超小型核电池问世，到底安不安全？不充电可用2.8万年！

文摘 2024-11-12 15:49 广东

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超小型核电池问世

最近国内有公司宣布研发出超小型核电池，计划2025年在监管部门审批通过后量产。这引发了不小的争议，不少人谈“核”色变，一看到核电池就各种担心，那么核电池到底能不能民用？到底安全不安全？

到底安不安全？

近几十年来电子设备的发展速度远远超过了电池的发展速度，很多的移动电子设备都少不了一根充电线。手机就是我们最头疼的问题。而且还有很多的小型用电设备，例如一些小台灯、夜灯、传感器也要经常连接电源，电线拉的到处都是，影响美观。

但是没办法，我们现在使用的锂电池要充电才能使用，且寿命有限。频繁的更换会浪费资源、还污染环境。所以一款不用充电，且能持续放出电能的电池是整个社会迫切需要的。

有了它你的办公桌、房间会变得整洁很多。

而且这样的电池更能加快新能源汽车的发展，

如果实现将为人类节省大量的能源，甚至是摆脱至少一半的化石燃料的依赖。
那么这种电池可能吗？不充电、持续放电？这不违反能量守恒了么？

确实有点夸张了，不过一个电池要是能够持续放电数万年，这对人类来说就跟无限的能源是一样的。毕竟我们每个人的寿命也不过百岁。一生买一个电池子孙后代、世世代代受益！

这样的电池还确实能够实现，虽然现在我们人类主要的能量来源是化学能，但是上世纪我们还发现了一种释放能量更为高效、环保的能源就是核能。原子核的聚变和裂变的过程中会损失比化学反应更多的质量，因此它会释放十分可观的能量。目前核能的应用主要用在民用发电领域。

而我们今天要说的“无限能源”的电池同样要依靠核能来实现。

但并非是核聚变和裂变的反应方式，而是通过原子核的放射衰变来获取电能。

美国加州的一家公司NDB宣布他们研发了一款不需要充电就能使用2.8万年的新型纳米金刚石电池。

目前已经在实验室通过了测试，获得了重大进展，其收集电荷的效率已经达到了40%，比太阳能电池的15% - 20%更加高效。

这个收集电荷的过程其实就是这种核电池自行充电的过程，它和太阳能电池有一些相似之处。光电效应大家都清楚吧，就是特定频率的光照射到金属上，可以让金属中原子最外层的电子获得足够的能量，发生逃逸。

电子的逃逸就是放电的过程。太阳能电池就是在白天的时候，通过收集光电效应产生的电荷，来为电池充电，到晚上然后放电就行照明。而这种新型核动力电池它收集的电子来自于放射性同位素的衰变。这种同位素就是我们熟知的碳-14，原子核中有6个质子和8个中子。

这种原子核不稳定会自发的通过弱相互作用力发生衰变，也就是原子核中其中一个中子通过释放一个电子和反电子中微子，转变成为一个质子。可以看到这个过程就会放出一个电子，通过收集电子，电池就可以自行充电了。跟太阳能电池有点像，但不完全一样。

碳-14这种东西在自然界含量不是很高，只占到了所有碳储量的0.0000000001%，而且都存在于大气中，因为自然界产生碳-14的过程都是来自宇宙高能射线撞击大气中的氮原子产生的。

然后这些碳-14又会自发经过上述过程衰变回氮-14。氮-14十分稳定，不再具有放射性。所以大气中的碳-14经过以上的循环基本上会处在一个平衡的状态。这时你可能会想，碳-14这么稀少就算发明出这种核电池也会异常的珍贵，根本没法实现普及。其实不用担心，大自然的碳-14虽然少，但是人类每时每刻都在大量的创造着碳-14，而且一直把它当作废料。

核电站在发生重元素裂变的过程中就会产生大量的中子，而我们常会使用石墨来当作这些中子的，石墨就是碳-12，它在减慢中子速度的时候就会捕获中子转变为碳-14。

所以说-14十分的廉价，这不用担心。其次就是大家所担心的发射性问题，毕竟你手里整天拿个放射性元素肯定是不安全的。这个问题也不用担心。

碳14在经历衰变以后会释放出电子，这个电子就是我们常说的β粒子，它确实具有比较强的电离辐射危害。但是在电池内部会经过非弹性散射将这些电子捕获储存起来，这就大大减小了电子逃逸出来。而且这个电池的名字中还有纳米金刚石，没错，它是人造钻石，是非常坚硬的物质。而且能够阻挡住一些没有被捕获，试图溜出来的电子。

NDB公司表示，这样的核电池对人体的放射性危害，甚至会比手机等一些电子设备还要安全。这样的电池相比于锂离子电池来说能量密度更高，而且没有充电的烦恼，基本可以上寿命是无限的28000年。

因为碳14的半衰期为5730年，也就是过上5000多年一块纳米金刚石电池的效率才会减小一半，随着电压的降低，它也可以为其他一些低用电设备供电。因此能使用28000年完全不在话下。NDB公司宣布，它已经在加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室和剑桥大学卡文迪什实验室完成了两项概念验证测试。目前，已经安排好了首批客户，其中包括一家航空航天公司和核燃料循环产品领域的领军企业。未来这样的电池民用，走进千家万户也是指日可待。

在这里需要说明的是，以前的核电池是用于太空探索的核电池，一般是利用放射性元素钚238衰变时，自身放出大量热量，通过热电效应，把热量转换为电。

钚238的半衰期为87.74年，衰变时释放阿尔法粒子α，同时放出大量热量，即使钚238的量很少它也能自燃。1公斤的钚238居然可产生大约570瓦的热能，真可惜，如果钚238对人类健康就像白开水一样完全无害，那咱们的生活该有多美好，每家1公斤钚238，然后烧火做饭冬天取暖照明等等等一切全靠它了，而且最少能用100年！

但是很不幸，钚238有毒，所以它一般用在宇宙探测器上。比如“旅行者1号”上面的核电池，也是采用钚238，重37.7公斤，能放出2400瓦的热能，这些热能可产生160瓦的电力。“旅行者1号”已经离开咱们太阳系到达星际空间，正是因为有了核电池，人类才能收到来自太阳系边缘，近190亿公里外“旅行者1号”的信息。

日后若是外星人捕获了它，衷心祝愿他们不被“旅行者1号”上的钚238毒死。这种核电池不是采用重元素如钚、铀等，它使用的氢的同位素氚。

氕就是平时咱们喝的水，H2O中的的H，而氘多了一个中子，如果水分子中的氢两个都是氘，就叫做重水，比较贵，核电站中的重水堆需要它，如果只有一个氢是氘，就是半重水，地球上有3200分之1的水是半重水。

氚核中含有两个中子，它又叫“超重氢”，有放射性，会发生β衰变，放出电子，半衰期为12.43年。虽然氚也是核武器诸如大当量氢弹、中子弹中的聚变燃料，但它并没有钚238那么坏。例如，因为氚能发射电子，所以可以用它激发荧光粉发光，常在夜光表、出口指示牌中用到。

氚的半衰期只有12.43年，每过12.43年氚就减少一半，所以地球上的氚很少，都是现炒现卖，它是宇宙射线冲击大气层时的产物，非常微量，大部分是人工合成的。

它的原理跟太阳能发电类似，在太阳能发电中，太阳光在半导体（PN结）中产生电子和空穴对时，于是电子在内电场的作用下流动，产生电力。在氚电池中也是类似的道理，因为氚会发射电子，当这些电子被半导体捕获后，就能产生电了。总的原理是这样的。

这种核电池安全吗？

氚的衰变只会发射电子，而这电子的能量很弱，用几张纸就能挡住，不可能穿透到人体里面去，除非是，你用铁锤把这种核电池砸得粉碎，然后吞到肚子里，那肯定是不安全了，不过话说回来，你把现在的锂电池砸碎，吞到肚子里照样也是不安全的。

这电池可用于手机吗？

根据产品官网的介绍，这种电池可连续工作20年以上，可在-40ºC至+80ºC的环境中工作，提供0.8伏、1.6伏、2.4伏的电压，但是电流很小，目前只适合用在压力或者温度传感器、智能传感器、深海油井中的传感器、医疗植入物、硅时钟、涓流充电锂电池、以及低功耗的处理器中。主要面向军事用途，和工业应用。

而用在手机上，恐怕还需技术上的进一步突破，但就算多年后出现了能用于手机上的“核电池”，估计因为大众的担忧心理，这种电池的普及也将会是个大问题。

价格亲民吗？很抱歉，目前它比你手上的iPhone6s还要贵。嗨，这真是，我们还担心它的安全问题呢，看来，人家也没打算面向咱们。

高科技公司也在介入核电池研发吗？

是的，微软发布的一份招聘启示，透露了行业先驱对能耗问题的解决方案。微软招募的职位名称是“核技术首席项目经理”，这一职位的任务是负责领导公司对集成小型模块化核反应堆（SMR）和微反应器的技术评估。

SMR每个单元的发电能力高达300兆瓦，功率是传统核反应堆的三倍。与传统核反应堆相比，SMR的建造速度更快、成本更低，前者平均电力成本为每兆瓦时97美元，而后者的平均电力成本为每兆瓦时60美元。由于体积较小，所以SMR可以安装在不适合放置大型反应堆的地方。

并且，SMR具有很强的安全系数，这意味着向环境不安全释放放射性的可能性大大降低。一旦发生故障，这些系统可以自动关闭，无需人工协助。目前，全世界正在开发80多种商业SMR设计，尽管许多公司对投资SMR仍心存疑虑，因为其使用的经济竞争力还有待验证。

微软是首批对SMR表现出兴趣的公司之一。AI训练和推理的高能耗使得微软需要更多能源支撑其业务。在SMR上的尝试不是微软第一次对核能表现出兴趣。今年5月，微软与核聚变初创公司Helion签署了一份购电协议，将从2028年开始向其采购电力。此外，微软的联合创始人比尔·盖茨是SMR技术开发商Terra Power的董事会主席，不过两家公司目前尚无业务合作。

同时，环保压力也迫使这些企业转向低碳化运营。一些政府开始征收碳税，另一些政府则通过财政激励措施鼓励使用清洁能源。风能和太阳能等可再生能源的开发需要数年时间，而获得稳定的清洁能源也意味着对电池技术的投资。SMR技术容易部署和碳足迹更少的特性有望吸引那些急于实现环保转型的公司。

目前核能发电约占世界电力的10%，但前期巨大的投入和漫长的工期，给传统的大型核反应堆应用带来了阻力。

SMR的开发能解决所有问题吗？

也不见得。而且更关键的是，虽然SMR相比传统核反应堆有许多好处，但由于开发核反应堆所需的铀资源紧缺，因此其商用落地仍然遥遥无期。目前，制造主流的SMR需要使用浓缩度15%至19.75%的高纯度低浓缩铀(HALEU)，这是一种只能从俄罗斯获得的资源。去年，俄乌冲突爆发后，许多政府和企业都已经彻底切断了与俄罗斯的贸易，也给SMR的商用带来了巨大的挑战。尽管欧美都在制定生产高纯度低浓缩铀计划，但目前取得的成果寥寥。Terra Power公司首席执行官Chris Levesque对媒体表示：

“很明显，美国和盟国的高浓缩铀制造方案将无法及时满足商用产能。”

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxMTkyMTAzOQ==&mid=2247526888&idx=1&sn=dd8d5e5d538234e2daeaae2d60587f2e

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