向“化学”请教： 核能是如何作为驱动力转化为动能的？

【专家解说】：　　航空母舰上，核能的利用与核电站相似：反应堆－核裂变－热能－蒸汽－汽轮机－动力。 　　航天器上不可能安装笨重的反应堆、汽轮机……。而是利用放射性同位素电池(简称同位素电池)。由放射性同位素的衰变能转换为电能的机制有十几种，如：“放射性同位素温差发电器h(简称RTG)”、“辐射伏特效应”、“衰变耦合磁共振”、“往复式震荡悬臂梁”、“热离子发射”、“衰变能—光能—电能”等。 　　放射性同位素电池的热源是放射性同位素。它们在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式，向外放出比一般物质大得多的能量。这种很大的能量有两个令人喜爱的特点。一是蜕变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响，因此，核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长，这决定了放射性同位素电池可长期使用。放射性同位素电池采用的放射性同位素来主要有锶90(半衰期为28年)、钚238(半衰期89.6年)、钋210(半衰期为138.4天)等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。 　　放射性同位素电池的核心是换能器。目前常用的换能器叫静态热电换能器，它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差，从而发电。它的优点是可以做得很小，只是效率颇低，热利用率只有10％～20％，大部分热能被浪费掉。2009年10月10日，据英国BBC网站报道，科研人员成功研制出硬币大小的“核电池”(nuclear battery)，通过同位素的衰变产生电能。 　　核电池在衰变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场等的影响。核电池提供电能的同位素工作时间非常长，甚至可能达到5000年。缺点是带有放射性污染，必须妥善防护；而且一旦电池装成后，不管是否使用，随着放射性源的衰变，电性能都要衰降。 　　核电池可分为高电压型和低电压型两种类型。 　　高电压型核电池以含有β射线源(锶90或氚)的物质制成发射极，周围用涂有薄碳层的镍制成收集电极，中间是真空或固体介质。以氚为放射源的试验电池,直径为9.5毫米，长度为13.5毫米，电压500伏时电流为160皮安，12年衰降50％(若用锶90，25年衰降50％)。 　　低电压型核电池又分为温差电堆型、气体电离型和荧光－光电型三种结构。 　　温差电堆型的原理同以放射性同位素为热源的温差发电器相同，故又称同位素温差发电器。 　　气体电离型核电池是利用放射源使两种不同逸出功的电极材料间的气体电离，再由两极收集载流子而获得电能。这种电池有较高的功率。 　　荧光－光电型核电池利用放射性同位素衰变时产生的射线激发荧光材料发光，再使用光电转换板(太阳能电池板)将荧光转化为电力。这种电池效率较低。 　　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，它重1800克，在280天内可发出11.6度电。 　　1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号”，上面的无线电发报机就是由核电池供电的。1976年，美国的“海盗1号”、“海盗2号”两艘宇宙飞船先后在火星上着陆，在短短5个月中得到的火星情况，比以往人类历史上所积累的全部情况还要多，它们的工作电源也是放射性同位素电池。因为火星表面温度的昼夜差超过100℃，如此巨大的温差，一般化学电池是无法工作的。