独辟蹊径的核能电池
资讯类型:相关新闻 加入时间:2021年8月27日18:0
生活在现代社会里,几乎每个人都能体会到电池的重要性。想象一下,出门在外手机突然没电了,那是多么令人难受的一件事情。未来有没有可能发明一种电池,拥有巨大的能量,能够让我们超长时间使用?答案是:可能的。

放弃又拾起的能源

1977年,旅行者号探测器(1号和2号)起飞,开始了宇宙旅程。现在,它们已经离开了太阳系。你或许会问,“这么长时间了,它们飞行的能量还没用完吗?”是的,因为它们有很好的电池(据称,这些电池将持续到2025年)。


在日常生活中,电池似乎无法持续那么长的时间。手机的电量好像每天都被我们榨干,笔记本电脑似乎对电源线的渴求不断,而电动汽车往往还没走多久就不得不停下(充电)……这个时候,我们都渴望一种新型的电源。

也许在不久的将来,它就会出现在我们的生活中。旅行者号探测器使用的是弱核动力源,具有放射性,在地球上使用很危险。不过,新型电源的形式与它密切相关,如果最终开发出来,我们将得到更大的能量,而且可以在普通汽车中安全地工作。很早的时候,人们就认识到这种能源。20年前,科学家们曾就它进行了激烈的争论,造成的结果是它逐渐淡出了人们的视线。现在,美国陆军研究所已经紧紧盯住了它,并进行了一项实验,可能会赋予它新的生命。

从原子中寻找能量

能量的储存方式大多数都与化学反应有关。当汽油在汽车发动机中燃烧时,释放的是化学键中存储的能量。同样,手机等设备中的锂电池也是通过带电离子的流动来工作。但是,如果我们超越化学反应,就会发现,在原子的内部蕴藏着更大的能量。


每个原子由原子核与核外电子构成,而原子核中有质子和中子。这些质子和中子在极端的温度和压力环境下(如恒星内部)通常会融合在一起。如果以正确的方式深入原子核,则可从中提取令人震惊的能量。一种方式是“核裂变”:核释放出中子,然后中子会使更多的原子分裂,从而导致链式反应释放出大量的能量(目前世界上大多数核电站就是采用这种方式)。还有一种方式是“核聚变”,它产生的能量可能更强大,但要以可控的方式将核束缚在一起。

但是,旅行者号探测器却以另一种不同的方式获取能量:它们利用天然放射性。一些原子是不稳定的,会不时地吐出大量的物质和能量——可能是两个质子和两个中子(α射线)、一个电子(β射线)或者是γ射线形式的原始能量。

所有辐射都危险?

我们无法预测一个原子什么时候会这么衰变,但我们知道,一团放射性物质的原子,其半数完成衰变需要多长时间,这是它的“半衰期”,其长短差别很大,短的远小于一秒,长的可达数百亿年。钚-238的半衰期为87.7年,这是它被选作旅行者探测器动力的一个原因。它会放射出一堆α粒子流,并产生热量,该热量被探测器上的放射性同位素热电发生器转化为电能。

说起放射性同位素,人们第一反应通常是它会给人体造成伤害,但事实上,并非所有的放射性同位素都是如此。γ射线能够穿透人体组织,它很危险;β射线能被体外衣服消减或阻挡,所以危险性一般;α射线无法穿透皮肤,只有在进入人体时才会造成伤害。事实上,直到20世纪70年代初,心脏起搏器才配备了功能完备的放射性同位素热电机。


美国陆军研究所关注的能源,融合了其它核能最好的部分,可能更强大、安全且持久,这就是异构体。异构体指的是,特定元素的质子和中子可以以不同的排列聚集在原子核中,各自具有不同的能量。原子通常以其最稳定的异构体(基态)存在,高能异构体则往往会迅速将自身重新排列回此状态,但是有一些高能异构体可以稳定地持续很长时间。

状态转化产生能量

1998年,美国得克萨斯大学的卡尔·柯林斯使用粒子加速器制备了一种稳定的高能异构体,称为铪-178m2(m2表示这是铪-178的第二种异构体)。然后,他向其原子核发射X射线,并声称将该原子核移至了基态,同时还释放出了伽玛射线。这种材料非常危险,因此很难被开发成能源。但柯林斯认为这是原子核的异构体能用来作能源的原理性证明,甚至可以用其制造新型的核弹。

许多科学家嘲笑柯林斯,认为他进行异构体转化所投入的能量比得到的还多。此外,他需要使用粒子促进剂来制造“铪”的异构体,这意味着耗费巨资却只能获取少量收益。后来这被称为“铪的争议”。

这些问题,其它高能异构体可能解决。例如,银-108m虽会产生β辐射,但这种辐射危险性较小,且易于开发。异构体的安全性始终没人敢打包票,但如果它们能够产生有效的、无限的能源,我们似乎可以放手一搏。

柯林斯的方法是将异构体的所有能量一口气释放出来。但是,有一种不同的方法更加管用,我们已经知道它几十年了,只是一直没有正确地研究它。

无定论的争议

想象一下,你拥有一块放射性异构体,例如铪-178m2,它能量很高,也很稳定。你可以将它安全地、长时间地放置在容器中,它几乎不会发出任何辐射。当你需要一些能量时,就将它的一部分转换为基态,这部分会变得极不稳定,并开始迅速发生放射性衰变。很快,你将获得与“旅行者”一样的能量源,而且它可以随时启用。

美国陆军的研究人员正在研究如何将这种设想变成现实。似乎有一种方法可以做到:向异构体发射电子,当这些电子被吸收到核周围的轨道中,会促使质子和中子重新进行排列。这称为“电子捕获核激发(NEEC)”,最早于1976年提出。

研究人员使用粒子加速器制造了钼-93m原子束,其半衰期约为7小时。它有10%左右的光速,足以剥离掉一些原子的电子。研究人员用它撞击靶标,该靶标将电子注入到原子核中,同时使它们逐渐变成不稳定的异构体。由于异构体衰变速度很快,研究人员虽然无法观察到这个过程,但推断它产生了γ射线。这样的异构体能产生多少能量呢?实验数据表明,如果是1%的原子接受NEEC,那么该过程每投入1焦耳就能产生5焦耳的能量。这项研究成果于2018年发表,是对NEEC首次阐释。

未来的电池

研究人员承认,目前还远远实现不了用钼的异构体来做电池。然而,柯林斯的观点仍然适用——还有其它异构体可能更容易使用,可以利用它们产生能量。问题在于异构体的准确属性很难推测,除非对它们进行试验,否则我们无法知道它们的适用性。


这正是美国陆军研究人员现在想要做的,他们正与波兰科学家进行合作。波兰有个“MARIA”实验核反应堆,该反应堆可以生产各种不同的异构体。他们的目标是了解各种异构体如何根据需要来充电和放电,换句话说,就是要找出哪些异构体可以用来做电池。该团队正在研究铼-186m、镅-242m以及其它的异构体。

除了使用粒子加速器,目前还没有找到比这更适合的转化异构体的方法。但是,异构体用来做电池动力是绝对足够的,因为它们能将巨大的能量打包成很小的体积。研究人员认为,每克异构体可以存储高达千兆焦耳的能量,是锂离子电池的一百万倍,是汽油的数万倍。

风险巨大的赌注

为什么美国陆军对异构体如此感兴趣?让我们看一组数据:1千克镅-242m,可以供SMET(美国一种用于运载士兵装备的无人驾驶军车)行驶163天,而20升汽油只能供它行驶三天。此外,无人机、机器人潜艇也可以使用异构能源。

任何带“核”的事物,其安全性都会受到人们的关注。产生γ射线的异构体不可以被使用,但如果是发射β或α粒子的异构体,那将是可以的。事实上,家用电器电池需要的放射性物质的数量可能比医院常规设备需要的少。

投资异构体能源是风险很大的赌注。但我们许多伟大的成就一开始不都是这样?在20世纪50年代太空竞赛刚开始时,谁会想到,仅仅几十年后,我们已经能够向太阳系的边缘发射探测器了!而现在,太空航行已经私人化、商业化了!  本文来源:大科技杂志社
文章来自:中国燃料电池网
文章作者:佚名
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