1970年，巴黎的外科医生首次为患者植入了核动力心脏起搏器。此后5年间，至少有1400人（主要分布在法国和美国）植入了这类装置。这种装置的电池封装在钛金属中，内含放射性同位素（通常约0.1克钚-238），不需要维护即可运行数十年。这项发明为患者带来了福音，此前，他们每隔数年就需要通过手术更换起搏器的化学电池。
不过，随着时间的推移，这些放射性装置日益难以追踪。在美国，这些设备本应被送回能源部进行钚回收，但现实往往并非如此。医生离职、制造商倒闭、患者离世、家属忘了亲人体内还有起搏器……大多放射性物质最终被送入火葬场或棺椁。
全球各监管机构对这种现状深感不安，纷纷叫停了该装置的使用。最后一台已知的核动力起搏器的植入时间为1988年。此后，除了深空探测器和西伯利亚灯塔等少数特殊用途外，核电池的研发和应用基本陷入停滞。
技术不会真正消亡，核电池也不例外。2000年后，相关研究再度活跃，只是缺乏商业转化。过去一年里，全球多家企业和研究团队宣布取得技术突破，表示将重振该技术并将其拓展至机器人、无人机、传感器、太阳能农场，以及航天器和生物医学植入设备等领域。
新兴团队采用了比以往设计更先进的新型现代技术，致力于制造史上最精密的核电池。与第一代产品相同的是，超长的使用寿命仍然是核电池的魅力所在，它们可持续工作数十年，若燃料选择得当，甚至可能达到数百年。它们采用的封装比化学电池更轻，能提供更多能量。
问题在于，谁会为此买单？作为核工程师、教授兼顾问，我在该领域深耕了近40年。据我观察，这项技术不仅可行，而且相较于化学电池具备多重优势，能够安全使用。但极少有企业能真正为这些电池找到新市场并打造有影响力的产品。导致问题的部分原因在于，目前没有完善的方案来追踪放射源，并确保它们在电池寿命终结时得到妥善处理。
如今致力于攻克这些难题的企业数量远超我职业生涯所见，这不仅有益于该领域的发展，也有助于为学术研究奠定基础。这也给了我希望，核电池的黄金时代或许就是现在。
“核电池”一词或许会让人联想到微型核反应堆，但其工作原理并非如此。核电池并非通过中子撞击来分裂原子，而是捕获原子核衰变时自发释放的热能。
大多数核电池研发团队都专注于利用镍和氢的放射性同位素的能量。在许多核电池设计中，邻近半导体会吸收放射性同位素核释放的辐射并将其转换为电流，类似于太阳能电池。另一些设计则通过热电装置将辐射产生的热能转换为电能。因此，“放射性同位素电源”的表述比“核电池”更准确，但为了便于理解，本文将交替使用这两个术语。
随着实验室成果的涌现，研究者正竞相推动该技术的商业化。过去两年来，英国原子能管理局、美国迈阿密的City Labs，以及中国的北京贝塔伏特新能科技有限公司和西北师范大学都宣布了有关半导体核电池的进展和融资情况，部分已制订商业化计划。2024年，美国圣迭戈的Infinity Power公司公布了一种转换放射性同位素能量的新型电化学方法。
如果能实现商业化，这些电池适合哪些市场，在很大程度上取决于成本、安全性和许可问题。最具吸引力的应用场景当数深空探测无人航天器，这类任务需要可持续数十年的可靠能源。虽然太阳能电源可用于靠近太阳的任务，但当航天器抵达木星时，可用太阳辐照度会下降至地球水平的4%以下。
因此，核裂变电源和放射性同位素电源成为了深空任务唯二的可行方案。裂变技术适合太空中的高功率需求，如美国国家航空航天局的40千瓦月球裂变地表能源项目（Fission Surface Power Project）。针对较低功率的机载需求，核电池的设计更简单、质量更轻。当前，太空任务中的主力军是可产生数百瓦功率的放射性同位素热传导发电机（RTG）。
美国国家航空航天局在1977年发射的两个旅行者号探测器各携带3台放射性同位素热传导发电机，每台重约38千克，含4.5千克钚-238。它们呈圆柱形，尺寸与办公室的废纸篓差不多。其初始发电功率为157瓦，但会随着钚-238的衰变而逐渐下降。以1977年发射时旅行者号配备的157瓦放射性同位素热电发生器为例，如今其电能输出约为88瓦。
核电池的另一个很好的应用场景是为地球上的偏远地区供电。例如，自20世纪70年代起，苏联在俄罗斯西北部部署了超过1000台放射性同位素热传导发电机，以便为无人值守的灯塔、无线电信标和气象站供电。这些电池大多采用锶-90，单台重约2000千克。美国也部署了数百套类似系统来为陆地偏远地区和海底设施供电，尤其是在北极偏远监测站点。
尽管核电池在太空探索、偏远地区供电和心脏起搏器领域获得了成功，其长寿命特性却尚未出现新用途。许多设备都能因长效电池而受益，例如与汽车寿命相同的无线胎压传感器。但选择放射性电池需要权衡收益、风险和成本。
制约核电池普及的另一个因素是燃料的追踪需求。几乎在任何国家和地区，面向公众的核电池买卖双方均需持有相关许可证（参见《少年在家中囤积大量放射性物质的警示故事》）。买方通常还需承担材料的追踪与处置责任。虽然密切关注放射性物质是必要的，但也增加了面向大众应用场景的复杂性。
为士兵提供长效电源是一项效益或将超过风险和成本的新用途，美国军方已进行了相关探索。士兵常常需要深入偏远或不稳定地区执行任务，当地缺电会导致他们无法为设备充电。因此士兵不得不携带电池，而电池的重量和续航时间严重制约了任务的执行。小型核电池的能量密度远超化学电池，可提供轻量化替代方案（重量可能仅为化学电池的1/100）。但需为其加装防护外壳，以防士兵受到辐射，还要采用可耐受恶劣环境的设计，这些都会增加其重量。
为通信、移动或飞行的自主传感器或机器人供电是核电池的另一种潜在用途。尤其值得关注的是军民两用的昆虫级微型飞行无人机。但无人机完成飞行后回收电池很困难，甚至可能遗留微量放射性物质污染环境。
下面再来看看微型核电池商业化的工程挑战。通常，将有前景的电池技术从实验室推向量产是个复杂的过程，失败概率远高于成功概率。至于核电池，还需要在成本、功率、安全性和使用寿命之间进行多因素权衡。
首先是选择燃料，即一种在衰变时可释放辐射的元素的同位素。这类同位素会释放3种辐射：γ射线、β粒子和α粒子。γ射线是短波长电磁波，可穿透大多数固体（包括活体组织）并深入其内部，它难以被封装、约束和捕获，因此通常要避免使用会产生γ辐射的同位素。
纯β或α发射体是核电池的更佳选择。β粒子是电子，固体穿透范围中等，其衰变能量从几千电子伏特（氚，即氢-3）到几兆电子伏特（氟-20）不等。α粒子则相反，其发射能量高于β粒子（通常约5兆电子伏特），连一张纸都无法穿透，但它们会与设备原子核碰撞造成缺陷，从而损坏半导体。因此，α发射体最适合可将源燃料产生的热能转换为电能的非半导体电池技术。
镍、碳、氢、硫、钷、钋和钚的放射性同位素均释放β粒子或α粒子，是核电池的理想选项（参见表格“核电池常用放射性同位素”）。具体选择哪一种取决于该同位素的半衰期和衰变能量等因素。
若追求最长电池寿命，则应选择半衰期长的同位素，因为电池的输出功率每过一个半衰期就会减半。若使用氚作为燃料的设备，每12年功率减半，而钚-238电池每88年功率减半。
如果目标是最大化电池的功率密度（例如用于昆虫级微型无人机），则需要半衰期短的同位素。以钋-210为例，它的半衰期只有几个月，但功率密度达141瓦/克，可提供足够的能量来携带有效载荷。半衰期短意味着它只能工作数月，并在几年内完全衰变。但对于可能被遗弃的微型无人机而言，这或许是件好事。（注意：上述功率密度考虑的是热功率，转换为电能时存在损耗，因此使用相关燃料的实际设备输出功率密度将略低。）
最安全的核电池燃料是氚和镍-63，它们产生的低能量β粒子更易被屏蔽，且对半导体的损伤远小于α粒子。但纯氚的操作难度大，因为它在室温下呈气态，虽然可以将其转化为金属氢化物，但此过程中需要将其与稳定的同位素混合，这样会降低能量密度。另一个设计考量是，这些安全的低能量β发射体的穿透深度较浅，因此要求燃料源必须非常薄，否则粒子无法抵达半导体。
那么，供应与成本如何？所有放射性同位素都价格高昂且通常只能小批量获取。几乎任何放射性同位素都可以通过在反应堆核心放置专用靶材的核裂变方式制造，也可以使用粒子加速器制备。部分放射性同位素还可以从乏核燃料中提取。但是没有简单或低成本的方法，因为每个步骤都需要处理放射性材料。
每克氚的成本约为3万美元，能够产生约0.3瓦热功率，通常情况下输出功率仅为几毫瓦。钚-238供应量极其有限，美国国家航空航天局甚至需要根据该燃料的供应情况制订发射计划。因此，美国国家航空航天局正在探索用镅-241来替代钚-238。如果这些材料的市场需求大幅增长，成本将如何变化尚不清楚。
选定燃料后，还要选择能量转换技术。20世纪50年代开发的早期放射性同位素电源仅收集带电衰变粒子，在收集器和放射源之间产生电位差（即电压），从而发电。这类设计中的电流本身过低，因此电池必须以千伏级高压工作才能实现合理的转换效率，但事实证明，其难度过大。
要解决这个问题，可使用半导体将放射源发射的每个带电粒子转化为数千个载流子，使设备能在几伏而非几千伏的电压下运行。这种设备的物理原理本质上与太阳能电池相同，只不过其辐射源来自放射性同位素而非太阳。当放射性同位素为β粒子发射体时，我们称该设备为“贝塔伏特”电池。
贝塔伏特电池自20世纪50年代研发至今，其特点是放射性发射体和硅二极管吸收体。发射体自然衰变时，电子会（以β粒子的形式）撞击吸收体，从而产生级联电子-空穴对，即电子脱离自己的原位置，留下“空穴”，形成微弱但稳定的电流。此过程与太阳能电池中光激发产生电子-空穴对的过程类似。
采用硅二极管的贝塔伏特电池的转换效率为百分之几，碳化硅版本的转换效率最高可达10%，通常工作电压约1伏。某些型号的效率最高可达23.5%。近期对贝塔伏特电池的研究使用了金刚石半导体，因为它的带隙更大，可实现更高的转换效率。
贝塔伏特电池是固态器件，结构简单且成本较低，是制造低功率（低于1毫瓦）核电池的理想方案。虽然它们也可用于制造高功率设备，但这种情况下，人们通常会选择α发射体以实现更高的功率密度。然而，由于α粒子会损坏半导体，所以通常需要使用将热能转换为电能的转换技术。
例如，美国国家航空航天局在其放射性同位素热传导发电机中采用了热电转换技术。不仅旅行者1号和2号依靠放射性同位素热传导发电机供电，两辆火星车以及40余项国家航空航天局任务也采用了该技术。如果你看过电影《火星救援》，或许还记得马特·达蒙饰演的角色独自被困在火星时使用放射性同位素热传导发电机的情景：火星车行进时，他需要热源来保温，于是挖出了以前任务遗留的放射性同位素热传导发电机，把它装在了车内。
为了将热量转换为电能，放射性同位素热传导发电机采用了一系列由两种不同导体的连接点组成的热电偶。这些组件在温度梯度下会产生电势（通过塞贝克效应）。20世纪70年代的起搏器同样采用了热电转换技术，只是规模较小。
其他更前沿的转换技术包括辐射发光转换、热离子转换和热光伏转换（参见插图说明“另外3种放射性-电能转换技术”），这些技术在实验室中的表现都很好，但需要较高的工作温度或存在衰减问题。大多数企业都专注于开发贝塔伏特技术，因为该技术使用了更安全的β发射体。
自20世纪70年代小型贝塔伏特电源发明以来，大多数核电池研究都聚焦于低于1微瓦的功率级别（参见表格“核电池研发组织一览”）。许多研究至今仍处于保密状态。该领域专利稀少，因此难以评估其特性和优势。
北京贝塔伏特新能科技有限公司表示已研制出100微瓦电池，其尺寸约为即食麦片块大小（15毫米×15毫米×5毫米），使用寿命可达50年。目前，该公司的贝塔伏特电池研究使用了镍-63、氚、钷-147和锶-90，以及金刚石半导体，用于将能量转化为电能。
2024年，北京贝塔伏特新能科技有限公司宣布计划于2025年推出商用1瓦版本，但截至发稿时仍在为此申请许可和融资。其电池的潜在应用包括航空航天、医疗植入物、可穿戴设备、微机电系统、先进传感器、小型无人机、微型机器人、执法设备，以及消防安全远程通信。
假设北京贝塔伏特公司设备的转换效率约为5%，其电池需容纳约20居里（7400亿贝克勒尔，合0.4克）镍-63，远远超出了市场上通常可获取的镍-63供应量，后者一般为毫居里级别。
Infinity Power公司在其硬币大小的电池中使用的也是镍-63，但由于开发了新型电化学转换工艺，所需的燃料可能较少。该公司宣称其转换效率超过60%，约为目前最好的放射性同位素发电机的6倍。
在Infinity Power的设计中，同位素溶解或悬浮于专利液态电解质中。放射性同位素衰变会产生可电离电解质的高能β粒子，在浸入溶液的阴阳极之间形成电位差，驱动电子流经外部电路，从而发电。
学术界和政府的研究人员也在积极研发核电池。2024年，英国布里斯托大学和英国原子能管理局宣布其开发了以碳-14（碳的一种放射性同位素）为燃料的电池。这种放射性碳同位素的半衰期长达5700年，理论上可使电池持续运行千年。英国拥有充足的燃料供应，因为可以从本国的石墨慢化气冷裂变反应堆中提取碳-14。碳-14可产生最大能量为156千电子伏特的β粒子，这个数值非常低，可避免损坏电池的金刚石半导体。
与此同时，一个来自中国的合作团队在2024年12月的《IEEE核科学学报》上发表了关于辐射发光核电池的论文。该团队使用了发射电磁辐射的X射线源来模拟发射电子的β射线源以了解设备的性能。X射线光子激发了两种无机闪烁体发光，商用硅光电二极管则将光能转换为电能。
这些初创企业构想的产品前景可期，能否取得长期成功，关键在于能否找到核电池利大于弊的市场。太空市场对此类设备的需求强烈，但新市场能否涌现仍有待观察。文章来源于悦智网，作者James Blanchard
AMD技术研讨会报名(4月2日 北京）
热门跟贴