核电池：驱动生活算我一个

松园

2011年8月启程的“朱诺号”木星探测器，使用了3个10米长的太阳能电池板以满足它在探测活动中对电能的需求，这在人类的木星探测活动中是史无前例的。此前的木星探测器如“伽利略号”都是依靠钚提供能源的，这种核原料在它衰变的过程中产生热能，这些热能被航天器上的放射性同位素热电发电机转变成了电能。未来，太阳能电池技术的进步可以让其最终取代“核电池”吗？

“核能航天”

难以取代

有科学家认为，假若下一代太阳能电池能在性能上进一步得到改善，而航天器也能进一步减少能源消耗，那么一艘航天器甚至可以依靠一个太阳能电池阵列进入天王星轨道。然而，当航天器进入深空后，太阳能电池的工作效率终究要大打折扣。

预计2015年夏天抵达冥王星的“新地平线号”的电力来自于一个放射性同位素热电发电机。在冥王星附近，能够接收到的太阳能只有地球附近的千分之一了，按照现有的技术，假若“新地平线号”要使用太阳能，那么它的太阳电池板便要做到约2000平方米大，这是很不现实的。

2011年11月26日发射的“好奇号”火星车使用核能驱动，这使得“好奇号”与它的前辈 “勇气号”和“机遇号”在性能上有了很大的不同。事实上，“好奇号”原本也打算使用太阳能，但最后还是选择了核能，原因就在于科学家们希望“好奇号”的表现能进一步超过“勇气号”和“机遇号”，要做到这一点，就必须使电能的供应不受火星季节变化和其他环境因素的影响。2004年，当“勇气号”着陆火星后，它曾有一个雄心勃勃的计划，那就是攀登几千米开外的哥伦比亚山主峰麦库尔山，然而“勇气号”没能完成这个计划，原因就在于它的太阳能供电系统无法提供足够的能量，加上它的轮子也坏了。不过“勇气号”还是在2005年9月登上了哥伦比亚山的另一座名为“赫斯本德山”的山峰，这座山高约90米，虽然比麦库尔山低几十米，但“勇气号”总算可以在那里鸟瞰四周，这也是人类凭借机器人第一次在地球之外的另一颗行星上征服一座山巅。

由于使用太阳能，“勇气号”在火星上的探险活动还经历了一些类似的“有惊无险”的麻烦，例如有一次它遇到了强烈的火星尘暴，于是它的太阳能电池板上布满了灰尘，这就使它的电量大减，几乎“死”了过去，幸好火星上的一阵狂风又将电池板上的灰尘吹得一干二净，“勇气号”才得以“死里逃生”。

假若使用核能，这种事情就不会发生，火星车抵抗环境干扰的能力会强很多。尽管“好奇号”的重量是“勇气号”或“机遇号”的5倍，长度是它们的2倍，但它的核动力系统依然能使它在60度的斜坡上行驶，而且它的工作时间也由几年延长到了十几年。

核电池及其安全性

放射性同位素热电发电机又叫“放射性同位素电池”，简称“核电池”。与核反应堆靠裂变反应发电不同的是，核电池是基于衰变反应产生能量的。由于同位素在自然衰变中释放热量，人们便通过一种半导体能量转换器将这些热能转化成电能，但衰变远不如裂变剧烈，所以核电池只适用于小规模供电。它们体积小，稳定性强，能长期使用，抗干扰性和可靠性极佳，所以自1959年核电池诞生之日起，它们便成了电池家族中深受人们青睐的佼佼者。尤其是在航天领域，核电池的应用一下子大大拓展了人类对宇宙自然的认识空间。此前的“旅行者号”、“先驱者号”、探测木星的“伽利略号”、探测土星的“卡西尼号”都仰赖于这种核能源，并且取得了巨大的成功。“好奇号”上的核电池重约45千克，发电功率140瓦，它的能量可供“好奇号”使用14年。

然而，核电池由于冠了个“核”字，它便成了人们敬而远之的“另类一族”。事实上，用于航天器上的核能材料的确是危险的，例如钚-238，它的放射性极强，毒性很大，在发射航天器的过程中和发射以后的时段里，它们都有可能因意外而释放到大气层中去。1964年，美国海军导航卫星发生了爆炸，1千克钚-238被释放在了大气层中，这种严重污染环境的事故令人对核电池很不放心。1999年，“卡西尼号”在飞临地球时引发了一场范围广泛的公众抗议活动。“好奇号”使用核动力也曾遭到一些环保专家和普通民众的反对，这几乎使这项计划面临夭折。直到美国宇航局公布了“好奇号”的风险评估报告并再三强调技术的可靠性，这才在一定程度上缓解了公众的担忧。

核电池的优良性能让人们 “宠爱有加”，但另一方面，它的“核标记”又使人们“闻之色变”。能不能改变核电池在人们心目中的形象，使它们放下身段，走入寻常人的生活呢？

核电池的“瘦身运动”

改变发生在2005年。来自美国和加拿大的科学家发表文章说，他们利用核材料放射衰变的原理制造了一种新型电池，它的电量是此前同类电池的10倍，可连续10年不充电。在当时，核电池的诞生已接近半个世纪，因此利用放射衰变的原理产生电能并不是新鲜事。然而此前利用同类方法生产的核电池都面临体积过大、电量过小的问题，原因很简单，那就是当放射性物质发生衰变时，它们的电子是向四面八方辐射的，所以大部分电子并没有被硅捕获到。这种情况有点类似于太阳发出的光子绝大部分都散发到宇宙中去了，而我们地球只接收到其中的极少一部分一样。为此，科学家们使用了一种巧妙的办法，那就是在硅片上弄出许多坑来，这需要使用一种名为“蚀刻”的技术。这些坑好像一些深井，而放射性的氚气则会充斥于深井中，“井壁”的存在成倍增加了硅片接收电子的面积，因而有限的平面就得到了

充分的利用。不过说是“深井”，其实非常小，“井口”直径只有1微米，“井深”约40微米。利用这种方法可使电量提高10倍，而一种期待中的“挖井”方法还将使电量提高160倍。

不过，核电池的“瘦身运动”并没有就此停止。2009年，美国科学家推出了一款更新的核电池，它只有一枚便士大小。其“瘦身”的奥秘在于，科学家们将核电池中的固体半导体材料改变成了液体材料。原来，当核电池产生电流时，它的辐射也同时在损害固体半导体的晶格结构，正是由于这个缘故，为了让核电池能长期使用，它们才不得不被做得很大。但现在使用了液体半导体材料，人们便能最大限度地避免这种损害，核电池就可以变得很小了。2012年8月，美国一家公司又推出了一种名为NanoTritium 的“微核”电池，据说这种电池能连续供电20年。科学家相信，未来的核电池还可以进一步“瘦身”，甚至可以小到只有一根头发丝那么厚。如此看来，“微核”的未来不是梦。

“核”未来值得期待

现阶段，“微核”的电量还是太小，它们可以大显身手的地方只能是耗能很低的装置，例如微机电装置、一些传感器和某些用于人体中不宜经常更换的植入装置等等。至于人们期待用它们驱动笔记本电脑和手机还需假以时日。

另外一个问题是，尽管科学家们反复说明，他们研制的微核电池是安全的，例如使用的氚是氢的放射性同位素，它只释放低能量的粒子，很薄的材料就能阻拦它们。但即使如此， 像普通电池那样不受管制地使用核电池依然有待措施的完善。只有对核电池的制造、销售和回收都有了完善的管理机制，人们才有可能真正放心地使用核电池。

事实上，即使在航天领域，人们也在研发有望代替核电池的新型航天动力系统。例如，美国科学家迈克尔·保罗就阐述了用斯特林引擎探测金星的可能，他认为这种引擎最适合在金星的表面使用，因为斯特林引擎能将金星上的二氧化碳和锂燃料相混合，然后通过燃烧产生热能。假若发展得当，这种引擎便能代替核能系统参与到土卫六、火星和永久照不到阳光的月球陨石坑的探测活动中去。这是否意味着核电池要从航天领域中退出呢？不是的。核电池的优良性能，例如它的稳定性、持久性和适应环境的能力目前还很难被其他电池所取代，所以在未来的深空探测活动中，核电池还将继续发挥作用。

2013年初，美国为了缓解航天业的核能短缺，决定重启已中断多年的钚-238的生产。这虽然遭到了很多人的反对，但也不失为解决现实难题的一种办法。

我国第一枚钚-238核能电池诞生于2006年，这将为我国未来的深空航天探测打下良好的基础。我国还将在准备成行的“嫦娥三号”月球车上使用钚-238。“嫦娥三号”月球车同时配备太阳能和核能电池。当月球的夜晚来临时，月球车将依靠核电池的能量“暖身”，以此保证它的车载仪器不被冻坏。

未来的核电池将是怎样的，这是人们非常关心的问题。自核电池问世以来，人们一直在依靠它们完成常规电池无法完成的“特殊任务”，这是核电池的特点和优势，也依然是未来核电池不变的使命。“微核”电池的出现已向民用迈出了一大步，假若未来的技术能在安全性能和发电效能上出现大幅度改进，那么核电池就会进一步走进我们的生活。也许有一天，电动汽车、笔记本电脑和我们的手机都会装上一枚核电池。

【责任编辑】庞 云