中国核工业集团有限公司的回答
如今，电子产品已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。从手机、平板到笔记本电脑，再到电动汽车，电子产品的普及为我们的生活带来了极大的便利。然而，随着电子产品使用的日益频繁，充电也成了比较麻烦，且必不可少的一环。
在现实生活中，如果能有不充电的手机、电动车、电子设备，那必然极大方便人们生活，解决人们的“充电焦虑”，甚至引起科技革命。
所以，有人会感叹：要是有一个“永不断电”的“核电池”该多好！
大家是否觉得这是一种高科技的幻想？其实，这种电池早就被发明出来了。核电池作为一种长寿命、高能量密度、免维护的发电装置，在多个领域实现应用，比如空间探测、海洋探索、生命医疗等领域都得到了成功应用。
那么，核电池究竟是什么，目前在哪些地方得到了切实的应用，未来的应用又能够为人类带来哪些生活变革呢？我们就简单和大家聊一聊。
一、先来说说核电池是什么？
核电池，顾名思义，是一种将核能转换为电能的电池。核能通常包含三种能量形式，分别为裂变能、聚变能以及衰变能。其中，核电站的能量来源是裂变能，被称为终极能源的“人造太阳”则依靠是核聚变反应释放能量。裂变能和聚变能来自于外因引发的核转变所释放的能量，而衰变能则是来源于不稳定的核自发的进行核转变的过程。
核衰变有三个重要特征：一是衰变过程稳定且连续不断，二是可释放出大量的能量，三是不受物质形态和环境因素的影响。
核电池就是以这种衰变能为能量来源，并利用换能器件将核能转换为电能的装置。
正是由于核电池的能量来源为核衰变，因此相比于化学电池、光伏电池、燃料电池等传统电池，其具有寿命长、能量密度高、无需维护、环境适应性强等显著优势：
1) 使用寿命长。核电池的理论寿命取决于选用放射性同位素的半衰期（指大量原子核衰变到原来数目一半的时间，此处可近似理解为经历一个半衰期后核电池功率减少为初始时一半）。如采用常用放射性同位素，其理论寿命可达数十年至上百年。若以半衰期为5730年的C-14为放射源，其理论寿命可达数千年乃至上万年。
2) 能量密度高，易于微型化。在所有的能源中，衰变能远超于其他常规能源的能量密度。如相同重量的核电池和锂电池比较，核电池可做到“一节更比千节强”。而且放射源容易集成在非常小的结构表面，实现微型化。
3) 输出特性稳定，无需维护，环境适应性强。由于核衰变过程不受物质形态和环境因素(温度、湿度、酸碱度、压强等)的影响，因而核电池的能量来源稳定，理论上核电池在设计期限内无需维护，具有稳定的输出特性。相比之下，传统的太阳能电池、锂电池等则受光照、温度等外部环境影响严重。
二、放眼全球，核电池都有哪些应用呢？
核电池由于其长寿命、环境适性强、无需维护等优点，在空间探测、海洋探索、生命医疗等领域都有广泛应用。
例如，在航空航天领域，我国研制的Pu-238核电池于2018年被应用于“嫦娥四号”探月工程中，用于给“玉兔号”供电。
美国自1961年起已成功将40余个核电池应用在空间探测中，其中包括著名的阿波罗号、先驱者号、旅行者号、伽利略号、尤利西斯号等。
值得注意的是，1977年美国发射的旅行者号探测器，迄今已在太空航行40多年，并已飞离太阳系，但其搭载的核电池仍然能够继续为探测器的设备提供电能，接收来自地球的操作指令。
在海洋探索领域，上个世纪六七十年代，美国和前苏联生产了大量的核电池用于海洋探测、海洋监控、海洋预警等，为水下和水面孤岛等无人值守的电子设备供电。
在生命医疗领域，核电池也被用于心脏起搏器中，对患者的随访证明了核电池对人体的安全性[2]，也表明了核电池的长期可靠性，极大减少患者因更换电池进行手术的痛苦。
此外，目前美国的City Labs公司还推出了以氚为核源的核电池，但该电池并未得到大规模的商业化应用，主要原因还在于氚电池的成本较为昂贵，目前一块氚电池售价就超过5000美元，极大阻碍了市场推广。
从以上核电池的应用可以看出，截止到目前为止，核电池并未真正实现民用，仅在某些“不计成本”的领域得到应用。
尽管核电池因为成本问题暂未得到广泛应用，但随着未来对核能开发的日益成熟，核电池市场规模的逐步扩大，可以期待核电池的成本大幅下降，在未来一些核电池不可替代的领域，人们也能享受到“物美价廉”的核电池带来的便利。
三、那就打开脑洞，畅想一下未来吧~~~
在未来，核电池与物联网、电动汽车等方面的结合，将打开能源供应和智能设备的新纪元，极大提高人类生活的便利性、舒适度和可持续性，也为开辟人类宇宙空间活动提供一种便利的能源选择。
物联网技术领域
物联网是指通过信息传感设备，将任何物体与网络相连接，实现万物互联。而传感器则是物联网应用的基础，传感器之于物联网正如眼睛耳朵等感觉器官之于人类，没有传感器就物联网就无法感知和测量环境中各种物理量，如温度、湿度、压力等。物联网需求的传感器数量巨大，且需要传感器微型化。因此需要一种长寿、体积小、能量密度高的电源对传感器供电。目前，传感器因其功能的不同功率有所不同，通常功率范围约为微瓦级至毫瓦级，考虑传感器功率为100mW（0.1mW），若以市面上某款纽扣电池为例，电池直径20mm，厚度3.2mm，容量630mW·h，该纽扣电池仅能供该传感器使用约8个月就需要更换电池，十分不方便。而与该纽扣电池类似大小的核电池可以实现百微瓦级的功率输出，且可在数十年的时间内持续发电，实现物联网传感器的免维护免充电，一次安装即可超长期服役，免去海量传感器因频繁更换电池而导致的巨大的人力物力浪费。
汽车领域
核电池具有输出功率稳定的特征，但这一特征也限制了其直接作为汽车动力电池使用。动力电池使用工况复杂，在加速工况下峰值放电功率可达百kW级，而核电池无法产生瞬时大功率输出。虽然核电池不适合作为动力电池，但可作为充电设备，类似给电动汽车上挂一个“核电池充电宝”，像“毅力号”火星车核电池一样，免去汽车的充电问题。
以市面上某款电动汽车为例，该车纯电续航里程为510km，电池容量为57.6 kW·h，电池质量为410 kg，百公里耗电11.9 kW·h，电动机总功率为100 kW。考虑如今效率最高的静态型核电池（即核电池内不含运动部件），其比功率为18.5 W/kg[3]，虽然受限于成本，最大输出功率仅数百瓦，但若不计成本，200kg的核电池可产生3.7 kW电功率，如此则每天可充电~90kW·h。在非长时高速行驶的条件下，搭载了“核电池充电宝”的电动汽车基本可以做到“免充电”。若以该核电池使用时间20年计算，相当于200kg的“核电池充电宝”的容量就高达近65万kW·h，可对该汽车电池循环充电11000+次，电池容量用十分巨大形容也不为过。另外，考虑到未来核电池技术的发展，核电池的转换效率、比功率等仍有较大的提升空间，可以想象，届时搭载“核电池充电宝”的电动汽车，将彻底做到免充电使用，完美解决电动汽车的能源补给的瓶颈问题，极大提升电动汽车的使用便利度，同时推动汽车的清洁能源转型。
四、考虑到知乎平台大咖云集，那么我们就再大胆一点， 大开脑洞一下：假设有一天我们在火星生活，火星上又没有像地球上那样便利的发电厂供电时，该如何获取稳定、长寿、便携、不受环境影响的电力来源呢？
目前，火星被认为是有可能成为人类第二家园的星球。然而，火星的夜间气温会低至零下100℃，且有着肆意横行覆盖整个星球的沙尘暴。电影《火星救援》中有这样一个细节，在男主克服了食物和水基本生存困难后，他开始思考如何为自己创造机会返回地球，他组装好了太阳能电池来为漫游车提供能源，并且挖掘出了核电池为生活区维持供热。
这是否可以实现呢？
目前，我国的人均年用电约6000kW·h，考虑火星需要用电之处更多，比如制氧、制水等，以一个地球年的人均电能需求30000kW·h计，另外火星上还需要夜间持续供暖，因此电能是一个相当大的需求量。太阳能电池在沙尘天气下发电量大打折扣，夜间更是无法发电，对环境要求较高，无法满足持续稳定的能源供给；而受限于火星稀薄的空气和沙尘天气（空气稀薄风能较小，沙尘天气损害机械运动部件），也无法依靠风能进行有效发电。但如果我们使用核电池，则可以完美匹配火星移民需求。核电池可以在房屋内外使用，不仅可以发电，核电池自身的发热量就可以用于夜间供暖。未来500kg重的核电池，完全可以做到输出功率10 kW。如此，则该核电池每个地球年可以发出近9万kW·h的电，完全满足火星生活用电，甚至可根据需要直接搬到火星车上使其成为“永动机”（考虑Pu-238，即使使用20地球年，放射源的能量也有初始能量的~85%），扩大火星移民的活动范围。如此便携的能量站，在任何情况下都可以让人完全不用担心电能的供应问题。
电影《独行月球》中，独孤月与金刚鼠一同开着太阳能月球车去找发动机，途中不得不“追逐太阳”以获得持续不断的电能补给，在最后的一段路程中，由于日落和电能耗尽，独孤月险些落难，幸而有强悍的金刚鼠令独孤月绝地逢生。在电影里，如果独孤月拥有一种电池，无视各种恶劣环境，不用担心电量问题，金刚鼠是不是不用在月面奔跑了呢？
（作者为中国核动力研究设计院锐核团队）
相关文章
