當(dāng)核能技術(shù)與集成電路在實驗室相遇，會碰撞出怎樣的火花？近日，我國首款超長壽命碳-14核電池“燭龍一號”原型機工程樣機成功問世。該樣機由西北師范大學(xué)與無錫貝塔醫(yī)藥科技有限公司共同研制完成，標(biāo)志著我國在核能技術(shù)領(lǐng)域與微型核電池領(lǐng)域取得重大突破。
“國家多個部門聯(lián)合發(fā)布核技術(shù)及核產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)文件，為我們指明了方向。”西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院副院長蘇茂根向《中國科學(xué)報》介紹，“我們團隊成員在碳化硅換能器件理論計算和核電池工藝設(shè)計方面取得了不錯的進展，但缺少碳-14放射源。”
與此同時，研究團隊了解到無錫貝塔醫(yī)藥科技有限公司是一家擁有碳-14全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的企業(yè)，擁有輻射安全資質(zhì)和專業(yè)的同位素標(biāo)記實驗室，也在開拓碳-14標(biāo)記創(chuàng)新藥之外的應(yīng)用場景。
據(jù)了解，使用碳-14作為放射源，主要因為其安全性高，發(fā)出的β射線能量低，不易穿透皮膚，又不釋放γ射線，降低了防護難度，且碳-14半衰期長達5730年，能提供持續(xù)、穩(wěn)定的能量，適用于微功耗設(shè)備長期供電。綜合來看，碳-14是β輻伏核電池的理想選擇。
“我們研發(fā)的碳化硅換能器件和儲能模塊的設(shè)計方案終于派上了用場。”蘇茂根說。在了解彼此的需求后，雙方一拍即合，技術(shù)與資源的互補讓開發(fā)碳-14核電池的軟硬件條件具備，合作研發(fā)之路就此開啟。
“我們團隊成員各施所長，共同攻克技術(shù)難題。”西北師范大學(xué)副教授曹世權(quán)補充道，“團隊成員主要來自西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，涵蓋核物理、材料科學(xué)、微電子等多個學(xué)科。這是一個充滿活力和創(chuàng)新精神的團隊，大家為了同一個目標(biāo)會聚在一起。”
技術(shù)攻關(guān)亮點頻現(xiàn)
核電池的核心是放射源，其活度和穩(wěn)定性影響性能。而碳-14作為放射源，天然儲量低，需人工制備且標(biāo)記到高含碳量化合物上，整個過程損耗大，保證總收率超90%是降低成本的關(guān)鍵，但技術(shù)難度高。
“無錫貝塔醫(yī)藥科技有限公司歷經(jīng)15年攻關(guān)，已突破高比活度碳-14源標(biāo)記技術(shù)，實現(xiàn)了從碳酸鋇到高含碳量化合物的高效轉(zhuǎn)移，確?？偸章蔬_標(biāo)，為核電池提供了穩(wěn)定、高品質(zhì)的放射源。”蘇茂根說。
解決了放射源的問題，研發(fā)團隊需要構(gòu)建模型，仿真計算核電池性能，預(yù)測功率、效率等指標(biāo)。然而，核電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及多種物理效應(yīng)，精確仿真難度大，理論與實際值差距大。
“理論設(shè)計與評估是研發(fā)的起點，其精度直接決定核電池性能。”蘇茂根介紹說，研發(fā)團隊創(chuàng)新評估方法，結(jié)合數(shù)值模擬與解析建模，精細調(diào)整模型參數(shù)，破解了仿真計算精度難題。經(jīng)過大量優(yōu)化，理論功率與實際值差距縮小至不足20%，為設(shè)計優(yōu)化和性能提升提供了有力指導(dǎo)。
“通過前面的理論設(shè)計和計算，我們的換能器件能將放射源的能量高效轉(zhuǎn)化為電能。”蘇茂根指出，換能器件作為核心組件，需要確保放射源與之完美匹配，以實現(xiàn)最佳的能量轉(zhuǎn)換效果。
為此，研究團隊經(jīng)過3年技術(shù)攻關(guān)，成功掌握了高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的換能器件制備技術(shù)。同時，團隊成功研發(fā)了一種平面布局的封裝技術(shù)。這種技術(shù)不僅能夠有效保護核電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能屏蔽輻射，使其可以在多種復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作。該技術(shù)的突破性進展，使得核電池的性能和安全性得到了顯著提升。
回顧研發(fā)歷程，讓團隊印象深刻的是2024年11月23日，他們第一次成功點亮搭載“燭龍一號”的LED燈。蘇茂根回憶說：“當(dāng)時，雖然準(zhǔn)備工作都做得很充分，但LED燈并沒有如期點亮，大家焦急地檢查各個環(huán)節(jié)，最終發(fā)現(xiàn)是接觸問題。調(diào)整后，燈光亮起的瞬間，整個實驗室都沸騰了，那一刻，所有的努力和付出都得到了回報。”
“燭龍一號”核電池雖然體積小巧，卻有著令人驚嘆的優(yōu)勢。它擁有超長壽命，碳-14的半衰期長達5730年，理論壽命可達數(shù)千年，能在-100℃至200℃的極端溫度環(huán)境下穩(wěn)定工作，適應(yīng)性極強。它還擁有超高能量密度，50年設(shè)計壽命內(nèi)性能衰減率小于5%，支持毫瓦級脈沖放電及能量智能管理。蘇茂根表示：“這款核電池從核心材料研發(fā)到換能器件制造，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。”
目前，“燭龍一號”實現(xiàn)了“從0到1”的關(guān)鍵技術(shù)突破，但還處于工程樣機階段，團隊正專注于進一步優(yōu)化和改進。
未來，研究團隊將進一步開展核電池的小型化和低成本化研究，正在研制的“燭龍二號”將在體積、安全防護和封裝上實現(xiàn)新突破，功率密度有望提高1倍，爭取早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
曹世權(quán)告訴記者：“在產(chǎn)業(yè)化過程中，可能會面臨產(chǎn)能、成本控制以及市場認知度等方面的挑戰(zhàn)，但我們對這款核電池的市場前景充滿信心。我們認為核電池技術(shù)在醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)、極端環(huán)境探測等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。”
責(zé)任編輯： 江曉蓓
標(biāo)簽：燭龍一號
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