核电厂发电工作原理（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。

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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