核电池为什么会发电 核电池发电原理的科学解析
许多人觉得“核电池”是个神奇的东西 ， 一方面它是由核能驱动 ， 看起来高大上；另一方面有人声称这种电池可以使用“一万年” ， 似乎用了核电池 ， 电能便取之不尽用之不竭了 。事实果真如此吗？
核电池真的有放射性“核电池”本名叫“放射性同位素热电发生器” ， 英文名称“radioisotope thermoelectric generator” ， 因此它有一个简称“RTG” 。从这个名字我们可以大致理解：所谓的“核电池”实际上是利用了放射性同位素在衰变过程中产生热能 ， 再利用热能进行发电的一种设备 。它与我们传统意义上的核电站发电实际是两回事 。
大多数的RTG需要用到一种放射性元素钚 。众所周知 ， 钚是一种很危险的物质 ， 许多原子弹就是用钚制造的 。原子弹大致分为铀弹和钚弹 ， 钚比铀还厉害 ， 通常铀弹的核装药在15~25千克 ， 而用钚只需要5~10千克就能引爆了 。美国当初就是用了一颗铀弹炸了广岛 ， 用一枚钚弹炸了长崎 。
文章插图
左侧为广岛铀弹 ， 右侧为长崎上空的钚弹蘑菇云
【核电池为什么会发电 核电池发电原理的科学解析】好在核电池中用的钚与原子弹的钚不是一回事 ， 原子弹的钚是钚-239（239Pu） ， 而大部分RTG则使用钚的另一种同位素钚-238（238Pu） ， 它比前者的原子核中少一个中子 。这很重要 ， 它意味着核电池中的钚不可能发生爆炸 ， 它只会慢慢地衰变成铀-234（234U） ， 这是一种相对安全的产物 。
钚-238的α衰变释放一个氦-4核
钚-238在衰变的过程中会释放出一个氦-4原子核（α粒子） ， 因此钚-238的衰变又被称为α衰变 。α粒子比较大 ， 它的速度也不快 ， 因此很容易受到阻挡 ， 你只需要一张纸就能挡住它 。
每个α粒子在被发射出原子核的时候携带了5.593MeV（兆电子伏特 ， 相当于8.96×10^-13焦耳）的动能 ， 当α粒子在材料中受阻减速时 ， 这个动能会迅速转化为热能释放出来 。据测算 ， 每克238Pu在衰变的过程中自发产生的热量可以产生0.568W的电能 。
一颗炙热的钚-238核
核电池用热发电通过前一节的分析我们可以看出 ， 钚-238有放射性 ， 它在衰变的过程中产生α粒子 ， α粒子的动能转变为热能 ， 使钚-238变得炙热 。但在这个过程中并没有自由电子释放出来 ， 核电池到底是怎么发电的呢？
这里需要提到另一个概念：热电效应 。
热可以产生电 。准确地说 ， 在一定条件下温度差可以产生电流 。核电池就是利用热电效应来发电的 。
将几段铜丝与铁丝间隔连接在一起组成回路 ， 当你加热它时 ， 回路中会产生电流 。这是因为不同的金属中自由电子运动的能级不同 ， 受热时它会产生电势差 ， 进而在回路中形成电流 。这就是热电效应中的塞贝克效应 。
塞贝克效应
在我们身边有许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 。火焰燃烧时 ， 传感器产生电流 ， 而当火焰意外熄灭 ， 电流消失 ， 燃气灶阀门会关闭 。
热电偶熄火传感器
核电池就是利用钚-238的衰变热能加热电路 ， 从而产生稳定输出的电能 。
核电池的应用迄今为止核电池最主要应用于太空探测领域 。几十年前 ， 人们曾试图将它安装在心脏起搏器里 ， 后来放弃了 。
美国和前苏联曾经大量使用核电池为航天器供电 ， 主要的原因并不是它“可以使用一万年” ， 而是它不受太阳光照的影响 ， 可以维持长时间稳定的电能供应 。
说起卫星和其它航天器 ， 我们自然会想到太阳能电池 ， 因为太阳光取之不尽用之不竭 。但太阳能电池的缺点也很明显：需要持续稳定的太阳光照做保证 ， 当航天器飞得太远 ， 或是背对太阳的地方 ， 太阳能电池就失去了作用 。而核电池就不存在这方面的问题 。
朱诺探测器巨大的太阳能帆板
1977年 ， NASA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 ， 其使命是飞到太阳系的边缘开展科学探测任务 。鉴于远离太阳的深空光线暗淡且极度寒冷 ， 科学家们在旅行者探测器上分别安装了3个放射性同位素热电发生器（RTG） 。同时RTG在工作时会产生很高的温度 ， 它们被固定在探测器的一个旋臂上 ， 以免对其它传感器造成不良影响 。
旅行者1号上安装的核电池及内部结构
不仅是“旅行者” ， 美国还在Pioneer 10 ， Pioneer 11 ， Galileo ， Ulysses ， Cassini ， New Horizons、火星科学实验室、好奇号火星车 ， 以及阿波罗12~17号中都使用过核电池来进行供电 。美国宇航员将被动地震实验仪（PSE） ， 太阳风光谱仪（SWS）和月球表面磁力计（LSM）安装到月球表面 ， 为了给这些探测设备持续供电 ， NASA为其配备了一个专门的核电池 。
阿波罗12号宇航员安装探测设备 ， 黄箭头所指黑色物体为核电池
从另一张图中可以更清晰地看到核电池：阿波罗12号的宇航员正在将RTG从飞船上取出 ， 准备安装到地面的核电池散热器中 。这是因为核电池持续释放热能 ， 因此需要通过辐射将多余的热释放出去 。
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 ， 它同样依靠一个RTG供电 ， 因此无论是火星的白天还是黑夜 ， 好奇号都能在寒冷的火星表面开展探测任务 。
好奇号尾部白色散热器包裹着的RTG
核电池的寿命核电池真的如传说中的那样 ， 可以使用一万年吗？很遗憾 ， 并不能 。它的寿命由RTG的工作原理决定的 。
钚-238是放射性同位素 ， 它的半衰期是87.7年 ， 也就是说 ， 任何一颗由钚-238供热的核电池 ， 87年半后就有一半的钚-238衰变成了铀-234 ， 再过87.7年剩下的一半中又有一半发生衰变 ， 虽然它还在发热 ， 但热能再也不足以发出足够的电流了 ， 这颗核电池已经基本废掉了 。
也就是说 ， 对于航天器而言 ， 它携带的核电池顶多只够用100年 。当然 ， 这已经足够久 ， 航天器上其它绝大部分的传感器支撑不了这么长的时间 。
核电池在其它领域的用途
尽管用不了一万年 ， 但核电池依然是寿命最长的电池 ， 它可以在不充电（也不可能充电）的情况下使用近100年 ， 因此它曾经被用于心脏起搏器供电电池 。只是出于担心患者死亡后被不小心火化造成放射性污染 ， 心脏起搏器的核电池只生产了100个就没有继续 。
核电池曾用于心脏起搏器
核电池的民用障碍不仅缘于对核辐射的担心 ， 还由于它太贵 。无论是钚-238 ， 还是其它放射性同位素的生产都需要用到极尖端的技术 ， 因此成本太高 ， 从商业角度出发它不具有性价比 ， 因此核电池一直没有在民用上有所突破 。
总结：核电池与传统意义上的核发电不同 ， 它并非利用核中子裂变或聚变反应产生热能发电 ， 而是利用放射性同位素α衰变产生热能、再利用热电效应来产生稳定电流 。
目前可用的放射性材料的半衰期有限 ， 最常用的钚-238的半衰期为87.7年 ， 因此核电池不可能使用1万年 ， 大约100年后它就基本失效了 。
RTG解剖图
核电池存在放射性风险 ， 加之制造成本高昂 ， 因此不适合民用 。在可预见的将来 ， RTG依然只会在航天领域发挥作用 。
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