放射性核素电池

放射性核素电池是六十年代迅速发展起来的一种新型电源，它是把放射性核素的放射能转换为电能的一种发电装置，简称核素电池。与其他电源相比，放射性核素电池具有寿命长、结构紧凑、比容量高、工作可靠和不受环境影响等优点。所以，它可在空间、陆地和水下应用，在医学领域也有独特的用途。

各类电池主要性能的比较

种 类	比容量 (W·h/kg)	比功率 (W/kg)	使用寿命	适用功率范围 (W)	价 格	主要应用范围
干电池 蓄电池 燃料电池 太阳能电池 热电型放射性核素电池	～102 ～102 ～102 ～104～105 ～104～105**	大 大 ～102 ～102* ～2～4**	数小时至数月 月 1～3月 1～5月 数月～10年	<103 <102 ～102 <500 <500	便 宜 便 宜 一 般 较 贵 取决于 核素生产	短期任务 短期任务 稍长期任务 近空间及有充足阳光处 外层空间、月面、海底及医 学上的各种任务

*指配备蓄电池的无定向太阳能电池
**指空间用热电型放射性核素电池
放射性核素电池的分类和工作原理 按照工作原理可分为热电型（或称热引擎型）和非热转换型两类。热电型核素电池是利用放射性核素释出的高能粒子与物质相互作用产生的热量，借助换能器，将其热能转变为电能的一种发电装置。根据换能器的种类不同，又分为静态型和动态型两种。静态型电池是通过静态换能装置直接将热能转换成电能，其功率一般在瓦级到百瓦级；动态型电池是利用动态热引擎换能器把热能转换成电能，功率在千瓦级，它是一种有希望的放射性核素发电装置。当前，热电型电池的研究比较成熟，应用范围也较广。
非热转换型核素电池又称核电池，它是利用放射性核素释出的粒子所具有的动能，将之直接或通过热电效应以外的次级效应转换成电能的一种装置。核电池是一种微型电池，功率很低，一般在微瓦到毫瓦级。
热电型放射性核素电池的结构和热源 电池的中心部位是放射性核素热源，紧贴着热源是换能器，在热源与外壳间填充绝热材料，在热源与换能器之间或在换能器与外壳之间有辐射屏蔽层，最外面是外壳和散热器。此外，一般还配备有电压变换和功率调节装置。
热源是放射性核素电池的主要部件之一，它是决定电池性能、结构特点和成本的关键。它由放射性核素燃料和一个十分坚固的燃料盒组成。为了获得高质量的电池，要求放射性核素燃料半衰期长，功率密度高，毒性小，杂质少，防护简单，燃料与燃料盒要适应，而且要有良好的物理、化学性能和加工性能。常用的放射性核素有9⁰Sr、²³8Pu等。
放射性核素电池的应用 放射性核素电池不但可以作为人造卫星、宇宙飞船、月面科学考察以及探索木星、火星等外层空间探测器的电源，而且可以为设在极区、沙漠、高山、远海等边远地区的自动无人气象站、无人地震观测站、宇宙射线观测站、微波通讯中继站以及航标和灯塔等设施提供电源；还可作为海底电缆中继站、海下信标及各种海下仪器等设施的电源； 在医学上则可作为某些人造脏器的电源。
放射性核素心脏起搏器 按需心脏起搏器是一种在心搏率下降到每分钟一定次数时，便给予一定的电脉冲刺激，使患者心率维持在72次/分；当心率每分钟超过一定次数时，便停止输出电脉冲，不再刺激心脏。心脏起搏器通常由电子学线路、电池和心肌电极三部分组成。其输出宽度为1.5ms的方波电脉冲，频率为72次/分。心脏起搏器按放置的方式分为体外式和植入式两类。对于短期使用便可使心脏搏动功能得到恢复的患者，可采用体外式。但那些需要长期依靠心脏起搏器协助心脏工作的患者，最好采用植入式。对植入式心脏起搏器，不但要求体积小，重量轻，而且还要长期运行可靠。放射性核素电池正好能满足这些要求。
(1)植入式放射性核素心脏起搏器的特点： 这类起搏器的主要特点是微型化，体积小，重量轻，功率多在微瓦到毫瓦级；并且安全可靠，其表面最大剂量每小时约为2.5mrem，特别是电池工作稳定、可靠，使用寿命可达十年左右。此外，植入式心脏起搏器的密度基本上接近埋植部位人体组织的密度；外壳材料与体内生理体液能长期相容。
(2)微型放射性核素电池的热源： 电池中热源的功率要选择适当，既能保证有足够大的功率，使起搏器在使用期间正常运行，又要使起搏器的表面温度接近体温。为此，作为医用微型电池热源所用的放射性核素，应当半衰期长、毒性低、功率密度高。最常用的放射性核素有3H、¹⁴⁷Pm和²³⁸Pu。其中³H和¹⁴⁷Pm可制成光电转换式电池，而²³⁹Pu用来制成热电转换式电池。常用的燃料形式有金属²³⁸Pu、²³⁸Pu二元合金和²³⁸PuO₂等。
(3)放射性核素心脏起搏器的应用： 通过多年临床实践证明，心脏起搏器主要用于房室传导阻滞和心脏病晕厥的患者。一般说来，对于这类患者，如果预期寿命可能超过十年，那么采用放射性核素心脏起搏器是比较适宜的。
此外，放射性核素电池还可作为人造心脏、刺激括约肌、横膈麻痹时刺激膈神经等设备的电源。放射性核素电池可能作为电源的人造脏器和装置所需电源的功率见下表。

某些人造脏器和装置所需要电源的功率

人造脏器和装置	需要的功率
心脏起搏器 人工心脏 心脏辅助装置 人工肺脏 人工肾脏 人工血压调节器 括约肌刺激器	～200μW 3W <2W 3W 3W <500μW 1mW