钚电池是什么？

钚电池是一种放射性同位素电池。

钚电池是利用放射性元素钚的衰变过程来产生能量的电池。

以下是关于钚电池的

1.基本定义：钚电池是一种放射性同位素电池，其中的放射性元素钚经过衰变过程释放出能量。

这种电池不同于传统的化学电池，它不需要化学反应来产生电流，而是通过放射性元素的衰变过程来持续提供电力。

2.工作原理：钚电池的工作原理基于放射性元素的衰变链反应。

当钚原子发生衰变时，会释放出大量的热量和粒子。

这些粒子通过特定的转换器转换为电能，从而为外部设备提供稳定的电力供应。

由于放射性元素的衰变是持续进行的，因此钚电池能够长时间地提供电力。

3.应用领域：钚电池由于其独特的能源来源和长时间的工作特性，被广泛应用于一些特殊的环境和领域。

例如，深海探测器、太空探测器、极地研究站等地方，这些地方的常规能源供应困难，而钚电池则可以提供稳定的电力供应，满足这些地方的能源需求。

此外，钚电池也在医疗领域有所应用，例如为植入式医疗设备提供电力。

总的来说，钚电池是一种利用放射性元素钚的衰变过程来产生能量的同位素电池。

由于其独特的能源来源和工作原理，它在一些特殊环境和领域具有广泛的应用前景。

“核电池”真能用一万年？从它的工作原理你可以了解真相

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。

左侧为广岛铀弹，右侧为长崎上空的钚弹蘑菇云

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 Horizo​​ns、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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