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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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,GalileoUlyssesCassiniNew 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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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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