當核能技術(shù)與集成電路在實(shí)驗室相遇，會(huì )碰撞出怎樣的火花？近日，我國首款超長(cháng)壽命碳-14核電池“燭龍一號”原型機工程樣機成功問(wèn)世。該樣機由西北師范大學(xué)與無(wú)錫貝塔醫藥科技有限公司共同研制完成，標志著(zhù)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(gè)部門(mén)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(cháng)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計方面取得了不錯的進(jìn)展，但缺少碳-14放射源。”
與此同時(shí)，研究團隊了解到無(wú)錫貝塔醫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(zhuān)業(yè)的同位素標記實(shí)驗室，也在開(kāi)拓碳-14標記創(chuàng )新藥之外的應用場(chǎng)景。
據了解，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(xiàn)能量低，不易穿透皮膚，又不釋放γ射線(xiàn)，降低了防護難度，且碳-14半衰期長(cháng)達5730年，能提供持續、穩定的能量，適用于微功耗設備長(cháng)期供電。綜合來(lái)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計方案終于派上了用場(chǎng)。”蘇茂根說(shuō)。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(kāi)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(kāi)啟。
“我們團隊成員各施所長(cháng)，共同攻克技術(shù)難題。”西北師范大學(xué)副教授曹世權補充道，“團隊成員主要來(lái)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(gè)學(xué)科。這是一個(gè)充滿(mǎn)活力和創(chuàng )新精神的團隊，大家為了同一個(gè)目標會(huì )聚在一起。”
技術(shù)攻關(guān)亮點(diǎn)頻現
核電池的核心是放射源，其活度和穩定性影響性能。而碳-14作為放射源，天然儲量低，需人工制備且標記到高含碳量化合物上，整個(gè)過(guò)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(wú)錫貝塔醫藥科技有限公司歷經(jīng)15年攻關(guān)，已突破高比活度碳-14源標記技術(shù)，實(shí)現了從碳酸鋇到高含碳量化合物的高效轉移，確?？偸章蔬_標，為核電池提供了穩定、高品質(zhì)的放射源。”蘇茂根說(shuō)。
解決了放射源的問(wèn)題，研發(fā)團隊需要構建模型，仿真計算核電池性能，預測功率、效率等指標。然而，核電池結構復雜，涉及多種物理效應，精確仿真難度大，理論與實(shí)際值差距大。
“理論設計與評估是研發(fā)的起點(diǎn)，其精度直接決定核電池性能。”蘇茂根介紹說(shuō)，研發(fā)團隊創(chuàng )新評估方法，結合數值模擬與解析建模，精細調整模型參數，破解了仿真計算精度難題。經(jīng)過(guò)大量?jì)?yōu)化，理論功率與實(shí)際值差距縮小至不足20%，為設計優(yōu)化和性能提升提供了有力指導。
“通過(guò)前面的理論設計和計算，我們的換能器件能將放射源的能量高效轉化為電能。”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(shí)現最佳的能量轉換效果。
為此，研究團隊經(jīng)過(guò)3年技術(shù)攻關(guān)，成功掌握了高質(zhì)量、高穩定性的換能器件制備技術(shù)。同時(shí)，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部結構，還能屏蔽輻射，使其可以在多種復雜環(huán)境下穩定工作。該技術(shù)的突破性進(jìn)展，使得核電池的性能和安全性得到了顯著(zhù)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(diǎn)亮搭載“燭龍一號”的LED燈。蘇茂根回憶說(shuō)：“當時(shí)，雖然準備工作都做得很充分，但LED燈并沒(méi)有如期點(diǎn)亮，大家焦急地檢查各個(gè)環(huán)節，最終發(fā)現是接觸問(wèn)題。調整后，燈光亮起的瞬間，整個(gè)實(shí)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(zhù)令人驚嘆的優(yōu)勢。它擁有超長(cháng)壽命，碳-14的半衰期長(cháng)達5730年，理論壽命可達數千年，能在-100℃至200℃的極端溫度環(huán)境下穩定工作，適應性極強。它還擁有超高能量密度，50年設計壽命內性能衰減率小于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。”
目前，“燭龍一號”實(shí)現了“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(zhuān)注于進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。
未來(lái)，研究團隊將進(jìn)一步開(kāi)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(shí)現新突破，功率密度有望提高1倍，爭取早日實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。
曹世權告訴記者：“在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，可能會(huì )面臨產(chǎn)能、成本控制以及市場(chǎng)認知度等方面的挑戰，但我們對這款核電池的市場(chǎng)前景充滿(mǎn)信心。我們認為核電池技術(shù)在醫療、物聯(lián)網(wǎng)、極端環(huán)境探測等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。”
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