绞线设备：核电池民用还远吗？

        核电池的规模化商用和民用进展再次受到广泛关注。几十甚至上百年不用充电的核电池到底什么时候能应用到手机、电器、汽车上？

　　近日，有国内企业宣称成功研制民用原子能电池，可50年稳定自发电、即将投入量产，“遥遥领先”欧美科研机构和企业。该公司称，计划2025年推出功率为1瓦的电池，在政策允许的情况下，原子能电池可以让一部手机永不充电，现在只能飞行15分钟的无人机可一直飞。

　　此消息一出，有人为之振奋，高呼“锂电池要被革命！”，亦有网友对该公司所谓的产品前景提出质疑。实际上，核电池早已有之，从上世纪就已引发研究人员的兴趣。20世纪50年代开始，核电池进入快速发展时期。这一长寿能源被寄予了巨大的希望，但时至今日，核电池的主要应用场景仍局限于航天、极地、深海、心脏起搏器等领域。无论从转换效率、输出功率、成本还是辐射安全管理角度来看，核电池民用言之尚早。相较于随处可见的锂电池，核电池难以走进人们的日常生活。

　　核电池，从太空起步

　　核电站的工作原理是核裂变，被称为终极能源的“人造太阳”是核聚变反应。裂变和聚变均属于外因引发的核转变，核电池利用的衰变则不同：它是自发进行的核转变，也称为放射性衰变。因此，核电池或称放射性同位素电池，是将放射性同位素衰变时释放的能量转换为电能的一种装置。

　　由于衰变过程连续不断且不受环境影响，核电池以抗干扰性强、稳定可靠、能量密度高等特征著称，根据放射源半衰期不同，可工作几年、几十年甚至上百年。这使其在一些极端条件和需要长期稳定供电的场合独具优势。按照换能方式不同，核电池又可分为热转换式核电池(将同位素衰变时产生的热能转换为电能)和非热转换式核电池(将放射性同位素放出的带电粒子或产生的衰变能直接或间接地转换成电能)。

　　核电池研究取得实质性进展始于20世纪50年代，正是得益于航天技术的飞速发展，对高效能长寿命电池产生了极大的需求。

　　在航天领域，热转换式核电池的“知名案例”颇多。1977年，美国发射携带钚-238核电池的“旅行者1号”航天器，迄今已在太空航行46年，创造了世界卫星远航史上的辉煌纪录，核电池将保证其搭载的科学仪器持续工作到2025年。火星探测器“好奇号”上搭载的核动力装置，是一块重约45公斤、发电功率140瓦的核电池，含约5公斤重的钚-238。2013年，我国“嫦娥三号”携带同位素热源飞天，核电池中的钚金属块238相当于一个“暖宝宝”。有了它，无须担心月夜零下150度到180度的低温冻伤仪器设备。

　　上述放射性同位素温差发电器核电池技术最为成熟且应用最早，但造价极其昂贵。以“毅力号”火星车核电池系统为例，价格高达7500万美元。

　　近些年来，另一技术分支——辐射伏特效应核电池的产业化进展频频“出圈”。随着半导体材料制造技术的提高，此类电池的实际应用成为可能。

　　2012年，国内电商平台就曾出现一款号称20年不断电、不充电的民用核电池NanoTritium出售，售价6980元，旋即引发网络热议。这并非山寨产品，而是美国City Labs公司推出的氚电池。2010年，由该公司研发的NanoTritium辐射伏特效应核电池获得通用许可证。

　　City Labs选择的氚仅仅释放出低能量的β粒子，可以用非常薄的材料遮挡，是一种较安全且易于密封的放射源。该公司官网资料显示，其氚电池通过了全球航空航天及防务巨头洛克希德·马丁公司的第三方测试，证实该产品的极端温度变化耐受性(-55°C 至 +150°C)。氚的半衰期在12年左右，City Labs 称“15 年前开发的早期NanoTritium电池仍在高效运行，模拟实验表明它们将继续运行20多年。”

　　核电池民用，到哪步了

　　阻挡核电池民用进程的主要因素，并非安全性。

　　作为核电池的能量来源，同位素放射源必须满足半衰期长、功率密度高、放射性危险性小、容易加工、经济和易于屏蔽等条件。辐射伏特效应核电池一般使用纯β辐射放射源，对物质的穿透深度很浅，几张纸就能挡住，没有外辐照伤害。

　　价格不菲是核电池大规模民用的主要限制因素之一。

　　将氚电池推向商用市场10余年后，该领域“鼻祖”City Labs公司的生意如何呢？“贝塔伏特电池(Betavoltaic Batteries)和核电池尚未广泛供个人消费者使用，这类电源大多仍处于开发和改进中。一些公司(比如City Labs)提供用于商业和科学用途的贝塔伏特电池。”City Labs称，普通消费者不会购买他们的产品，公司通常与对该技术感兴趣的长期合作伙伴或科学组织打交道。

　　澎湃新闻从该公司网站获悉，每块氚电池的基础价格为5250美元。当然，批量订单可享受折扣，定制产品要额外收费。

　　转换效率和输出性能更是核电池扩大应用领域不得不面对的短板。

　　2023年12月，中国科学院合肥物质科学研究院核能安全所发布消息，该所韩运成项目组在贝塔辐射伏特核电池研究领域取得了新进展，相关研究成果发表在《核科学与技术》(Nuclear Science and Techniques)期刊上。该文称，贝塔辐射伏特核电池利用放射性同位素释放的贝塔粒子转化为电能，具备长寿命、高能量密度、微小尺寸和优异的抗干扰能力等特点，被普遍认为是微机电系统(MEMS)中极具潜力的能源替代选项之一。然而，传统的平面电池受到半导体结构和放射源加载的限制，半导体转换器仅能利用放射源单面释放的衰变能，导致输出功率和转换效率低，输出功率限制在nW水平，无法满足MEMS系统的功率需求。

　　辐射伏特核电池的功率处于纳瓦到毫瓦量级。根据City Labs公司的资料，该公司提供的核电池产品在纳瓦、微瓦、毫瓦范围。

　　清华大学辐射防护办公室常务副主任朱立此前曾对City Labs公司推出的氚电池作出解读，“其功率最多只有0.84毫瓦，这表明NanoTritium还不能应用到手机等领域。”

　　不仅如此，我国《放射性同位素与射线装置安全和防护条例》和《放射性同位素与射线装置安全许可管理办法》明确规定，放射源的豁免必须持有备案证明文件，也即相关商业活动须经过审批。

　　让我们回到文章开头提及的宣称成功研制民用核电池的企业，“2025年推出功率为1瓦的电池”真的有望实现吗？

　　这家名为北京贝塔伏特新能科技有限公司的企业称，融合镍63核同位素衰变技术和中国第一个金刚石半导体模块，该公司将推出的第一款产品BV100是世界上首块即将量产的核电池，功率是100微瓦，电压3V，体积是15 X 15 X 5立方毫米，比一枚硬币还小。核电池每分每秒都在发电，每天8.64焦耳，每年3153焦耳。多块这样的电池可以串并联使用。

　　镍-63的半衰期达100年，按半衰期来算，基于镍-63的核电池确实至少可工作50年。

　　但一位从事核技术应用研究的学者向澎湃新闻表达了对上述公司产品介绍和目标的质疑。“目前功率还没达到这个级别，核电池应用仍需依靠新材料和新工艺来提高输出功率。”

　　社交平台上对该公司提出的“核电池手机”概念也不乏质疑声。“1瓦=1000000微瓦，也就是说造1瓦的核电池，得比硬币大10000倍。要把一枚硬币1万倍大小的东西在两年内做得跟手机电池一样大，摩尔定律都带不动啊，何况是材料学。”该网友还反问道，现在的手机峰值功率可达13-15瓦，1瓦能干啥？

　　也有网友提出，该产品不仅不适用于手机电池，即使当作外置电源，对比其他动辄百瓦的快充也毫无优势，更不用说镍-63的价格问题。

　　“在民用领域，不受管制地使用核电池是很危险的。”西北工业大学空天微纳实验室教授乔大勇此前接受中国科学报采访时称，“国际上对于核电池的民用都存在法规限制，有些放射源的半衰期甚至上千年，一旦不小心遗弃在某个地方，伤害和影响就将持续千年，只有对核电池的制造、流通和回收制定完善的法律、法规并严格执行，这一具有美好未来的能源才能真正变成现实。”

　　辐射防护和环境保护专家、中国工程院院士潘自强对核电池应用前景的评判更为直接。他认为，核电池可以用绞线设备在一些“不计成本”的事业方面，但不可能像普通商品那样走进人们的生活。