與“旅行者”一樣的能量源，而且它可以隨時啟用。

美國陸軍的研究人員正在研究如何將這種設想變成現實。似乎有一種方法可以做到：向異構體發射電子，當這些電子被吸收到核周圍的軌道中，會促使質子和中子重新進行排列。這稱為“電子捕獲核激發（NEEC）”，最早于1976年提出。

“火星任務2020”探測器裝有核動力電池

美陸軍新型多用途無人車輛（SMET）裝備有最新的異構體電池

研究人員使用粒子加速器制造了鉬-93m原子束，其半衰期約為7小時。它有10%左右的光速，足以剝離掉一些原子的電子。研究人員用它撞擊靶標，該靶標將電子注入到原子核中，同時使它們逐漸變成不穩定的異構體。由于異構體衰變速度很快，研究人員雖然無法觀察到這個過程，但推斷它產生了γ射線。這樣的異構體能產生多少能量呢？實驗數據表明，如果是1%的原子接受NEEC，那么該過程每投入1焦耳就能產生5焦耳的能量。這項研究成果于2018年發表，是對NEEC首次闡釋。

未來的電池

研究人員承認，目前還遠遠實現不了用鉬的異構體來做電池。然而，柯林斯的觀點仍然適用——還有其它異構體可能更容易使用，可以利用它們產生能量。問題在于異構體的準確屬性很難推測，除非對它們進行試驗，否則我們無法知道它們的適用性。

這正是美國陸軍研究人員現在想要做的，他們正與波蘭科學家進行合作。波蘭有個“MARIA”實驗核反應堆，該反應堆可以生產各種不同的異構體。他們的目標是了解各種異構體如何根據需要來充電和放電，換句話說，就是要找出哪些異構體可以用來做電池。該團隊正在研究錸-186m、镅-242m以及其它的異構體。

除了使用粒子加速器，目前還沒有找到比這更適合的轉化異構體的方法。但是，異構體用來做電池動力是絕對足夠的，因為它們能將巨大的能量打包成很小的體積。研究人員認為，每克異構體可以存儲高達千兆焦耳的能量，是鋰離子電池的一百萬倍，是汽油的數萬倍。

風險巨大的賭注

為什么美國陸軍對異構體如此感興趣？讓我們看一組數據：1千克镅-242m，可以供SMET（美國一種用于運載士兵裝備的無人駕駛軍車）行駛163天，而20升汽油只能供它行駛三天。此外，無人機、機器人潛艇也可以使用異構能源。

任何帶“核”的事物，其安全性都會受到人們的關注。產生γ射線的異構體不可以被使用，但如果是發射β或α粒子的異構體，那將是可以的。事實上，家用電器電池需要的放射性物質的數量可能比醫院常規設備需要的少。

投資異構體能源是風險很大的賭注。但我們許多偉大的成就一開始不都是這樣？在20世紀50年代太空競賽剛開始時，誰會想到，僅僅幾十年后，我們已經能夠向太陽系的邊緣發射探測器了！而現在，太空航行已經私人化、商業化了！