“50年穩(wěn)定自發(fā)電”的核電池要革鋰電池的命?核電池民用還遠(yuǎn)嗎?

　　核電池的規(guī)模化商用和民用進(jìn)展再次受到廣泛關(guān)注。幾十甚至上百年不用充電的核電池到底什么時(shí)候能應(yīng)用到手機(jī)、電器、汽車上?

　　近日，有國(guó)內(nèi)企業(yè)宣稱成功研制民用原子能電池，可50年穩(wěn)定自發(fā)電、即將投入量產(chǎn)，“遙遙領(lǐng)先”歐美科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)。該公司稱，計(jì)劃2025年推出功率為1瓦的電池，在政策允許的情況下，原子能電池可以讓一部手機(jī)永不充電，現(xiàn)在只能飛行15分鐘的無(wú)人機(jī)可一直飛。

　　此消息一出，有人為之振奮，高呼“鋰電池要被革命!”，亦有網(wǎng)友對(duì)該公司所謂的產(chǎn)品前景提出質(zhì)疑。實(shí)際上，核電池早已有之，從上世紀(jì)就已引發(fā)研究人員的興趣。20世紀(jì)50年代開始，核電池進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。這一長(zhǎng)壽能源被寄予了巨大的希望，但時(shí)至今日，核電池的主要應(yīng)用場(chǎng)景仍局限于航天、極地、深海、心臟起搏器等領(lǐng)域。無(wú)論從轉(zhuǎn)換效率、輸出功率、成本還是輻射安全管理角度來(lái)看，核電池民用言之尚早。相較于隨處可見(jiàn)的鋰電池，核電池難以走進(jìn)人們的日常生活。

　　核電池，從太空起步

　　核電站的工作原理是核裂變，被稱為終極能源的“人造太陽(yáng)”是核聚變反應(yīng)。裂變和聚變均屬于外因引發(fā)的核轉(zhuǎn)變，核電池利用的衰變則不同：它是自發(fā)進(jìn)行的核轉(zhuǎn)變，也稱為放射性衰變。因此，核電池或稱放射性同位素電池，是將放射性同位素衰變時(shí)釋放的能量轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。

　　由于衰變過(guò)程連續(xù)不斷且不受環(huán)境影響，核電池以抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、能量密度高等特征著稱，根據(jù)放射源半衰期不同，可工作幾年、幾十年甚至上百年。這使其在一些極端條件和需要長(zhǎng)期穩(wěn)定供電的場(chǎng)合獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。按照換能方式不同，核電池又可分為熱轉(zhuǎn)換式核電池(將同位素衰變時(shí)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能)和非熱轉(zhuǎn)換式核電池(將放射性同位素放出的帶電粒子或產(chǎn)生的衰變能直接或間接地轉(zhuǎn)換成電能)。

　　核電池研究取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展始于20世紀(jì)50年代，正是得益于航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)高效能長(zhǎng)壽命電池產(chǎn)生了極大的需求。

　　在航天領(lǐng)域，熱轉(zhuǎn)換式核電池的“知名案例”頗多。1977年，美國(guó)發(fā)射攜帶钚-238核電池的“旅行者1號(hào)”航天器，迄今已在太空航行46年，創(chuàng)造了世界衛(wèi)星遠(yuǎn)航史上的輝煌紀(jì)錄，核電池將保證其搭載的科學(xué)儀器持續(xù)工作到2025年。火星探測(cè)器“好奇號(hào)”上搭載的核動(dòng)力裝置，是一塊重約45公斤、發(fā)電功率140瓦的核電池，含約5公斤重的钚-238。2013年，我國(guó)“嫦娥三號(hào)”攜帶同位素?zé)嵩达w天，核電池中的钚金屬塊238相當(dāng)于一個(gè)“暖寶寶”。有了它，無(wú)須擔(dān)心月夜零下150度到180度的低溫凍傷儀器設(shè)備。

　　上述放射性同位素溫差發(fā)電器核電池技術(shù)最為成熟且應(yīng)用最早，但造價(jià)極其昂貴。以“毅力號(hào)”火星車核電池系統(tǒng)為例，價(jià)格高達(dá)7500萬(wàn)美元。

　　近些年來(lái)，另一技術(shù)分支——輻射伏特效應(yīng)核電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展頻頻“出圈”。隨著半導(dǎo)體材料制造技術(shù)的提高，此類電池的實(shí)際應(yīng)用成為可能。

　　2012年，國(guó)內(nèi)電商平臺(tái)就曾出現(xiàn)一款號(hào)稱20年不斷電、不充電的民用核電池NanoTritium出售，售價(jià)6980元，旋即引發(fā)網(wǎng)絡(luò)熱議。這并非山寨產(chǎn)品，而是美國(guó)City Labs公司推出的氚電池。2010年，由該公司研發(fā)的NanoTritium輻射伏特效應(yīng)核電池獲得通用許可證。

　　City Labs選擇的氚僅僅釋放出低能量的β粒子，可以用非常薄的材料遮擋，是一種較安全且易于密封的放射源。該公司官網(wǎng)資料顯示，其氚電池通過(guò)了全球航空航天及防務(wù)巨頭洛克希德·馬丁公司的第三方測(cè)試，證實(shí)該產(chǎn)品的極端溫度變化耐受性(-55°C 至 +150°C)。氚的半衰期在12年左右，City Labs 稱“15 年前開發(fā)的早期NanoTritium電池仍在高效運(yùn)行，模擬實(shí)驗(yàn)表明它們將繼續(xù)運(yùn)行20多年。”

　　核電池民用，到哪步了

　　阻擋核電池民用進(jìn)程的主要因素，并非安全性。

　　作為核電池的能量來(lái)源，同位素放射源必須滿足半衰期長(zhǎng)、功率密度高、放射性危險(xiǎn)性小、容易加工、經(jīng)濟(jì)和易于屏蔽等條件。輻射伏特效應(yīng)核電池一般使用純β輻射放射源，對(duì)物質(zhì)的穿透深度很淺，幾張紙就能擋住，沒(méi)有外輻照傷害。

　　價(jià)格不菲是核電池大規(guī)模民用的主要限制因素之一。

　　將氚電池推向商用市場(chǎng)10余年后，該領(lǐng)域“鼻祖”City Labs公司的生意如何呢?“貝塔伏特電池(Betavoltaic Batteries)和核電池尚未廣泛供個(gè)人消費(fèi)者使用，這類電源大多仍處于開發(fā)和改進(jìn)中。一些公司(比如City Labs)提供用于商業(yè)和科學(xué)用途的貝塔伏特電池。”City Labs稱，普通消費(fèi)者不會(huì)購(gòu)買他們的產(chǎn)品，公司通常與對(duì)該技術(shù)感興趣的長(zhǎng)期合作伙伴或科學(xué)組織打交道。

　　澎湃新聞從該公司網(wǎng)站獲悉，每塊氚電池的基礎(chǔ)價(jià)格為5250美元。當(dāng)然，批量訂單可享受折扣，定制產(chǎn)品要額外收費(fèi)。

　　轉(zhuǎn)換效率和輸出性能更是核電池?cái)U(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域不得不面對(duì)的短板。

　　2023年12月，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全所發(fā)布消息，該所韓運(yùn)成項(xiàng)目組在貝塔輻射伏特核電池研究領(lǐng)域取得了新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在《核科學(xué)與技術(shù)》(Nuclear Science and Techniques)期刊上。該文稱，貝塔輻射伏特核電池利用放射性同位素釋放的貝塔粒子轉(zhuǎn)化為電能，具備長(zhǎng)壽命、高能量密度、微小尺寸和優(yōu)異的抗干擾能力等特點(diǎn)，被普遍認(rèn)為是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中極具潛力的能源替代選項(xiàng)之一。然而，傳統(tǒng)的平面電池受到半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和放射源加載的限制，半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器僅能利用放射源單面釋放的衰變能，導(dǎo)致輸出功率和轉(zhuǎn)換效率低，輸出功率限制在nW水平，無(wú)法滿足MEMS系統(tǒng)的功率需求。

　　輻射伏特核電池的功率處于納瓦到毫瓦量級(jí)。根據(jù)City Labs公司的資料，該公司提供的核電池產(chǎn)品在納瓦、微瓦、毫瓦范圍。

　　清華大學(xué)輻射防護(hù)辦公室常務(wù)副主任朱立此前曾對(duì)City Labs公司推出的氚電池作出解讀，“其功率最多只有0.84毫瓦，這表明NanoTritium還不能應(yīng)用到手機(jī)等領(lǐng)域。”

　　不僅如此，我國(guó)《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》和《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》明確規(guī)定，放射源的豁免必須持有備案證明文件，也即相關(guān)商業(yè)活動(dòng)須經(jīng)過(guò)審批。

　　讓我們回到文章開頭提及的宣稱成功研制民用核電池的企業(yè)，“2025年推出功率為1瓦的電池”真的有望實(shí)現(xiàn)嗎?

　　這家名為北京貝塔伏特新能科技有限公司的企業(yè)稱，融合鎳63核同位素衰變技術(shù)和中國(guó)第一個(gè)金剛石半導(dǎo)體模塊，該公司將推出的第一款產(chǎn)品BV100是世界上首塊即將量產(chǎn)的核電池，功率是100微瓦，電壓3V，體積是15 X 15 X 5立方毫米，比一枚硬幣還小。核電池每分每秒都在發(fā)電，每天8.64焦耳，每年3153焦耳。多塊這樣的電池可以串并聯(lián)使用。

　　鎳-63的半衰期達(dá)100年，按半衰期來(lái)算，基于鎳-63的核電池確實(shí)至少可工作50年。

　　但一位從事核技術(shù)應(yīng)用研究的學(xué)者向澎湃新聞表達(dá)了對(duì)上述公司產(chǎn)品介紹和目標(biāo)的質(zhì)疑。“目前功率還沒(méi)達(dá)到這個(gè)級(jí)別，核電池應(yīng)用仍需依靠新材料和新工藝來(lái)提高輸出功率。”

　　社交平臺(tái)上對(duì)該公司提出的“核電池手機(jī)”概念也不乏質(zhì)疑聲。“1瓦=1000000微瓦，也就是說(shuō)造1瓦的核電池，得比硬幣大10000倍。要把一枚硬幣1萬(wàn)倍大小的東西在兩年內(nèi)做得跟手機(jī)電池一樣大，摩爾定律都帶不動(dòng)啊，何況是材料學(xué)。”該網(wǎng)友還反問(wèn)道，現(xiàn)在的手機(jī)峰值功率可達(dá)13-15瓦，1瓦能干啥?

　　也有網(wǎng)友提出，該產(chǎn)品不僅不適用于手機(jī)電池，即使當(dāng)作外置電源，對(duì)比其他動(dòng)輒百瓦的快充也毫無(wú)優(yōu)勢(shì)，更不用說(shuō)鎳-63的價(jià)格問(wèn)題。

　　天眼查資料顯示，北京貝塔伏特新能科技有限公司成立于2021年4月，法定代表人是穆索夫·扎烏爾，參保人數(shù)0人。北京闿明創(chuàng)新科技有限公司對(duì)其持股94%，闿明創(chuàng)新的五位股東為穆索夫·扎烏爾、穆薩夫·穆哈穆德、庫(kù)果托夫·安佐爾、寧瀟函和王振遠(yuǎn)，參保人數(shù)同樣是0人。

　　北京貝塔伏特新能科技有限公司的專利信息如下圖所示：

　　“在民用領(lǐng)域，不受管制地使用核電池是很危險(xiǎn)的。”西北工業(yè)大學(xué)空天微納實(shí)驗(yàn)室教授喬大勇此前接受中國(guó)科學(xué)報(bào)采訪時(shí)稱，“國(guó)際上對(duì)于核電池的民用都存在法規(guī)限制，有些放射源的半衰期甚至上千年，一旦不小心遺棄在某個(gè)地方，傷害和影響就將持續(xù)千年，只有對(duì)核電池的制造、流通和回收制定完善的法律、法規(guī)并嚴(yán)格執(zhí)行，這一具有美好未來(lái)的能源才能真正變成現(xiàn)實(shí)。”

　　輻射防護(hù)和環(huán)境保護(hù)專家、中國(guó)工程院院士潘自強(qiáng)對(duì)核電池應(yīng)用前景的評(píng)判更為直接。他認(rèn)為，核電池可以用在一些“不計(jì)成本”的事業(yè)方面，但不可能像普通商品那樣走進(jìn)人們的生活。