【摘要】核电池以体积小，重量轻，寿命长的优点在高科技发展的能源需求方面得到广泛应用，鉴于核电池效率不高的现状，通过研究电磁感应式核电池，选用合适的核燃料并设计合理的核电池模型，同时结合温差发电，增大电池输出功率。提出一种高效综合利用电磁感应和热电感应原理收集Sr90的辐射能的模型，并且尝试在核电池屏蔽方面做出设计，符合高效经济安全要求。

【关键词】电磁感应;热电偶;转换效率;核电池

当今，电动汽车作为潮流正在慢慢占领传统燃油汽车的市场，但是电动汽车的电能供应时间短，给用户生活带来不便，也限制了它的发展，并且电动汽车电池更换和充电站设备带来的后续成本会使电动汽车的成本过高。新能源的发展和高科技共同推进核电能源的进步。

核电池，又称同位素电池，它是利用放射性同位素衰变放出载能粒子（如α粒子、β粒子和γ射线）并将其能量转换为电能的装置，目前应用最广泛的是温差式核电池和热机转换核电池。直接充电型核电池（高电压型）利用放射源发射的带电粒子产生电势差。放射源放出的电子，给绝缘导体充电后被收集器收集起来。电池的两个电极都选用金属，发射电子的一端（放射源）为正极，接收电子的一端为负极。这种核电池可产生高达150千伏的电压，但电流很小，最大短路电流只有10-11安。

温差电偶型核电池（低电压型）利用放射源产生的热能实现能量转换。作为一种成熟的核电池 它所用的能量转换材料为热电材料，是核电池的重要部件，其功能是将放射性同位素衰变时产生的热能转变成电能。由于其具有体积小、重量轻和寿命长的特点，而且其能量大小、速度不受外界环境的温度、化学反应、压力、电磁场等影响，因此它可以在很大的温度范围和恶劣的环境中工作而得到青睐。

一、核电池的发展

第一个放射性同位素电池是在1959年1月16日由美国人制成的，在此之后，核电池的发展颇快，并在重多探测器中，都使用了同位素温差发电器作为电源。前苏联在1967～1982年期间，共发射了24颗核动力卫星，都属于海洋监视卫星。卫星带有以浓缩铀235为燃料的热离子反应堆，不过核动力并不是用来驱动卫星，只是利用放射性元素衰变时放出的热量，通过热电偶产生电能给卫星上的设备供电。

中国第一块放射性同位素电池以钋210为燃料，输出电功率为1.4瓦，热功率35.5瓦，并进行了模拟太空应用的地面试验。随着我国核电站数量的增加，由乏燃料后处理提取的镎237原料的逐渐积累，为后来开发钚238电池，提供了物质基础。

我国首次实用核电池将随“嫦娥三号”软着陆月球，并用于嫦娥三号的着陆器和月球车上。这种原子能电池可以连续工作30年。

二、研究主题

通过了解学习放射性同位素衰变知识，研究电磁感应式核电池，选用合适的核燃料并设计合理的核电池模型，同时结合温差发电，增大电池输出功率。尝试在核电池屏蔽方面做出设计，符合高效经济安全要求。

三、原理介绍及分析

1.装置简述

图1 高效综合核电池原理图

图2 RLC谐振电路

图1所示为燃料棒：采用Sr90作为放射源，Sr90的半衰期为28.79年，为恒稳功率源;图2所示为铜丝绕组，以圆柱形密集均匀的分布在燃料棒周围，每个线圈之间采用串联连接，用于电压的叠加。放射出的β粒子带正电荷并且带有一定的速度，当打到吸收粒子的线圈时，撞击到铜丝中的电子，使这些电子离开轨道，增加了自由电子的数量，增强了铜丝的导电能力，同时由于β粒子速度变为零，引起磁场的变化，产生了感生电场，这就使铜丝中的自由电子定向移动，从而输出电流;3所示温差发电模块，在PN结的内侧为热端，外侧为冷端，利用β粒子动能的损失产生的余热与电池外围部分形成的温差来发电;4所示为变压器部分，上面是一次绕组和二次绕组，将输出电压调整到额定值;5所示为内部发电装置的圆柱体容器，在圆柱体内壁和外壁上分别绕有线圈，用于电流的输出。

2.原理探究

（1）直接将α衰变转化成电能

鉴于经济性和安全性，制作的核电池燃料不采用铀，钚等元素，而采用锶。作为核电站的反应堆废料，Sr90含量丰富，并且其放射性较强，一方面可以实现能源的再利用，另一方面还可以实现减轻核废料污染处理的困扰。

因此，核电池的燃料棒材料选择为Sr90，其半衰期T1/2为28.79年，Sr90集中放射β粒子，当Sr90粒子衰变成Y90的时候释放最大的粒子能量为0.546MeV，可视为恒稳功率源。

1）Sr90元素的放射性活度[1]

依据相关资料：元素的放射性活度A为每秒衰变的原子数。

处于该定能态下的一定量放射性核素，发生自发核转变的核数目N在实验结果中均值为1.2×1011 ，再依据以上公式可以计算出相应的Sr90元素的放射性活度A=92.88Bq/g。

2）衰变的β撞击到金属板前能量

在Sr90衰变的过程中，β粒子带负电荷以一定的速度放射出，其最大的动能为0.546MeV。在本次计算中宜采用平均值0.196MeV，并且运动的电荷会产生磁场带电粒子受磁场作用也会有部分能量，根据带电粒子的能量公式：

贝塔粒子即β粒子，是指当放射性物质发生β衰变，所释出的高能量电子，Sr90发射的β粒子的速度达到光速的70%，电子的半径为2.8×1013m，从而求解得出β粒子的能量为0.779Mev，因此每克Sr90元素每秒衰变产生的粒子能量为E0=A×E=72.35Mev。

这个能量值可以作为简易模型求解的总能量值来计算效率。

3）RLC諧振电路的电流分析

核电池燃料元素的衰变能量经过电感线圈的阻碍收集离子辐射能量，将粒子能转变成电能，通过电路输出;当粒子动能变为零时，伴随着热能的放出，利用热电偶的温差原理收集残余的热能。将两部分电能统一到一条线路输出，外面连接的RLC谐振电路可以用如图3的模型摸近似计算：

如图3所示：电路电流i（t），电容器极板电荷量qi（t），极板电压uci（t），自感电动势El ;

经过再次对时间求导，整理可得：

求解二阶非齐次方程的解可以进一步得出电感线圈的电压ul：

可以得到结论：输入电压落在电感上的电压较小，主要的输入电压落在电容C上，并且其暂态部分衰减很快，主要是稳态部分，近似为：

当电容由uc放电至0的过程中，电容的电能通过RLC谐振电路释放，能量为：

电容器选择聚四氟乙烯电容器，其电容损耗小，耐热性好，工作温度可达150-200℃，电参数的温度频率特性稳定，主要应用于高温高绝缘，高频的场合。CBF10容量取5pF，额定工作电压为160V。衰变出β粒子后的能量有一部分作为线圈上產生的电能，另一部分转变成热能，依据实验数据可以得知，衰变能大部分转变为电能输出，比例为73%，其余的部分成为了热能。电能的输出效率由模拟实验数据可以得出，由此可以计算出核电池的转换效率。

（2）温差发电

1）温差技术原理

1821 年德国科学家赛贝克（T.J.Seebeck）发现了一种热电转换效应——塞贝克效应。

如图4所示，由不同种材料AB组成的回路，当接点的温度不同时，回路中会有电流，这就是所谓的赛贝克效应。假设接头1和2处维持在不同的温度T1和T2（T1>T2）。则在导体A的开路位置X和Y之间，将会有一个电位差出现，称之为赛贝克电压。当温差不大的时候，赛贝克电压数值为，这个关系就是线性的，为常数。该常数定义为两种异体的相对赛贝克系数。显然，赛贝克系数的单位是V/K。但通常由于这个数值非常小，所以更常用的单位是。此外，由于电位差可正可负，所以赛贝克系数也有正负。通常规定：若电流在接头1（热接头）处由导体A流入导体B，其赛贝克系数，就为正，反之为负。显然赛贝克系数的数值及其正负将取决于所用导体A与B的热电特性，而与温差梯度的大小和方向无关，反之为负。

图3 赛贝克（Seebeck）效应原理图

图4 在开路状态（a）和闭路状态

（b）下导体的塞贝克效应的描述

赛贝克系数通常也称为温差电动势率。它的微观物理本质可以通过温度梯度作用下导体内载流子分布变化加以说明。以一金属棒为例，假设金属棒的一端为高温，另一端为低温。如果金属中的自由电子被看作是气体时，根据气体分子运动论可以预测热端的自由电子的平均动能高于冷端的，与冷端的自由电子流向热端的速度相比，热端的自由电子会以更大的速度流向冷端，因此在导体内部就会存在从热端流向冷端的净电子流，导致冷端处的电子积累，从而产生内建电场，阻碍进一步的电子积累，最终达到平衡状态，如图4a所示。在闭路状态，如图4b所示，电流的流动会减少电子的积累，但只要有温度梯度存在就会有连续的电流流动[18]。

以上考虑的只有一种载流子，但在半导体中存在着两种载流子即带负电的自由电子和带正电的空穴。在以空穴为主要载流子的P型半导体中，赛贝克效应同样会使空穴由热端流向冷端的，但是由于它是带正电的载流子，所以产生的电势差的极性与同样条件下的N型半导体的相反。

图5 PN结温差装置

为了提高每一单位面积的转化功率，可减少半导体温差模块内各个半导体温差元件之间的空隙。

2）电压的计算

最常应用的情况是半导体温差发电模块的串并联情况。在冷端 Tc介于 120～130℃之间，热端 Th介于 235～245℃之间的条件下，测得半导体温差发电模块在不同串并联组合情况下的特性，如表1所示。由表1可以看出，半导体温差发电模块作为电源，其串并联的情况与其它电源的串并联并无本质区别。由于只要两接头间的温差△T=T1-T2不是很大。赛贝克常数一定，由上表可得αAB≈0.036，当核电池温差△T=80℃时，温差发电器可得到电压U=2.88V。

四、综合核能利用率的提高

经过上述的介绍，由于衰变能经过热能的转换转变为电能的效率较低，而衰变能直接转变成电能的过程中会释放较多热量，不仅降低了核能利用效率，而且高温会影响核电池设备的安全性。因此，我们设计一种综合核电池，将两种发电方式整合在一起。

电磁转换装置应用电磁感应原理，通过将辐射的β粒子的高动能吸收转变成接收装置的金属材料的电能，并且加装电容器，把电能的电压值几乎完全转换到电容上，经过二次回路的谐振电路将波动不大的电能输出，实现电能的高效转换。另外，在吸收过程中会伴随着热量的产生，通过热电偶的温差效应，将散失的热能利用转变为电能。在中心结构之外，将两部分电压串联起来，使核电池的输出电压值更高，效率更高。电能输出后，电压值较低，不满足实际应用需要，在中心装置外加装八个变压器，升高装置的电压，再结合外圈的电感线圈把电能输出。为了能够输出规则的正弦波信号，消除各种干扰信号，可以加装滤波器和分频器再输出。

五、高效综合核电池的优点

该装置巧妙地利用了放射性物质发射带电粒子，将粒子运动中的磁场能直接转化成电场能，并且综合利用电磁转换过程中的热能，把散发的热能转化成电能，提高了用电效率，是核电池利用上的一个突破。但是，我们经过研究发现，该装置存在以下几点不足：

（1）装置仅给出了宏观电流的形成，没有精准的微观分析，我们要进一步合理地探究其发电的微观原理。

（2）装置电压不够稳定，我们通过改进外电路及设计相应的开关来实现较简易的电压输出形式

（3）核电池的安全问题还没有彻底解决，目前的技术还不能保证核电池的推广应用。

（4）生产成本高，利用价值还不能确定。

参考文献

[1]吕峰，陈国安.Sr90～Y90放射性活度的绝对测量[J].中国核科技报告，1986.

[2]吕迎阳.半导体温差发电器应用的研究[D].厦门大学，2006.

[3]杨桂林.温差发电器的设计[R]，2008.