航天領域的應用

宇宙航行對電源的要求非常高,除了功率必須滿足要求外,不僅要求體積小、重量輕和壽命長,還要能經受宇航中各種苛刻條件的考驗。太陽能電池廣泛應用在人造地球衛(wèi)星上,但是當進行遠離太陽的深空航行時,太陽能電池就顯得力不從心,除了因光線太弱導致能量不足外,還有可能因受到強烈的宇宙射線的照射而使能量轉換元件失效。而核電池可以滿足各種航天器對電源的長期、安全、可靠供電的要求,被航天界普遍看好并廣泛應用。

20世紀,美國發(fā)射的地球衛(wèi)星、登月飛船、空間探測器都使用核電池作為動力,且多為溫差式核電池。例如,1961年發(fā)射的“探險者1號導航衛(wèi)星,使用核電池作電源,到了1972年還能清晰地接收到它發(fā)出的訊號。1969年7月21日,美國宇航員乘阿波羅11號飛船成功登上月球。在阿波羅11號飛船上,安裝了兩個放射性同位素裝置,其熱功率為15 W，用的燃料為238Pu。在月球嚴酷的自然環(huán)境下,同位素電池仍能正常穩(wěn)定工作。后來發(fā)射的阿波羅12,14,15,16 及17 號相繼安裝了SNAP-27A 核電池,它用的燃料也是238Pu,設計輸出功率為63.5W,整個裝置重量為31kg,設計壽命為1年,但實際上,其壽命遠遠超過設計時的1年,并能連續(xù)供給70W 以上的電力。

1997年10月“卡西尼號宇宙飛船沿著金星--地球-木星的借力飛行路線于2001年5月18日正式進入土星系,并獲得了清晰的土衛(wèi)九照片。它的核電池所用核材料為238PuO2陶瓷壓塊,可提供750W 的總功率,到探測器11年的飛行任務結束時仍能發(fā)出628W 的電力。

隨著人類航天活動的日益拓展,必然對空間電源提出新的需求,同位素電池成為航天技術進步的更重要工具。

航海、航空導航等領域的應用

處于深海、遠海、急流險灘處的燈塔和導航浮標等需要的能源必須保證壽命長,通常的太陽能電池、燃料電池和其他化學電池很難勝任,而采用核電池,能保證光源幾十年內不換電池,不用為經常更換電池和維修發(fā)電機而煩惱。

軍事上,還將核電池用作水下監(jiān)聽器的電源,用來監(jiān)聽敵方潛水艇的活動。它的工作時間可長達十幾年,而且可以長期不用人去看管和維修。它們就像機智勇敢的偵察兵,十幾年如一日地在水下執(zhí)行著警戒任務。還有一些海底設施,如海下聲納、各種海下科學儀器與軍事設施、海底油井閥門的開關和海底電纜中繼器等,所用核電池既能耐5—6km 深海的高壓,安全可靠地工作,花費成本又少,令人十分稱心。

地面上有許多終年積雪凍冰的高山地區(qū)、遙遠荒涼的孤島、荒無人煙的沙漠,還有南極、北極等,也需要建立氣象站和導航站。如果用其它電源,更換和維修是極其困難的。若用核電池,可以建成自動氣象站或自動導航站,實現自動記錄和自動控制,常年無須更換和維修電源。

在醫(yī)學領域的應用

在醫(yī)學上,這種體積小重量輕的長壽命的核電池已經廣泛應用于心臟起搏器,全世界已經有成千上萬的心臟病患者植入了核電池驅動的心臟起搏器,挽救了他們的生命,使他們能夠重新享受人生的幸福。心臟起搏器的電源體積非常小,比1節(jié)2號電池還小,重量僅100多克,若用放射源為238Pu,150mg即可保證心臟起搏器在體內連續(xù)工作10年以上。如換用產生同樣功率的化學電池,要保證同樣的使用壽命,其重量幾乎與成人的體重一樣。核電池保證患者不必再為更換埋在體內已經不能再工作的化學電池而冒著生命危險,忍受極大痛苦,反復進行開胸手術。

放射性同位素心臟起搏器于上世紀70 年代初開始應用，最早使用的是法國和美國。法國用于放射性同位素心臟起搏器[6]的電池為碲化鉍半導體型，燃料為238Pu 二元合金，輸出功率700 μW，外形尺寸Φ2.3 cm×5 cm，重40 g。美國使用金屬熱電偶型電池的心臟起博器[6]，燃料為金屬238Pu，輸出功率230 μW，形尺寸Φ1.7 cm×4.5 cm。放射性同位素電池還能用作人工心臟、人工肺臟、人工腎臟、心臟輔助裝置、神經模擬器、人工血壓調節(jié)器、括約肌刺激器等的電源。

在微型電動機械中的應用

微型電動機械(MEMS)是一個飛速發(fā)展的領域,從汽車安全氣囊的觸發(fā)感應器到環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的藥品釋放,微型電動機械已經應用到了人們的日常生活中,并有希望生產大量不同的具有創(chuàng)新意義的設備。但這些設備受到缺乏隨機電源的限制,目前正在研究的解決方法包括燃料電池、礦物燃料以及化學電池都有其局限性,最大的問題就是體積太大。

Cornell大學和Wisconsin Madison大學在早期研發(fā)的核電池裝置基本上就是由一小量63Ni放置在一個普通的PN 結所組成。63Ni所放射出來的粒子把二極管的原子電離,得到分離的空穴和電子對而產生電流。在此基礎上,又研發(fā)了改進的核電池能作為小型機械發(fā)電機的電源。

在手機等電子產品上的應用

微型核電池雖然只有鈕扣般大小,主要成分是235U,但卻擁有在手機第一次使用后能夠連續(xù)提供1年以上待機時間的電量,從而使廠商節(jié)省了生產充電器的成本。另外,在手機中,射頻濾波器占用了相當多空間,且這些微型電動機械濾波器需要相對較高的直流電壓。一個微型核電池可以用以產生10—100V的電壓,直接對濾波器進行有效的供電。

雖然還存在技術、成本和安全等方面的問題,但可以預見,等這些問題得到有效解決,微型核電池很有希望安裝在各種手提設備上。