核电池

　　一、美国航天器使用核电池的历史

　　从上世纪中叶起，美国在 "先驱者"10号、11号探测器，"旅行者"1号、2号探测器，木星和土星探测器中，都使用了同位素温差发电器作为电源。就是因为采用核电源，美国"旅行者1号"行星探测器，才创造了世界卫星远航史上的辉煌纪录。目前它是离地球最远(飞行约近200亿公里)和飞行速度最快的人造卫星。它用了36年的时间，飞行到了太阳系的边缘。

　　以钚238放射性同位素作热源的同位素温差发电器，曾用于美国"子午仪"号导航卫星(低轨道导航卫星系列。又称海军导航卫星系统，英文缩写为NNSS。主要功用是:为核潜艇和各类海面舰船等提供高精度断续的二维定位，用于海上石油勘探和海洋调查定位、陆地用户定位和大地测量等。从1960年4月到80年代初共发射30多颗。美国在1964年4月发射"子午仪"号导航卫星时，因发射失败卫星所携带的放射性同位素源被烧毁，钚238散布在大气层中并扩散至全球。后来改用特种石墨作同位素源外壳，以防烧毁。)、"林肯"号试验卫星(早在1965年，美国林肯号试验卫星上便使用钚 238放射性同位素作热源的同位素温差发电器)和"雨云"号卫星(是美国第二代试验气象卫星系列。从1964年8月到1978年10月共发射了7颗。雨云号卫星的任务是试验新的气象观测仪器和探测方法。美国在1965年发射的一颗军用卫星中，用反应堆温差发电器作为电源。但由于电源调节器出现故障仅工作43天。1968年5月"雨云"号气象卫星发射失败时，核电源落入圣巴巴拉海峡，后被打捞上来。)。

　　第一个放射性同位素电池是在1959年1月16日由美国人制成的，它重1800克，在280天内可发出11.6度电。在此之后，核电池的发展颇快。

　　1961年美国发射的第一颗人造卫星"探险者1号"，上面的无线电发报机就是由核电池供电的。1976年，美国的"海盗1号"、"海盗2号"两艘宇宙飞船先后在火星上着陆，在短短5个月中得到的火星情况，比以往人类历史上所积累的全部情况还要多，它们的工作电源也是放射性同位素电池。因为火星表面温度的昼夜差超过100℃，如此巨大的温差，一般化学电池是无法工作的。

　　二、前苏联航天器使用核电池的情况

　　另据了解，前苏联在1967~1982年期间，共发射了24颗核动力卫星，都属于海洋监视卫星。卫星带有以浓缩铀235为燃料的热离子反应堆，核能功率为5~10千瓦。不过核动力并不是用来驱动卫星，只是利用放射性元素衰变时放出的热量，通过热电偶产生电能给卫星上的设备供电。这些核动力卫星，多在200多公里的低轨道上工作，完成任务后核反应堆舱段与卫星体分离，并将小型火箭推到大约1000公里的轨道，可运行600年。

　　1978年1月24日，苏联"宇宙"954号核动力卫星发生故障，核反应堆舱段未能升高而自然陨落，未燃尽的带有放射性的卫星碎片散落在加拿大境内，造成严重污染。1983年1月"宇宙"1402号核动力卫星发生类似故障，核反应堆舱段在南大西洋上空再入大气层时完全烧毁。

　　随着后来美苏太空竞赛的冷却，人类探索深空的脚步放缓。由于在近地轨道，核电池的性价比不及太阳能电池，此外，目前全球钚238主要产自俄罗斯，燃料来源的局限也拖累了核电池的发展、应用。

三、中国在自主研发的核电池上迈出大步

　　月球在绕地球公转的同时进行自转，周期27.32166日，正好是一个恒星月，所以我们看不见月球背面。这种现象我们称"同步自转"，几乎是卫星世界的普遍规律。由于月球自转和公转都是28天，所以"月球夜"会长达14天(月球日即白昼也有14天)。由于月球昼夜要半个月交替一次，温差高达300℃，那里是零下150度到180度，太冷了，月球车上的所有的仪器全部要冻坏。普通电池无法应对。现在所使用的各种高级的蓄电池，什么锂电池、氢电池，各种各样的电池对我们来说都没有用。长时间经受极大温差对我国月球探测器是个极大挑战。迫使我们一定要想出新的办法，于是我们国家自己研制了原子能的电池，欧阳自远院士说，我国的月球车实际上在同时使用太阳能和核能作为能源。黑暗中的月面，温度骤降到零下100多摄氏度，为防止车载仪器被冻坏，休眠中的月球车就得靠核电池的能量来保温，并维持与地面的通讯。而一旦新一个白昼来临，太阳能电池就能重新驱动月球车工作。

　　中国第一块放射性同位素电池于1971年3月12日诞生于中科院上海原子核所，以钋210为燃料，输出电功率为1.4瓦，热功率35.5瓦，并进行了模拟太空应用的地面试验。随着我国核电站数量的增加，由乏燃料后处理提取的镎237原料的逐渐积累，为后来开发钚238电池，提供了物质基础。

　　据欧阳自远院士介绍，近年来，我国在自主研发的核电池上迈出了大步。我国月球车搭载的核电池，是由中国原子能科学研究院牵头研发的。

　　从中国原子能科学研究院该院官方网站上，可以得知，从2004年开始，该院正式启动航天用同位素电池的研发;到2006年，研制出我国第一颗钚238同位素电池;2008年通过了专家组的鉴定。这颗电池的研制成功，填补了我国长期以来在该研究领域的空白，标志着我国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。

　　核电池的用武之地不仅仅局限于太空。在高山、深海、南北极乃至人体中到处可以找到它的影踪。心脏起搏器用的核电池重量仅40克，体积很小，寿命可达十年。病人免除了经常做开胸手术的痛苦。在极地、海岛、高山、沙漠、深海等条件恶劣、交通不便的地方都是RTG的大显身手之地。自动无人气象站、浮标和灯塔、地震观察站、飞机导航信标、微波通讯中继站、海底电缆中继站等都可以使用免维护、长寿命的RTG供电。

　　据原子能院的官网文章介绍，第一颗"国产"同位素电池的各项指标均超过了预期要求，研制全过程安全无误，功率为百毫瓦级。这将保证中国首次将核能用于航天器。据悉，为了保证着陆器的能源供应，嫦娥三号就是使用了这种原子能电池(RTG同位素电池)。

　　我国首次实用核电池将随"嫦娥三号"软着陆月球，并用于嫦娥三号的着陆器和月球车上。这种原子能电池可以连续工作30年。有了它，再不怕月球晚上温度骤降到零下150度到180度。完全可以确保探测器上仪器不至于被冻坏。为防止车载仪器被冻坏，夜间休眠中的月球车可以靠核电池放出来的热量保温。而一旦新一个白昼来临，太阳能电池就能替代核电池，重新驱动月球车工作。

　　对嫦娥三号来说，核电池中的钚金属块238它相当于一个热源。这一热源对将在月球环境下生存的嫦娥三号的保温作用是至关重要的。其释放出的热量及经过温差热电转换器的转换形成的电流，充分满足了嫦娥三号的能量需求。它的能力虽不足以让火箭升空，却可以用于小规模供电，支持嫦娥三号所带月球车低速移动;支持嫦娥三号所带设备正常工作;支持嫦娥三号与地球之间的通讯。

　　中国第一个钚-238同位素电池

　　中国第一个钚-238同位素电池是在中国原子能科学研究院诞生的，同位素电池的研制成功标志着中国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。

　　2004年，原子能院同位素所承担了"百毫瓦级钚-238同位素电池研制"任务，在两年时间里要完成总体设计和一系列相关工艺研究，研制出样品。

　　同位素所和协作单位并按制定的研究方案开展了大量的模拟实验、示踪实验、热实验等工作。最终检测表明电池性能完全达到了技术指标要求，辐射防护检测的各项指标均符合国家安全要求。中国第一个钚-238同位素电池诞生了。

　　小型核电池

　　虽然在很久之前核电池就已经应用在航天领域，但是在因为大小的限制，在地球上核电池的应用还很少。大多数核电池通过固态半导体截获带电粒子，因为粒子的能量非常高所以半导体随着时间的推移将受到损伤，为了能让电池长期使用，核电池被制造的非常大。

　　中国第一块放射性同位素电池于1971年3月12日诞生于中科院上海原子核所，以钋210为燃料，输出电功率为1.4瓦，热功率35.5瓦，并进行了模拟太空应用的地面试验。随着我国核电站数量的增加，由乏燃料后处理提取镎237原料的逐渐积累，为今后开发钚238电池提供了物质基础。从2004年开始，中国原子能科学研究院启动了太空同位素电池的研发，2006年该院研制出我国第一颗钚238同位素电池。

　　我国将于2013年发射"嫦娥三号"探测器在月球进行软着陆并施放月球车。前不久月球探测工程首席科学家欧阳自远院士接受媒体采访时透露，中国月球车将配备核电池来帮助月球车进行"冬眠"，等到太阳再次在月面上升起时，电池自动重启，月球车开始进入工作状态，这样的核电池可持续工作30年。

　　目的:为微型机电系统或者纳米级机电系统找到合适的能量来源。