- 橡樹嶺國家實驗室正在研發核電池以應對偏遠地區電力需求。
- 核電池通過同位素的自然放射性衰變產生電力，無需維護。
- 鈈-238是理想的同位素，適合用於長期電力供應。
- 先進製造技術可解決核電池生產中的主要挑戰。
從海洋深處到火星表面，一些地方無法通過電力線或運送更換電池的貨車到達。橡樹嶺國家實驗室正在努力確保這些地點永遠不必面對缺電的困境。該實驗室正在研發核電池，旨在實現多年甚至數十年無需人類幹預而持續運行。布拉德·約翰遜（Brad Johnson）負責橡樹嶺國家實驗室的核電池倡議，利用多學科團隊和實驗室的研究工具，開發能滿足國家需求和全球挑戰的技術。約翰遜表示，核電池提供了一種經驗證的安全方式來提供長期電力，他的團隊正在進一步提高其性能和安全性。
核電池的運作原理
選擇合適的同位素，核電池是通過同位素的自然放射性衰變來產生電力，而不是通過化學反應。這使得它們非常適合需要穩定電力且無需維護的偏遠地區。然而，並非所有放射性同位素都適用於此目的，雖然有幾種同位素符合要求。約翰遜指出，理想的同位素半衰期應在 10 至 100 年之間。較短的半衰期會在使用之前浪費太多材料，而較長的半衰期則需要大量同位素才能產生有意義的電力。理想的候選同位素還應發射阿爾法和貝塔粒子，而不是伽馬射線或中子，因為這些短程粒子更容易轉換為可用電力。
鈈-238（Plutonium-238）非常符合這一特徵。橡樹嶺國家實驗室為能源部生產該同位素，這是根據 NASA 的合同進行的，NASA 則在深空任務中使用這種同位素的熱電發電機。
「堅持」探測器的發電機使用約 10.6 磅的 Pu-238，預期的壽命為 14 年，遠超過探測器原本在火星上三年的任務。橡樹嶺國家實驗室的核電池研究可以追溯到 1960 年代。1970 年代專門為電池項目建造了一整棟建築以處理裂變產物。研究員王信（Hsin Wang）目前正研究一個退役的地面放射性同位素熱電發電機，以瞭解這些系統隨著時間的衰退情況。該單元最初於 1985 年建造，使用橡樹嶺國家實驗室生產的燃料顆粒和罐子。
約翰遜稱該退役單元為收集設備使用壽命結束性能數據的難得機會。
未來挑戰與解決方案
未來的任務也帶來了新的工程挑戰。例如，NASA 推動持續的月球存在面臨著為期兩週的月球夜，使得太陽能變得不切實際，並需要其他方法來保持設備的温暖。約翰遜的團隊已經確定了九種候選同位素，並將該列表縮小至三個主要選擇。他們的選擇基於同位素的特性以及在大規模生產中的可行性。這一生產挑戰是當前技術和新一代核電池之間的四大主要障礙之一。其次，能源轉換需要改進。目前的熱電技術僅將 5%至 8%的衰變熱轉換為電力。
將其推高至 10%至 15%將使燃料成本減少約一半。第三，更好的絕緣和熱管理將防止系統中浪費的能量逸散。第四，電力控制和管理系統仍需改進。
約翰遜表示，先進的製造技術，包括 3D 打印和專用粉末材料，可以同時幫助解決這四大挑戰。他形容這一努力為「橡樹嶺國家實驗室的全面機會」。該計劃利用實驗室各個部門的專業知識，以滿足國家的長期電力需求。
核電池技術的潛力與挑戰
橡樹嶺國家實驗室的核電池研究旨在解決偏遠地區的電力供應問題，這對於深空探索和極端環境的應用至關重要。選擇合適的同位素如鈈-238，能確保電池的長期穩定性，滿足未來任務的需求。然而，技術的發展仍面臨生產挑戰，特別是在能源轉換效率和材料管理方面。先進的製造技術可能成為克服這些挑戰的關鍵，推動核電池技術的進一步應用。