半个世纪的电池：为什么原子能加热探针，却难以降低成本
这是一台放射性同位素热电发电机（RTG），曾被苏联用作偏远灯塔和气象站的独立电源。该物品出自俄罗斯剧情片《我如何结束这个夏天》（2010），该片以极地科考站为背景。
在北极海岸的某个地方，距离最近的人类居住地几百公里，一座导航信标矗立了几十年。它没有连接任何电线：它的光和无线电信号来自一个桶状的能源，无需燃料、无需维护、也无需人为干预。它通过内部加热将热能转化为电能，预计可以持续运行约三十年。然而，问题后来出现了。当这类信标网络开始被拆除时，人们发现一些能源早已被废弃，而另一些能源的安全措施也遭到了破坏。这些能源中含有锶-90。
放射性同位素能源的本质可以概括为：极高的可靠性，以及同样不便的内部结构。它不会发生故障，因为没有任何部件会损坏——没有泵，没有活动部件，无需充电。但正因如此，它也无法“关闭”。即使不再需要该能源，同位素仍会继续发热和辐射。这就是为什么它如此难以处理的原因。
如何利用衰变产生电流
放射性衰变会产生热量。同位素原子核发生裂变，散落的粒子被物质减慢速度，导致物质升温。这种热量可以通过两种方式转化为电能，而这两种方式的原理截然不同。
第一的 - RTG这是一种放射性同位素热电发电机。同位素的热量通过热电偶散发：由于温差，两个不同导体的连接处会产生电压（塞贝克效应，早在19世纪就已为人所知，其背后的物理原理也已十分成熟）。这种设计的效率很低，只有几个百分点，但绝对可靠。只要同位素存在，它就会持续产生热量。
第二种设计风格更年轻、更轻薄—— 贝塔伏特在这里，β衰变产生的电子飞入半导体，并像太阳能电池中的光子一样，将电荷载流子击出。本质上，它是一种“原子光电池”，只不过利用的是核衰变而不是太阳光。其功率输出非常小，从几微瓦到几毫瓦不等，但这样的电池可以持续供电数十年。
因此，一条简单却意义深远的原则是：同位素的选择取决于具体任务，而非“能量更高”的原则。重要的因素包括辐射类型（决定防护效果）、半衰期（决定使用寿命）以及比热释放。没有一种同位素是“万能的”，每种同位素都有其特定的应用场景。
地球与太空：运行半个世纪
这些北极航标由锶-90制成。这种同位素价格低廉，在反应堆废料中含量丰富，且能产生大量热量。但锶会释放强烈的β射线，需要大量的屏蔽措施，而且半衰期长达28,8年。它原本是自主航标的理想材料：设置好后即可高枕无忧，长达四分之一世纪。然而，这种“设置好后就不用管了”的方法却适得其反。苏联生产了大约一千台放射性同位素热电发生器（RTG），其中绝大部分用于北方航道的导航。苏联解体后，这些统一的放射性同位素热电发生器库存部分丢失：一些被遗弃，另一些则只发现了损坏的保护壳。一项耗时数年的国家计划不得不专门负责收集和移除这些设备。工程设计无可挑剔。问题不在于物理原理。问题在于，放射性同位素热电发生器必须在其整个使用寿命期间进行监测，而不仅仅是在它提供有用信息期间。
在太空中，他们选择了不同的同位素和不同的逻辑。设备 航海者-1 и 航海者-2这两艘探测器于1977年发射，每艘都携带了三台钚-238放射性同位素热电发生器（RTG）。近半个世纪过去了——两艘探测器都已飞出太阳层，并且仍在通信。但它们的能量正在不可避免地逐渐衰减：RTG每年损失数瓦的功率，为了延长它们的运行时间，工程师们正在逐一关闭其搭载的仪器。这是纯度最高的钚-238同位素——一种无法补充燃料，只能缓慢消耗的资源。
有必要区分两个经常被混淆的概念。苏联的月球车也携带了钋-210同位素，但他们用它来为月夜的仪器舱供暖，而不是发电。钋-210能产生极高的热量，但其寿命只有大约138天：它不适合作为长期能源，但非常适合在探险期间用作几个月的加热垫。
钚-238：太空应用的理想材料，但几乎不可能获得。
钚-238在太空领域如此受欢迎的原因显而易见，这从其物理特性便可看出。它是一种α粒子发射体：质量较大但射程较短的α粒子会在源材料内部减速，因此几乎不需要外部屏蔽。它产生的热量很高，半衰期长达87,7年。对于持续数十年的行星际任务而言，这种组合近乎完美：能量输出持久，而且源本身无需厚重的屏蔽层，从而减轻了航天器的重量。需要明确的是，这里的“完美”指的是物理特性，而非可用性，我们稍后会再讨论生产问题。
核物理学家伊戈尔·奥斯特列佐夫也表达了同样的观点，他在一次采访中称钚-238是太空应用的“理想同位素”，并引用了美国长寿命探测器的例子。从工程学的角度来看，这无可辩驳——这正是业界的逻辑。
争论始于物理学与生产工艺的交汇点。钚-238并非开采而来；它是在反应堆中由镎-237制取，然后通过复杂的放射化学方法分离出来的。从美国的情况可以看出，这个过程有多么精细。 故事萨凡纳河反应堆关闭后，美国实际上在二十多年里都没有自己的钚-238，只能依赖进口。直到2010年，能源部才向国会提交了一份恢复生产的计划。三个国家实验室（橡树岭国家实验室、爱达荷国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室）不得不重启生产链，根据该计划，到2026年，钚-238的年产量应该能达到1.5公斤——足以满足即将进行的泰坦星“蜻蜓”探测器的需求。矛盾的是，这种被公认为最适合深空探测的同位素，其供应仍然短缺，并非因为性能不佳，而是因为生产难度大、成本高。
镍基核电池：旧理念，新浪潮
微型电源的情况也类似，都遇到了同样的瓶颈——同位素生产。我们这里指的是镍-63β伏电池。这种同位素的优势在于它释放的β射线非常柔和：正如人们常说的，一张纸或一层薄箔就能屏蔽掉它。它的半衰期约为101年，这意味着这种电池无需更换即可稳定供电数十年。
这类电池的应用领域非常狭窄——微瓦级，在这个领域，电池寿命和自主性比功率更重要。有前景的应用领域包括心脏起搏器、自主传感器以及不能断电的非易失性存储器。然而，目前这些大多仍处于研究和原型阶段，尚未实现量产。莫斯科工程物理学院（MEPhI）曾报道过核微型电池的研究进展，而一家中国公司在2024年宣布推出镍-63β伏电源。这些正是这些研究背后的推动力量。 新闻 于是，一个诱人的“无线世界”景象浮现出来：所有小型电子设备都依靠自身衰变供电。然而，微瓦和灯泡之间相隔几个数量级的功率，而β伏特技术无法覆盖这些范围。这种功率是传感器所需的，而不是冰箱所需的。
主要的限制因素仍然是同位素，而非物理学。镍-63在自然界中并不存在；它是在反应堆中由镍-62（约占普通镍的3,6%）制成的。因此，原材料首先要在离心机中进行富集，然后进行辐照，最后进行分离。据奥斯特列佐夫本人所说，一克这种镍的价格高达数百万卢布。这个数字应该是他个人的估计，但它准确地反映了其中涉及的劳动量级。
奥斯特列佐夫提出了一种解决方案：不在反应堆中，而是在加速器中，通过用能量高于特定阈值的粒子束辐照铜来生产镍-63（因此称为“阈值反应”）。他认为，这将显著降低同位素的成本，并允许用化学分离取代传统的分离方法。这个想法很有吸引力，但尚未得到广泛认可：该方法在一些专家出版物中受到了批评，工业应用也尚未实现。因此，目前这只是一个人的想法，并非业界正在规划的方案。他指出了瓶颈所在：核电池的整个经济效益都取决于同位素的生产和分离成本。
半个世纪前我们就学会了如何将衰变转化为电能，此后并不需要任何根本性的新技术。剩下的就是如何廉价地生产所需的同位素——而这仍然是一个挑战。
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