核电池为什么普及不了 受够了!手机为啥不能用核电池?

2017-11-08 - 核电池

核电池之所以比核反应堆来的简单,不需要巨大的屏蔽,主要原因是是通过衰变而非裂变来释放能量,可以选择无伽玛辐射或者中子辐射的放射性同位素,因此不需要多少屏蔽,但这也导致功率存在一个显然的限制。于是有一个关键的问题是,手机的功率大概是多少,以及一个可以提供手机功率的核电池会有多麻烦——即使核电池由于封装或者屏蔽其放射性,这依然是一个放射源。

核电池为什么普及不了

我们以iPhone6为例,其电池3.82V,1810mAh,假设使用24小时充一次电来算,大约是0.29W的平均功耗。

对于放射性物质,通常用活度来比较其放射性,老单位是居里,1居里=3.7×10^10贝可,放射性核素每秒有一个原子发生衰变时,其放射性活度即为1贝可;而释放的能量通常用Mev或者KeV来表示,每MeV相当于1.6×10^-13焦耳,也就是说每居里(3.7×10^10贝可)活度的放射性物质在其辐射能量为1Mev的情况下发出的能量大约是5.92毫瓦)。

核电池为什么普及不了

以文中的氚电池为例,氚的最大衰变能为18.6 keV,平均能量为5.7 keV,也就是说要提供0.29W的功耗,即使核电池的转换效率为100%,也需要8.6千居里.——要知道手表的氚管通常是25毫居里。按照典型的氚供应价格,至少需要数万美元,按照直接充电式核电池实际效率,需要量至少还要乘以10多倍。

核电池为什么普及不了

而如果我们选用一种比氚的单位能量更高的放射源呢,并且我们假设其伴随的伽玛辐射很小或者很容易防护,比如锶90,氪85(他们都是核裂变产物,可以从乏燃料中大量获取,衰变能量在0.5~0.7MeV),那么面临的问题就更明显了——这种放射性影响比氚强百倍的放射性物质,需要更严格的管理和监督。

核电池为什么普及不了

你不可能把数百居里这种辐射强度的放射源——按有关规定应为三类放射源(没有防护情况下,接触这类源几小时就可对人造成永久性损伤,接触几天至几周也可致人死亡)——塞在手机里拿着到处跑,那样只要一个反社会的小偷把你的手机电池砸烂就可以造成恐慌了。

核电池为什么普及不了

另一个问题是一个满足手机要求的核电池可能比较大。在实用的核电池当中,大多数都是功率非常小的,微瓦或毫瓦级的电池,这些电池通常采用效率比较高的直接充电式、气体电离式、辐射伏特效应能量转换原理,要实现数百毫瓦甚至数瓦的功率比较困难。

少数功率达到数瓦甚至上百瓦的电池多为深空探测器使用的热电转换核电池,通常是钚238或者钋210作为放射源,且不管两者的昂贵价格,他们的放射性毒性和化学毒性都非常强大,美国核工业界允许的钚238摄入量是2.4×10^-9g,而钋210由于毒杀前俄罗斯特工利特维年科早已是臭名昭著,号称比氰化钾还要毒2.5亿倍。

当然以手机通常寿命来说,需要一种半衰期较短(1~3年),纯α或者β放射性,能量在MeV级,几乎无γ辐射和γ子体的核素比较合适,最好化学性质稳定,即使我们找到这样一种材料,并且核安全法规同意你购买,这样一种核电池会比手机的电池要大一些,并且发热量会很大——热电转换式核电池的效率很低,通常只有百分之几,也就是说你的手机将有数瓦到数十瓦的发热功率,比小米更适合当暖手宝。

补充一下氚的价格问题某些回复中提到的利用泄漏中子生产氚并不实际,因为中子通量很低,经济的路线是用锂代替一部分核电站控制棒和调节棒,或者从重水堆比如CANDU的慢化剂中提取。

21世纪初,美国能源部曾在田纳西河管理局下属的Watts Bar核电站中试验性的生产氚,以维持核武库当中氚的存量。如果用锂代替控制棒中的中子毒物,在不增加额外燃料的情况下,Watts Bar核电站的一个反应堆(1100MW电功率)可以插约2000根产氚可燃毒物棒(TPBAR);在不改变反应堆18个月的换料周期的情况下,反应堆可以插入2496根;如果将换料周期改为12个月,可以塞3000根,每根TPBAR在一堆年的运行中当中可以生产约0.

75g氚。DOE每年需要约3kg氚,而TVA给的报价当中运行费用为每年两千万至六千万美元(不包括氚提取设施的基建费用),这是成本价,因为TVA的性质类似国企,向联邦其他机构服务得收成本价,价格波动区间取决于DOE是提供廉价的来自核武器的浓缩铀燃料还是提供商业铀浓缩生产的核燃料。

每克氚大约是9600多居里,商业市场上的氚价格在2美元每居里上下浮动。

实际上核电站运行本身会排放很少量的氚,压水堆有每年数千个居里/百万千瓦功率的氚排放限额,但是排放浓度要求非常稀;CANDU的氚排放量比压水堆大一个数量级,由于浓度和同位素分离的难度,这些氚是没有回收意义的。

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