具有独特用途的放射性同位素电池

沈天健 梁代骅 蔡建华 戴志敏 夏汇浩 王建华 孙 森俞国军 王 晓 王东兴 刘 鑫

(中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800)

自从伏打电池问世以来，迄今已有二百多年的历史。电池可分为化学电池和物理电池，化学电池又可分为干电池、蓄电池、燃料电池及金属空气电池等；物理电池主要有太阳能电池和放射性同位素电池。化学电池虽然造价较低，但是使用寿命较短，大约在数小时到数天之间。物理电池，尤其是放射性同位素电池的使用寿命较长，在数月到数十年之间。放射性同位素电池的比容量在104–105/W·h·kg–1。

放射性同位素电池的种类按用途可分为空间、地面、海下、医学用的电池等，按工作原理可分为热转换型和非热转换型(即核电池)两类。

热转换型放射性同位素电池，是通过换能器将热能转换为电能，它有静态型和动态型热转换之分。静态型电池功率通常<103W，例如，热电型放射性同位素电池(Radioisotope thermoelectric generator(RTG))[1]和热离子型放射性同位素电池(Thermionic converter)[2]。动态型电池功率＞103W，例如，布雷登循环系统(Brayton Cycle System)[3]、兰金循环系统(Rankine Cycle System[4])和斯特林循环系统(Stirling Cycle System)[5]。

非热转换型放射性同位素电池，是将放射性同位素衰变放射的高速带电粒子的动能直接转变成电能，或使射线经次级效应而转变成电能，这类电池又称核电池，它的功率水平较低(10–6–10–3W)。

本文就热转换型放射性同位素电池的特点、原理和发展情况等，作一综述性介绍。

1 热电型放射性同位素电池的特点

(1) 寿命长。放射性同位素电池的寿命，主要取决于换能器的工作稳定性和所选同位素燃料的半衰期以及电池的辐射损伤。目前常用的换能材料有碲化铋、碲化铅、硅-锗合金，稳定性都很好，常用的放射性同位素有238Pu、90Sr，半衰期分别为86.4 a和27.7 a，可使核电池的工作寿命满足长期任务的需要。目前的设计寿命为5–10 a，实际使用超过10 a，初期的电池使用已达35 a。

(2) 环境适应性强。它们不依赖阳光，在漫长月夜(14 d/月)的月球、无阳光的深海、远离太阳的外层空间和远星球都能正常运行。它们也不怕宇宙辐射损伤和粒子轰击，能在电离层和高辐射带(如木星周围)及严重尘暴(如火星)等恶劣环境中工作；还能承受数千米深的海水静压力及海水的长期腐蚀作用。环境温度变化、空间的高真空对它们的影响也很小。

(3) 工作可靠。静态热电转换放射性同位素电池并无活动部件，经优化设计并选择合适的半导体和最佳工作状态，采取防升华、防氧化措施，其可靠性是相当高的。

(4) 无需维护。放射性同位素电池可长期使用无需维护，除在深太空、深海应用外，还可在高山、极区、孤岛、沙漠等特殊环境中使用。

(5) 小型化。空间和医学应用的放射性同位素电池结构紧凑、体积小、重量轻。采用α放射性同位素作燃料，无须专门屏蔽。源盒、电池尺寸小、重量轻。美国第一台正式应用于空间的电池重2 kg，能提供相当于一台重300 kg镍-镉电池提供的电力。

2 热电型放射性同位素电池的基本原理

放射性同位素电池是根据温差发电原理制成的(图1)。放射性同位素衰变放出的高速带电粒子(α,β)和γ辐射与物质相互作用而被物质吸收，射线的动能转变为热能，使被作用物质(源盒)的温度升高，再通过半导体换能器把热能转化成电能(温差发电)。按功能及工作内容，放射性同位素电池结构如图2。

图1 热电型放射性同位素电池工作原理和热电流程示意图Fig.1 The principle and heat flow procedure of radioisotope thermoelectric generator.

图2 放射性同位素电池的结构示意图Fig.2 The Structure of RTG.

2.1 总体结构与设计

放射性同位素电池的总体性能参数包括效率、输出功率(电压)、工作寿命、重量、体积、可靠性、成本等。根据用户要求，进行最佳化的物理设计、机械设计，选择元件、材料(同位素、半导体、源盒、屏蔽、外壳等)，确定尺寸、框架、总体布局、对各部分总的要求，对性能参数进行分析综合平衡，选择最佳方案，总体安装、测试，调整改进设计。

2.2 放射性同位素热源

放射性同位素热源由两部分组成：放射性同位素燃料和燃料盒。高质量的电池，要求燃料的功率密度高、半衰期长、毒性小、有害杂质少(不产生高能中子和高能γ)、防护简单、屏蔽轻等。至今，应用于电池的同位素主要有：238Pu(空间、医学)、90Sr(地面、海下)、210Po(示范模型、辅助电源、热源)。燃料盒包装燃料要求坚固、经久耐用、可靠密封、确保安全。

2.3 放射性同位素的辐射损伤、屏蔽与安全防护

选择合适的同位素及其化学形态并进行源盒设计、屏蔽设计，开展辐射损伤研究以避免内照射和外照射，放射性同位素源的运输、安装、防盗、废源的处置都需取得相应资质。

2.4 放射性同位素电池的核安全研究试验

空间用的放射性同位素电池要能经受发射、各类事故、重返大气层所遇到的各种极端环境(如加速、振动、撞击、爆炸、腐蚀、局部高温、烧蚀等)的考验，海下用电池要经受海水的静压力和海水长期腐蚀等。要就使用环境和飞行环境作严格的模拟试验，乃至实际考验。

2.5 半导体换能器

换能器由半导体换能材料和电极组成，是决定电池性能的主要因素，因此，要求其转换效率高和工作稳定。高效率电池要求半导体换能材料在使用温度范围内具有高的灵敏值。目前较成熟、使用较多的低、中、高温半导体换能材料是碲化铋、碲化铅、硅化锗。电极是连接N型和P型半导体换能元件之间的金属，主要起电连接、传热、机械支撑作用。另外，焊接的可靠性及其化学、物理稳定性，直接影响电池的寿命和效率，因此，电池研制中，对电极、焊料、焊接工艺应有严格的要求。

2.6 绝热材料

绝热材料的主要作用是减少漏热，确保绝大部分热量从换能材料通过，并在换能材料两端建立符合设计要求的温差，其性能决定电池的结构效率。对它的要求是热导率尽可能低、耐高温、耐辐射、有一定机械强度。

2.7 外壳—散热器

放射性同位素电池的外壳能抵御外部机械撞击、热冲击、烧蚀，对换能器、热源起屏障和缓冲器的作用；同时还具有散热作用，对空间大功率电池需采用辐射效率高的散热翅。外壳—散热器的结构和尺寸对电池重量有很大影响，须在安全保护-散热-重量间统筹考虑。

2.8 电压变换和功率调节

仪器设备所需电压较高，还要求多路供电，故须对电池输出电压进行变换，使之与用电设备相匹配。对于间歇式或脉冲式(如航标灯或发报)用电设备，要用功率调节装置解决峰值与值守功率之间的矛盾。放射性同位素电池装源运行后，不管设备用电与否，电池将连续输出电流。放射性同位素的衰变会引起电池功率的递降，为解决电池使用初期与末期的功率矛盾，需功率调坪。为使电池有尽可能高的效率，功率调节或调坪装置要力争高效率。

3 空间星际探测的电源

3.1 在地球卫星上的成功应用

1961–1976年，美国在地球卫星上使用19台放射性同位素电池(不包括热源和反应堆)[6,7]，其中子午仪导航卫星上5台，雨云气象卫星上10台，通讯卫星上4台。这些电池均用238Pu，每台功率从几瓦至100多瓦，设计寿命1–5 a，实际使用寿命都超过设计寿命。有2次发射失败，放射性同位素热源返回烧蚀或回收，未形成事故。前苏联于1965年在军事卫星(宇宙-84、宇宙-90)使用2台210Po同位素电池作辅助电源[7]，其后在地球卫星末使用放射性同位素电池，而主要使用反应堆作能源。

3.2 月球试验站放射性同位素电池一枝独秀

1969–1972年，美国在阿波罗12号、14号、15号、16号、17号先后5次发射的月面试验站中，使用 5台放射性同位素电池[6,7]，每台输出功率都为70多瓦，外形尺寸(含散热翅) Φ46 cm×40 cm，重量<20 kg，同位素燃料为Φ50–250 μm的氧化钚-238微球，每台约装1.65×1015Bq，向月面试验站的月震仪、磁强仪、太阳风探测仪等五种仪器设备供电(图3)。这些电池经受了太空飞行环境、月面恶劣环境的考验，正常运转超过设计寿命，为放射性同位素电池在外层空间的使用打下了坚实基础。

图3 美国在月球试验站使用的放射性同位素电池Fig.3 The RTG used on the moon[8].

3.3 外层星际探测的电源

20世纪70年代初至世纪末，美国发射了10艘星际探测器，共有25台放射性同位素电池用于外层行星探测[6,7]。每台电池电功率80–850 W，设计寿命 2–10 a，同位素燃料为氧化钚-钼陶瓷或氧化钚-238陶瓷片。1996年俄罗斯“火星-96”号使用了4台钚-238放射性同位素电池[7]。

在外层行星探测器接收的太阳能极少，飞行器背离太阳飞行；太阳系行星空间还有宇宙微粒袭击、强辐射、强磁场；使用寿命一般5–10 a；宇宙空间还有许多未知的恶劣环境。因此，在星际探测任务中(月球表面和深太空)，放射性同位素电池是目前的首选电源。

中国科学院上海应用物理研究所(原上海原子核研究所)于1971年3月12日安装试验成功我国第一台放射性同位素电池—210Po电池[9]。如图4，电池内装210Po燃料4.1×1013Bq，输出电功率1.5 W，电池效率4.2%，有效寿命符合用户要求，所用半导体换能器是碲化铅组件，绝热材料为热导率很低(10–4W/cm·k)的微孔绝热材料。该电池性能指标与国外指标相近或占优，填补了国内这一领域的空白，为放射性同位素电池的研制打下了坚实的基础。

图4 中国第一台放射性同位素电池—210Po电池Fig.4 The first RTG produced in China.

4 地面和海下电源

20世纪60年代初，地面用放射性同位素电池正式投入应用，主要作为自动无人气象站、浮标和灯塔、地震观测站、飞机导航雷达信标、微波通讯中继站等的电源。

自动无人气象站地区环境恶劣，却是全面掌握气象动态不可缺少的测量点。卫星与各类气象站组成综合测量系统，自动气象站自动、定时测量、记录、传送温度、湿度、气压、风向、风速、日照、雨量等要素资料，使气象预报更科学、准确、及时。放射性同位素电池最能适应无人气象站的使用环境。

处于远海及孤岛处的灯塔和浮标，设置在边远偏僻处及海洋中的地震观测站、设置在隐秘处的飞机导航雷达信标、建立在高山顶上的微波中继站等工作环境恶劣、地理位置险要，仪器设备难于经常维护、更换，最合适的电源还是放射性同位素电池。

美国上世纪 80年代在阿拉斯加部署了Sentinel-25F和SNAP-23A的RTG作为无线电中继站电源。1976年在南极Marble Point，美国国家科学基金会(NSF)和斯坦福大学建立了南极气候观察站(AWS)，试用了URIPS-8RTG[10]。

海下用的电池要解决海水静压力和海水腐蚀等问题，放射性同位素电池是理想的海下电源，主要用于海洋学和海洋工程测量设备、反潜艇水下监测器、海下声纳、海底航标、海底电缆中继站等仪器。

1978年美国在阿拉斯加的Fairway Rock部署了RTG的海底传感系统，设计寿命＞10 a。自1974年起美国陆续在水下、海底使用了多种 SNAP-21和Sentinel-25放射性同位素热电发生器(电池)[10]。

20世纪60年代，苏(俄)、美、法、英、德、意大利、加拿大等国相继在地面、海下使用放射性同位素电池，苏联(俄罗斯)的国防部、交通部使用了1000多个，所用放射性同位素大都为90Sr，每个电池放射性活度 1.85×1014−1.30×1016Bq，有的电池已超过使用寿命。美国海军、空军、能源部在地面、海洋使用了140多个放射性同位素电池。法、英、加拿大、意大利都有地、海使用的报道。

中国科学院上海应用物理研究所于 1972−1974年设计、安装、试验了5台3 W的电热模型[11]，为设计地、海用的电池提供可靠依据。根据210Po电池发现的问题，对电池的结构、总体安装工艺、换能材料性能、焊接质量等作了改进，并取得良好效果。5个模型中效率最高的达5.6%，最长有效寿命超过三年。其中一个模型配备了电压变换装置和镍镉电池给航标灯供电，在无人照管情况下，电池模型为航标灯供电达六年之久(图5)。

图5 1973年上海应用物理研究所研制的地、海应用的电热模型(为航标灯供电)Fig.5 RTG model for territory application designed at Shanghai Institute of Applied Physics in 1973(power supply for lantern).

2004年，中国原子能研究院同位素所承担了“百毫瓦级钚－238同位素电池研制”任务，在两年时间内，同位素所和协作单位完成了总体设计和一系列相关工艺研究，研制出样品。最终检测表明，电池辐射防护检测的各项指标均符合国家安全要求，性能达到了技术指标要求[12]。

5 医学应用

放射性同位素心脏起搏器是微型电池(10–3–10–6W)在医学上应用的实例，放射性同位素电池推动了埋植式起搏器的应用，使用寿命长，避免多次手术更换电池及心肌电极插入口引起的感染。

用于心脏起搏器的放射性同位素电池要求：(1)微型化，外形尺寸Φ2.3 cm×5 cm，由此要求放射性同位素功率密度较高。(2) 工作稳定可靠，使用寿命＞10 a，同位素半衰期须足够长，(如238Pu，t1/2=86.4 a)。(3) 安全性要求高，选用同位素毒性低，燃料盒在各种可能事故下完整无损；选用α源且纯度达到医学级水平，并尽量减少燃料用量，降低电池的辐射剂量(起搏器表面剂量<2.5×10–5Sv/时)。已正式使用的起搏器表面剂量与一块夜光表的辐射剂量相当，一年内所接受的总剂量相当于进行一次胸透的剂量，不会造成辐射损伤。

放射性同位素心脏起搏器于上世纪 70年代初开始应用，最早使用的是法国和美国。法国用于放射性同位素心脏起搏器[6]的电池为碲化铋半导体型，燃料为238Pu二元合金，输出功率700 μW，外形尺寸Φ2.3 cm×5 cm，重40 g。美国使用金属热电偶型电池的心脏起博器[6]，燃料为金属238Pu，输出功率230 μW，外形尺寸Φ1.7 cm×4.5 cm。

放射性同位素电池还能用作人工心脏、人工肺脏、人工肾脏、心脏辅助装置、神经模拟器、人工血压调节器、括约肌刺激器等的电源。

6 放射性同位素电池的发展与应用前景

6.1 改进传统换能材料性能、开展先进换能材料研究

改进传统换能材料碲化铋、碲化铅、硅化锗的性能，提高优值，并根据使用要求和材料特性对三种材料进行分段串接或级联组合使用，使各自在最佳工作温度使用，获得最高的转换效率[13]。还要开展先进换能材料研究，如方钴矿类材料、功能梯度换能材料、纳米复合材料。

6.2 由“静态热电转换”向多种能量转换系统发展

美国制定了空间核创新计划，提出开发先进放射性同位素发电体系。各国已开展或计划开展的能量转换系统有静态热离子换能器、同位素热光伏转换器、碱金属热电转换器、同位素热声能源系统等，这些系统已进入研发阶段[14]。近年来，动态型放射性同位素发电系统的研制取得进展，有的已进入工程单元设计和论证，研究较多的是布雷顿(Brayton)、斯特林(Stirling)循环系统，后者已被NASA列入重点研究内容，有的国家还开展微型温差电换能器的研究，某些非热转换核电池也有新进展。

6.3 放射性同位素电池的应用前景

21世纪将继续进行火星、木星、天王星、海王星及太阳的探测，如向木星卫星发射轨道飞行器，对彗星进行科学考察，飞越冥王星等。图6是美国登月30年后宣布重返月球的计划，预计2018年实现载人重新登月，并将建立月球基地。我国于2003年启动了嫦娥月球探测工程，欧洲航天局公布了“曙光女神”计划，日本以发射“飞天号”、“月神号”为契机步入了探月征途，印度将以“月船1号”为起点开始展现它的月球计划[15]。只有放射性同位素电池能满足月球飞行与月面探测任务的要求，成为这些领域的最佳电源。

此外，放射性同位素电池在海下、地面、医学方面的应用也将继续扩大和深入发展。

图6 美国在太空中使用的放射性同位素电池[8]Fig.6 RTG of USA used in space.

6.4 放射性同位素电池民用化趋势越来越明显

上世纪70年代，放射性同位素电池用于心脏起搏器是民用的良好开端。近十多年来，诺基亚公司已开发出核能手机样机，内置核电池，可终机使用不用更换电源，也有完善的安全措施。苹果公司也进行了将核电池用于笔记本电脑的研发工作。放射性同位素电池在微型电动机械中的应用也是一个飞速发展的领域。还有科学家提出在电动汽车上使用放射性同位素电池的设想。以上这些动向展现了民用的发展前景。

热电型放射同位素电池具有寿命长、对环境适应性强、工作可靠、不需要维护、小型化(空间、医学应用)等特点，在空间、海下、地面、医学等方面已获得广泛应用，成为空间星际探测和最佳海下电源。在地面特殊任务、医学方面也获得成功应用。在21世纪，放射性同位素电池将继续深入发展，改进传统的换能材料性能，开展先进换能材料的研究，能量转换系统将由“静态热电转换”向多种转换系统发展；放射性同位素电池将在大规模空间和太阳系探测中发挥更大作用。在海下、地面、医学方面的应用也将继续扩大，并开始向“民用化”发展。总之，放射性同位素电池将朝着寿命更长、效率更高、更安全可靠、功率范围更大、种类越来越多、使用范围更加广泛的方向发展。

1 Mills, Joseph C, Richard C D.Thermionic Systems for DOD Missions.American Institute of Physics Conference Proceedings, 217(3): 1088–1092

2 http://nuclear.mst.edu/department/spacepower.html,Nuclear Power in Space, Nuclear Engineering U.S.Department of Energy Office of Nuclear Energy, Science and Technology DOE/NE-0071

3 Lester C L.Combustion Engine Processes, 1967,McGraw-Hill, Inc., Lib.of Congress 67-10876

4 Canada Scott, Cohen G, Cable R, et al.Parabolic Trough Organic Rankine Cycle Solar Power Plant (in English).2004 DOE Solar Energy Technologies (Denver, Colorado:US Department of Energy NREL).http://www.nrel.gov/csp/troughnet/pdfs/37077.pdf.Retrieved 2009

5 Walker G.Stirling engines.Oxford: Clarenden Press, 1980.1

6 梁代骅, 斯厚智, 杜光天, 等.放射性同位素电池.北京: 原子能出版社, 1978 LIANG Daihua, SI Houzhi, DU Guangtian, et al.Radioisotope power generator, Beijing: Atomic Energy Press, 1978

7 蔡善钰, 何舜尧.核科学与工程, 2004, 24(4): 97–104 CAI Shanyu, HE Shunyao.Chinese J Nucl Sci Eng, 2004,24(4): 97–104

8 Sakamoto J, Jewell A.Advanced Thermoelectric Power Generation Technology Development at JPL 3rdEuropean Conference on Thermoelectric, Nancy, France, 2005

9 黛荠祖.核技术, 1980, 3(5): 8–13 DAI Qizu.Nucl Tech, 1980, 3(5): 8–13

10 Report Documentation, Radioisotope Thermoelectric Generator of the U.S.Navy, Volume 10, Naval Nuclear Power Unit, Port Hueneme CA 93043, 1978

11 梁代骅, 杜光天, 斯厚智, 等.核技术, 1982, 5(2):17–20 LIANG Daihua, DU Guangtian, SI Houzhi, et al.Nucl Tech, 1982, 5(2): 17–20

12 http: // www.ciae.ac.Cn /otype3/onews /onews588.htm

13 Corliss W R, Harvey D G.Radioisotope Power Generation, Printic-Hall, 1964

14 崔 萍, 李 歆, 张 楠, 等.电源技术, 2004, 28(12):803–806 CUI Ping, LI Xin, ZHANG Nan, et al.Chinese J Power Sources, 2004, 28(12): 803–806

15 张 熇.翱翔九天, 上海: 上海科技教育出版社, 2007 ZHANG He.Shanghai: Shanghai Scientific and Technology Education Publishing House, 2007