为什么只能用铀和钚做核燃料呢？如果徒手握住武器级的铀或者钚会怎么样_核电_电池_温差

本文目录

• 为什么只能用铀和钚做核燃料呢
• 如果徒手握住武器级的铀或者钚会怎么样
• 2019诺贝尔化学奖颁给锂电池领域，电动车的未来还远吗
• 为什么中国的火星车不像“好奇号”一样采用核电池
• 俄罗斯科学家发明核电池可以续航100年如果用在手机会怎么样

为什么只能用铀和钚做核燃料呢

作为一名核电从业者解答下这个问题，首先纠正提问者的观点，并不是任何物质裂变都能产生巨大能量，笼统的说只有重核裂变和轻核聚变才可以放出能量，核裂变属于重核裂变。

图释：比结合能曲线，曲线右侧重核裂变释能，左侧的聚变释能。

那么为什么常用的核燃料只有铀和钚呢？

1、目前核燃料大多数是易裂变核素，如铀235和钚239，这类原子核在中子能量很低的情况下即可与中子发生核反应，专业术语表达是可以与热中子发生裂变反应。而可裂变核素需要中子能量超过一定的阈值才能发生的裂变，如铀238在低能量下核裂变的几率是很低的。

2、核材料除了考虑发生核反应的概率大小（专业术语表达是反应截面的大小）还需要考虑材料的特性，比如:

• 辐照稳定性好，在中子辐射下不会发生肿胀变形；
  
• 热稳定性好，当温度变化时不会发生大的形变，热应力小；
  
• 耐腐蚀性好，虽然燃料外壳有燃料包壳，但在正常功率运行时，难免会出现包壳破损的现象，这时冷却剂就会与燃料棒直接接触，所以要求燃料的耐腐蚀性高；
  
• 易加工，为满足工业需要，加工难度不能太大，加工制造工艺必须目前的工业水平可以达到。
  

综上选用了二氧化铀陶瓷燃料芯块的含钚燃料。

如果徒手握住武器级的铀或者钚会怎么样

作为一名核电从业者回答下这个问题，徒手握住武器级的铀和钚不会带来多大的放射性伤害，但是如果不小心被带入体内则可能导致内照射和重金属中毒。

自从1938年德国的物理学家奥托·哈恩和弗莱茨斯垂斯曼发现裂变现象后，包括德国和美国多个国家展开了一种新式武器——核武器的相关研究。

图释：德国放射化学家和物理学家哈恩

核武器所用的材料就是浓缩度超过90%的铀235或者钚239，然而造化弄人，这两种物质在自然界中含量都是很少的。找到天然的铀矿石已是不易，天然的铀矿石中铀235的含量只有0.72%,剩下超过99%的大多是铀238，天然的钚239存在于铀矿石中，含量则更少。

铀235半衰期大约7亿年，自发衰变发出的是α粒子，即氦核，钚239自发衰变的半衰期是24100年，放出的也是阿尔法粒子（α粒子）。

α粒子质量数是4，是比较“胖”的粒子，因此其在三种粒子（α粒子β粒子γ射线）中穿透力最弱的，即使使用普通A4纸张就可以屏蔽，人体手上的角质层也可以完全屏蔽掉α粒子，穿上衣服就更可以屏蔽掉了。α粒子的主要危害在于内照射，由于α粒子质量较大，携带能量较多。一旦铀235或者钚239被吸入体内，其释放出的α粒子所携带能量将在组织表面很浅的一层消耗掉，对表层细胞造成很大的伤害。目前世界卫生组织国际癌症研究机构已经将α粒子定为了一类致癌物。

电视里操作核燃料穿的专用衣服也并不是辐射防护服，这种衣服是防止衣服被沾污的统一制服，真正比较大的辐射这种衣服是根本挡不住的，需要用机械手操作，采用距离防护，人工是无法接近的。

今天的科普就到这里了，更多科普欢迎关注本号！

2019诺贝尔化学奖颁给锂电池领域，电动车的未来还远吗

应＂悟空小秘书＂邀答！

2019诺贝尔化学奖颁给锂电池领域，电动车的未来还远吗？

2019年的诺贝尔化学奖颁给了化学领域的三位科学家，分别是美国两位，日本一位，以表彰他们开发锂电池中做出杰出的贡献！

他们研究出的锂离子电池，自从91年进入市场，大家知道的锂离子电池的用途广泛，我们可不能忘了科学的辛勤劳动。

近年来锂电池有占2／3用在移动电源上，还有1／3用在了电动汽车上，锂电的安全系数并不如铅电，制造成本又高，回收再利用也不容易。锂电的特性，不能制造象铅电那么大的体积，你也看到锂电的体积小个体多，这是对安全系数而研究出的。随着科技的发展，会不断克服安全问题，那锂电池的组装技术十分重要，掌握它的特性，看来磷酸铁锂电池将成为汽车首选的电池，纵观多年来锂电的发展，在没有其它新能源问世之前，锂电将会给人类作出更大贡献！

谢谢你的阅读?！

为什么中国的火星车不像“好奇号”一样采用核电池

核电池因为长寿命、结构紧凑、稳定性好、兼具保温、不依赖阳光等优点，更适合于长时间、连续、长机动距离的地面探测任务或深空探索任务，同时也是深空探索的趋势。

中国嫦娥任务采用过，这次火星车没用是因为......

其实，中国在嫦娥4号探月任务中，就首次使用了同位素温差电池，这也是我国首个在航天器上成功应用的同位素电源，也就是你所说的核电池。（当然嫦娥3号也使用了同位素热源，但主要是用来抵抗月亮-180℃的低温）。

核电池也分好多种

我们知道，核反应主要有3种，核聚变、核裂变、核衰变，嫦娥4号与美国的“好奇号”所使用的同位素温差电池利用的就是放射性锕系材料（钚238）的核衰变能量。

那有人就说了：既然有核衰变电池，那是不是有核裂变电池、核聚变电池？核裂变是有的，比如很厉害的KiloPower。这也是未来建立月球基地、火星基地在能源方面的明星方案，主要提供千瓦级以上的功率，这个以后再单独讲吧，核聚变电池，闹呢！核聚变都还没搞成呢！

什么是同位素温差电池？

就核衰变能量的利用方式的不同，核衰变电池又可分为热电式、辐射伏特效应式、压电式、闪烁中间体式。具体来讲，这些分类就是对核衰变产生的子核动能（热量）、阿尔法粒子、贝塔粒子以及伽马光子的利用来分类的。

同位素温差电池利用的就是核衰变产生的子核动能（热量），利用温差电材料的热电效应将热变为电，这是最近40年主流的核电池技术，又被称为放射性同位素热电电池（radioisotope thermoelectric generator，RTG），是静态的发电装置，具有结构紧凑、可靠性高、生存力强、质量比能量高、寿命长等特点。

利用阿尔法衰变材料作为热源的同位素温差电池通常使用钚-238（二氧化钚-238），（钚-238是一种人工核素，其化学性质有剧毒，其半衰期为87.7年，很适合用于深空探索，理论上，每千克钚238自然衰变可产生568瓦的热量，如果其热量全部转化为电能，还是非常可观的，但受制于材料的纯度、热电转换的技术等因素，实际效率通常不超过6%。第一个钚源于1959年在坟堆（Mound）实验室被制备出来，这个实验室位于美国俄亥俄州迈阿密斯堡，是美国原子能委员会(后来成为能源部)在冷战期间进行核武器研究的机构。

利用贝塔（β）衰变材料作为热源的同位素温差电池通常使用镍63、锶90、钇90等核素，它们主要发射贝塔粒子，其发电量相对较小，常用于微机电系统的电源。

原因之一：功率太小、效率太低，无法满足用电需求

我们先来看看嫦娥4号身上的同位素温差电池到底是个什么水平？

根据相关资料，嫦娥4号使用的这块电池重7千克，功率3.2~3.5W，这是个什么概念呢？这就和你夏天所用的手持小电扇功率差不多。如此小的电功率无法支撑起其科学载荷的用电需求（主要用这点电测了一下月夜的最低温）。作为对比，好奇号的核电池重45千克，功率为110W。

根据前面的钚238的理论产热数据：

嫦娥4号的这块电池，其热电转换率仅为万分之8.8。

好奇号的核电池，其热电转换率为千分之4.3。也就是说其效率提高了近50倍。

当然这个数据只是一个参考值，因为电池的重量不代表电池电芯中钚238的重量，所以实际的能量转换率肯定比这个要大，但这一数据也反映了综合的工艺技术，差距还是很大的，因为电池核心的材料都是钚238，差距的关键就是温差发电模块的差距了。

原因之二：先期实验目的已经达到

短时间内我国的同位素温差电池还处于研制试应用阶段，其功率还达不到实际应用的水平。

月球上的昼夜温差能达到300度，最低温度约零下180度，火星昼夜温差在120度，最低温度通常在零下85度，因为我国研制的同位素温差电池已在月球上进行了验证，而月球上昼夜温差相比于火星更加严苛，所以再大老远的把电池运到火星上测试就显得没那么必要了。

原因之三：任务目标需要的用电和机动性不同

虽然太阳能电池的功率质量比以及使用寿命现阶段与同位素温差电池差距不大，但其巨大的占用面积是其最大的短板，这在一定程度上影响了科学载荷的配置和使用的灵活性以及整车的机动性。

任务的设计机动性和机动距离一种程度上决定了供电方式：

“好奇”号于2012年8月5号登陆，于2016年9月24号结束扩展任务，设计任务时长超过4年，在火星上执行任务的距离为13.93公里，虽然好奇号的整车质量达到了899千克，属于重型科研平台，但其平均时速达到了9米/每火星天，是跑得最远的机遇号（约43公里）时速的3倍，机动性显然更强。

而在2018年5月发射的洞察号，因为其是作为一个固定的着陆器研究火星核心、地幔和地壳等内部要素的演化，不需要进行机动，说白了就是落地就安家的那种，所以它并没有配备同时期使用率很高的同位素温差电池。

而天问一号火星车作为首次降落火星执行地面探测任务的设备，执行任务的时长较短，计划于2021年4月23日降落火星，并进行为期3个月的探索，从保守的角度讲，虽然并没有任务设计机动距离的相关数据，但结合嫦娥系列任务的机动距离数据（玉兔二号行驶了463.26米）和火星车的实车结构来看，显然它也并不需要做很长距离的机动。

任务的用电需求也一定程度上与电池相互制约：

好奇号全车重量达到899公斤，与NASA此前登陆火星的机遇号和勇气号相比明显个头更大，携带了更多更为先进的科学载荷（共10套），包括了多种使用激光进行工作的大功率耗电设备，其核电池一个火星天可以连续充电提供2.8度电。是使用太阳能电池板供电的机遇号和勇气号的大约3倍。直到今天仍然在火星上工作，实际供电超过了8年。根据NASA的数据，好奇号火星车在执行任务的第5年，仍然未见明显的能量衰减。

这是一个相互制约的关系，当然还是以科研任务为主线，天问1号火星车全车重240公斤，携带6种科学载荷，且多为各种相机和被动分析设备，能耗不高，所以可以采用太阳能电池板供电。

期待中国核电池的发展

就像本文一开始所说的那样， 核电池的优点显而易见，它稳定紧凑，不受阳光的影响，可以连续供电，适合于深空探索，中国的核电池能源这块也是与中国航天事业的发展同步的，现在我们有了行星探测计划，有计划就有需求，才会推动发展，相信随着中国深空探索任务的不断增多，中国在核电池领域将会快速前进。

俄罗斯科学家发明核电池可以续航100年如果用在手机会怎么样

了不起的发明。人类文明又向前推进了。有了星际旅行的条件。核电池其适用领域，用于交通工具，如汽车，火车，飞机，轮船。航空航天航海，如飞船，卫星，轮船，潜水器，其它，如人工智能领域，工作机器人领域，等等都能大力发展应用。考虑成本，大小，重量与安全，不适宜用于手机。