退休教师自制阳台核电池供电？揭秘民用核电池的幻象与现实

近日，“退休教师靠阳台核(hé)電(diàn)池(chí)供電(diàn)”经自(zì)媒体传播后突然蹿红於(yú)网络，令民用(yòng)核(hé)電(diàn)池(chí)再次成为焦点。据称，一位物理系退休教授从美国民用(yòng)实验室采购了放(fàng)射性同(tóng)位素钚-238，在家中自(zì)制微型核(hé)電(diàn)池(chí)。此事的(de)真实性存疑，但核(hé)電(diàn)池(chí)的(de)存在并不稀奇。

2024年初，另一条核(hé)電(diàn)池(chí)新闻曾走红。一家国内企业宣称成功(gōng)研制民用(yòng)原子能(néng)電(diàn)池(chí)，可50年稳定自(zì)发電(diàn)、即将投入量产，“遥遥领先”欧美科(kē)研機(jī)构和企业。该公(gōng)司称，计划2025年推出功(gōng)率(lǜ)为1瓦(wǎ)的(de)電(diàn)池(chí)，在政策允许的(de)情况下，原子能(néng)電(diàn)池(chí)可以让一部手機(jī)永不充電(diàn)，现在只能(néng)飛(fēi)行15分钟的(de)无人機(jī)可一直飛(fēi)。

有(yǒu)人为之振奋，高呼“锂電(diàn)池(chí)要被革命！”，亦有(yǒu)网友对所谓的(de)产品前景提出质疑。实际上，核(hé)電(diàn)池(chí)早已有(yǒu)之，从上世纪就已引发研究人员的(de)兴趣。20世纪50年代开始，核(hé)電(diàn)池(chí)进入快速发展时期。这一长寿能(néng)源被寄予了巨大的(de)希望，但时至今日，核(hé)電(diàn)池(chí)的(de)主要应用(yòng)场景仍局限於(yú)航天、极地、深海、心脏起搏器等领域。无论从转换效率(lǜ)、输出功(gōng)率(lǜ)、成本还是辐射安全管理角度来看，核(hé)電(diàn)池(chí)民用(yòng)言之尚早。相较於(yú)随处可见的(de)锂電(diàn)池(chí)，核(hé)電(diàn)池(chí)难以走进人们的(de)日常生活。

核(hé)電(diàn)池(chí)，从太空起步

核(hé)電(diàn)站的(de)工作原理是核(hé)裂变，被称为终极能(néng)源的(de)“人造太阳”是核(hé)聚变反应。裂变和聚变均属於(yú)外因引发的(de)核(hé)转变，核(hé)電(diàn)池(chí)利用(yòng)的(de)衰变则不同(tóng)：它是自(zì)发进行的(de)核(hé)转变，也称为放(fàng)射性衰变。因此，核(hé)電(diàn)池(chí)或称放(fàng)射性同(tóng)位素電(diàn)池(chí)，是将放(fàng)射性同(tóng)位素衰变时释放(fàng)的(de)能(néng)量转换为電(diàn)能(néng)的(de)一种装置。

由於(yú)衰变过程连续不断且(qiě)不受环境影响，核(hé)電(diàn)池(chí)以抗干扰性强、稳定可靠、能(néng)量密度高等特征著称，根据放(fàng)射源半(bàn)衰期不同(tóng)，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電(diàn)的(de)场合独具优势。按照换能(néng)方式不同(tóng)，核(hé)電(diàn)池(chí)又可分为热转换式核(hé)電(diàn)池(chí)（将同(tóng)位素衰变时产生的(de)热能(néng)转换为電(diàn)能(néng)）和非热转换式核(hé)電(diàn)池(chí)（将放(fàng)射性同(tóng)位素放(fàng)出的(de)带電(diàn)粒子或产生的(de)衰变能(néng)直接或间接地转换成電(diàn)能(néng)）。

核(hé)電(diàn)池(chí)研究取得实质性进展始於(yú)20世纪50年代，正是得益於(yú)航天技(jì)术的(de)飛(fēi)速发展，对高效能(néng)长寿命電(diàn)池(chí)产生了极大的(de)需求。

在航天领域，热转换式核(hé)電(diàn)池(chí)的(de)“知名案例(lì)”颇多。1977年，美国发射携带钚-238核(hé)電(diàn)池(chí)的(de)“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(de)辉煌纪录，核(hé)電(diàn)池(chí)将保证其搭载的(de)科(kē)学仪器持续工作到2025年。火星探测器“好奇号”上搭载的(de)核(hé)動(dòng)力装置，是一块重约45公(gōng)斤、发電(diàn)功(gōng)率(lǜ)140瓦(wǎ)的(de)核(hé)電(diàn)池(chí)，含约5公(gōng)斤重的(de)钚-238。2013年，我国“嫦娥三号”携带同(tóng)位素热源飛(fēi)天，核(hé)電(diàn)池(chí)中的(de)钚金属块238相当於(yú)一个“暖宝宝”。有(yǒu)了它，无须担心月夜零下150摄氏度到180摄氏度的(de)低温冻伤仪器设备。

上述放(fàng)射性同(tóng)位素温差发電(diàn)器核(hé)電(diàn)池(chí)技(jì)术最为成熟且(qiě)应用(yòng)最早，但造价极其昂贵。以“毅力号”火星车核(hé)電(diàn)池(chí)系统为例(lì)，价格高达7500万美元。

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核(hé)電(diàn)池(chí)的(de)研究进展。本图源自(zì)《核(hé)電(diàn)池(chí)概述及展望》一文，2020年12月刊载於(yú)《原子核(hé)物理评论》

近些年来，另一技(jì)术分支——辐射伏特效应核(hé)電(diàn)池(chí)的(de)产业化进展频频“出圈”。随着半(bàn)导体材料制造技(jì)术的(de)提高，此类電(diàn)池(chí)的(de)实际应用(yòng)成为可能(néng)。

2012年，国内電(diàn)商平台就曾出现一款号称20年不断電(diàn)、不充電(diàn)的(de)民用(yòng)核(hé)電(diàn)池(chí)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(gōng)司推出的(de)氚(chuān)電(diàn)池(chí)。2010年，由该公(gōng)司研发的(de)NanoTritium辐射伏特效应核(hé)電(diàn)池(chí)获得通用(yòng)许可证。

City Labs选择的(de)氚(chuān)仅仅释放(fàng)出低能(néng)量的(de)β粒子，可以用(yòng)非常薄的(de)材料遮挡，是一种较安全且(qiě)易於(yú)密封的(de)放(fàng)射源。该公(gōng)司官网资料显示，其氚(chuān)電(diàn)池(chí)通过了全球航空航天及防务巨头洛克希德·马丁公(gōng)司的(de)第三方测试，证实该产品的(de)极端温度变化耐受性（-55°C 至 +150°C）。氚(chuān)的(de)半(bàn)衰期在12年左右，City Labs 称“15 年前开发的(de)早期NanoTritium電(diàn)池(chí)仍在高效运行，模拟实验表(biǎo)明它们将继续运行20多年。”

NanoTritium電(diàn)池(chí)

核(hé)電(diàn)池(chí)民用(yòng)，到哪步了

阻挡核(hé)電(diàn)池(chí)民用(yòng)进程的(de)主要因素，并非安全性。

作为核(hé)電(diàn)池(chí)的(de)能(néng)量来源，同(tóng)位素放(fàng)射源必须满足半(bàn)衰期长、功(gōng)率(lǜ)密度高、放(fàng)射性危险性小、容易加工、经济和易於(yú)屏蔽等条件。辐射伏特效应核(hé)電(diàn)池(chí)一般使用(yòng)纯β辐射放(fàng)射源，对物质的(de)穿透深度很浅，几张纸就能(néng)挡住，没有(yǒu)外辐照伤害。

价格不菲是核(hé)電(diàn)池(chí)大规模民用(yòng)的(de)主要限制因素之一。

将氚(chuān)電(diàn)池(chí)推向商用(yòng)市场10余年后，该领域“鼻祖”City Labs公(gōng)司的(de)生意如何呢？“贝塔伏特電(diàn)池(chí)（Betavoltaic Batteries）和核(hé)電(diàn)池(chí)尚未广泛供个人消费者使用(yòng)，这类電(diàn)源大多仍处於(yú)开发和改进中。一些公(gōng)司（比如City Labs）提供用(yòng)於(yú)商业和科(kē)学用(yòng)途的(de)贝塔伏特電(diàn)池(chí)。”City Labs称，普通消费者不会购买他们的(de)产品，公(gōng)司通常与对该技(jì)术感兴趣的(de)长期合作伙伴或科(kē)学组织打交道。

澎湃新闻从该公(gōng)司网站获悉，每块氚(chuān)電(diàn)池(chí)的(de)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(lǜ)和输出性能(néng)更是核(hé)電(diàn)池(chí)扩大应用(yòng)领域不得不面对的(de)短板。

2023年12月，中国科(kē)学院合肥物质科(kē)学研究院核(hé)能(néng)安全所发布消息，该所韩运成项目组在贝塔辐射伏特核(hé)電(diàn)池(chí)研究领域取得了新进展，相关研究成果发表(biǎo)在《核(hé)科(kē)学与技(jì)术》（Nuclear Science and Techniques）期刊上。该文称，贝塔辐射伏特核(hé)電(diàn)池(chí)利用(yòng)放(fàng)射性同(tóng)位素释放(fàng)的(de)贝塔粒子转化为電(diàn)能(néng)，具备长寿命、高能(néng)量密度、微小尺寸和优异的(de)抗干扰能(néng)力等特点，被普遍认为是微機(jī)電(diàn)系统（MEMS）中极具潜力的(de)能(néng)源替代选项之一。然而，传统的(de)平面電(diàn)池(chí)受到半(bàn)导体结构和放(fàng)射源加载的(de)限制，半(bàn)导体转换器仅能(néng)利用(yòng)放(fàng)射源单面释放(fàng)的(de)衰变能(néng)，导致输出功(gōng)率(lǜ)和转换效率(lǜ)低，输出功(gōng)率(lǜ)限制在nW水平，无法满足MEMS系统的(de)功(gōng)率(lǜ)需求。

辐射伏特核(hé)電(diàn)池(chí)的(de)功(gōng)率(lǜ)处於(yú)纳瓦(wǎ)到毫瓦(wǎ)量级。根据City Labs公(gōng)司的(de)资料，该公(gōng)司提供的(de)核(hé)電(diàn)池(chí)产品在纳瓦(wǎ)、微瓦(wǎ)、毫瓦(wǎ)范围。

清华大学辐射防护办公(gōng)室常务副主任朱立此前曾对City Labs公(gōng)司推出的(de)氚(chuān)電(diàn)池(chí)作出解读，“其功(gōng)率(lǜ)最多只有(yǒu)0.84毫瓦(wǎ)，这表(biǎo)明NanoTritium还不能(néng)应用(yòng)到手機(jī)等领域。”

不仅如此，我国《放(fàng)射性同(tóng)位素与射线装置安全和防护条例(lì)》和《放(fàng)射性同(tóng)位素与射线装置安全许可管理办法》明确规定，放(fàng)射源的(de)豁免必须持有(yǒu)备案证明文件，也即相关商业活動(dòng)须经过审批。

让我们回到文章开头提及的(de)宣称成功(gōng)研制民用(yòng)核(hé)電(diàn)池(chí)的(de)企业，“2025年推出功(gōng)率(lǜ)为1瓦(wǎ)的(de)電(diàn)池(chí)”真的(de)有(yǒu)望实现吗？

这家名为北京贝塔伏特新能(néng)科(kē)技(jì)有(yǒu)限公(gōng)司的(de)企业称，融合镍63核(hé)同(tóng)位素衰变技(jì)术和中国第一个金刚石半(bàn)导体模块，该公(gōng)司将推出的(de)第一款产品BV100是世界上首块即将量产的(de)核(hé)電(diàn)池(chí)，功(gōng)率(lǜ)是100微瓦(wǎ)，電(diàn)压3V，体积是15 X 15 X 5立方毫米，比一枚硬币还小。核(hé)電(diàn)池(chí)每分每秒都在发電(diàn)，每天8.64焦耳，每年3153焦耳。多块这样的(de)電(diàn)池(chí)可以串并联使用(yòng)。

该公(gōng)司展示的(de)原子能(néng)電(diàn)池(chí)产品结构示意图

镍-63的(de)半(bàn)衰期达100年，按半(bàn)衰期来算，基於(yú)镍-63的(de)核(hé)電(diàn)池(chí)确实至少可工作50年。

但一位从事核(hé)技(jì)术应用(yòng)研究的(de)学者向澎湃新闻表(biǎo)达了对上述公(gōng)司产品介绍和目标的(de)质疑。“目前功(gōng)率(lǜ)还没达到这个级别，核(hé)電(diàn)池(chí)应用(yòng)仍需依靠新材料和新工艺来提高输出功(gōng)率(lǜ)。”

社交平台上对该公(gōng)司提出的(de)“核(hé)電(diàn)池(chí)手機(jī)”概念也不乏质疑声。“1瓦(wǎ)=1000000微瓦(wǎ)，也就是说造1瓦(wǎ)的(de)核(hé)電(diàn)池(chí)，得比硬币大10000倍。要把一枚硬币1万倍大小的(de)东西在两年内做得跟手機(jī)電(diàn)池(chí)一样大，摩尔定律都带不動(dòng)啊，何况是材料学。”该网友还反问道，现在的(de)手機(jī)峰值功(gōng)率(lǜ)可达13-15瓦(wǎ)，1瓦(wǎ)能(néng)干啥？

也有(yǒu)网友提出，该产品不仅不适用(yòng)於(yú)手機(jī)電(diàn)池(chí)，即使当作外置電(diàn)源，对比其他動(dòng)辄百瓦(wǎ)的(de)快充也毫无优势，更不用(yòng)说镍-63的(de)价格问题。

“在民用(yòng)领域，不受管制地使用(yòng)核(hé)電(diàn)池(chí)是很危险的(de)。”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(kē)学报采访时称，“国际上对於(yú)核(hé)電(diàn)池(chí)的(de)民用(yòng)都存在法规限制，有(yǒu)些放(fàng)射源的(de)半(bàn)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(yǒu)对核(hé)電(diàn)池(chí)的(de)制造、流通和回收制定完善的(de)法律、法规并严格执行，这一具有(yǒu)美好未来的(de)能(néng)源才能(néng)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(zì)强对核(hé)電(diàn)池(chí)应用(yòng)前景的(de)评判更为直接。他认为，核(hé)電(diàn)池(chí)可以用(yòng)在一些“不计成本”的(de)事业方面，但不可能(néng)像普通商品那样走进人们的(de)生活。