俄羅斯核電池新進展,用鎳奈米簇將 β 射線轉換成電

發佈日期: 2018 年 09 月 17 日 12:36 | 作者: | 分類: 產業資訊

核電池聽起來像是可移動的小型核電廠,但其實該技術並不是採用核分裂來產生能量,而是把放射性同位素衰變產生的能量轉換成電力,更是個號稱使用壽命可長達 100 年的電池,俄羅斯國立核研究大學(MEPhI)近期便成功透過同位素鎳 63 奈米簇將 β 射線轉換成電,有助於醫療微型設備、小型機器人與航太探測器。

心律調節器、微型感測器、動脈血壓測量系統等醫療微型設備基本上難以維修,電池也與機器一體成形,因此不管是電池電量耗盡、還是手術更換過程都可能會危及病患生命,若是該技術可突破商業化門檻將大有裨益。

現在目前已經可以透過微機電系統(micro-electromechanical)與奈機電系統(nano-electromechanical)把操作範圍限制在微米、甚至是奈米範圍內,讓科學家打造更小的醫療與遠程設備,但仍缺乏相對應的電池,現在的微型鋰離子電池、小型太陽能電池或是燃料電池體積還是太大,而且也有壽命限制。

因此科學家將目光轉向核電池,雖然該電池轉換效率仍不高,但已足以應付微型設備。其中核電池大致分成兩種類,「熱轉換型核電池」運用會釋放大量熱能的同位素,諸如鈽 238、鋦 244 及鋦 242 等,再透過熱電或光電效應來轉換成電。而另一種、同時也是 MEPhI 採用的技術為「非熱轉換型核電池(射線電池)」,利用衰變時釋放的 β 粒子來發電。

用射線來發電聽起來有點可怕,但其實只要一層金屬殼就能將 β 射線擋住,封裝完善就完全不會對人體造成影響,其中鎳 63 為備受看好的軟性 β 放射線元素之一,其更具有長達百年的半衰期。

MEPhI 物理技術度量衡問題學院助理教授 Pyotr Borisyuk 表示,團隊透過研究鎳奈米簇鎳薄膜的電-物理特性,打造「不同於以往」的物理系統,可以有效將鎳 63 同位素的 β 衰退能量轉換成電,且鎳奈米簇薄膜內部還可產生二次電子,進一步增強 β 粒子非彈性碰撞產生的電流。

該物理系統由一排密集的鎳奈米簇組成,奈米粒子會在二氧化矽表面呈梯度分布(gradient distribution)。研究員指出,形成鎳 63 奈米簇與奈米粒子梯度分布並非易事,團隊得利用不同大小的奈米粒子來打造電壓固定的塗層,實驗中也沒有使用難以製造的半導體系統來轉換鎳 63 的衰退能量。

透過獨特的鎳奈米簇薄膜與梯度分布技術,核電池又朝商業化更進一步,對於微型醫療設備、或是在航太與極地深海等地方來說,擁有一顆使用壽命長的電池是相當重要的事情。目前研究已發表在《Applied Physics Letters》。

(首圖來源:massmatt via Flickr CC BY 2.0。文/DaisyChuang)

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