拉斯维加斯官网com|全球核电池技术进展初探

发布时间:2020-12-07    来源:拉斯维加斯官网com首页进入 nbsp;   浏览:90148次

【拉斯维加斯官网com首页进入】自1913年以来,核电池吸引了越来越多的研究人员的兴趣。目前,潜在的核电池有热离子、热光电、必要电荷收集、热离子、闪光中间体、伏打和伏打等。

近40年来,主流的核电池技术是放射性同位素热电发电机(RTG),它通过Seebeck效应将放射性元素裂变产生的热量转化为电能。目前,RTG已被广泛用于深空探测场景,并已成为评估其他核电池性能的标尺。

目前,制约RTG应用的两个主要因素是开关效率低和体积大。RTG只有大约6%的转换效率,所以它的成品需要有相当的质量和低能量密度。为了使核电池在小型设备中发挥优势,研究人员希望使核电池小型化,提高电池开关效率。

1.根据放射性同位素电池的能量转换效率和输出功率,对核电池技术的研究进展进行了分类。目前放射性同位素电池可分为热电型和电磁辐射福特效应型。

1.热电同位素电池热电同位素电池通过放射性同位素裂变,或基于塞贝克效应、热光子/光子提离效应等,切换必要的收集辐射。通过传感器装置转换成电能。

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目前,热电同位素电池的开关效率较低,主要是由于传统材料的热电值低、热漏高等因素。随着新型热电材料的发展,电池结构得到了改善,未来热电电池的性能也将得到提高。

TariqR。弗吉尼亚理工大学机械工程系的Alam等人[1]为Penelope开发了蒙特卡罗源模型,研究不同的氚金属化合物,从而更好地设计贝塔伏打电池的放射性同位素源。在源模型中考虑了射线在源中的自吸收,估算了不同源厚度下的平均射线能量、射线起伏、源功率输入和源效率。

实验结果验证了氚化钛和粒子以90角分布的模拟结果。分析了发射后各向同性粒子衍射效应的重要性。

结果表明,归一化平均射线能量随着源厚度的减小而减小,并根据源的密度和净活度超过峰值能量。随着光源厚度的减小,射线通量和输入功率也随之减小。

然而,由于自吸收效应,在较高的厚度下,由于源效率明显降低,射线通量和功率输入的增量减少似乎大于此,从而超过饱和阈值。低密度源材料,如氚化铍,获得更高的功率输入和更高的效率。

碳化硅(SiC)和氚将铍简化为材料,器件达到4 MW/cm3左右,仅次于功率输入。他们使用形状因子方法来获得射线峰值处的最佳源厚度。

华侨大学毕宏林等人对热离子——热电混合发电模块进行了优化研究。他们首先利用非平衡热力学理论制作了热离子——半导体热电提离电池模块,并用其输出功率、开关效率、模块功函数、电流密度、电流和阻抗计算了优化范围,构建了能源梯级利用。

英国剑桥大学的Arias等人研究了通过静电感应提高同位素热源功率的方法。他们明确提出并生产了一种基于静电感应的同位素强化装置,在射线的阳光照射下需要增加10%的输出功率。该装置可用于同位素电池应用,如加热和空间探索。2.电磁辐射伏特效应电池电磁辐射伏特效应同位素电池的工作原理是利用放射性同位素裂变所接收到的辐射太阳光半导体材料。

半导体产生大量电子——空穴对,被电场隔开,终端外部电路构建电能输入。 因此,具有电磁辐射伏特效应的同位素电池将在未来小型化,并在集成电路和微机电系统领域有潜在的应用。南京大学的张刚金等人[4]制作了两种基于射线、pn型AlGaInP半导体和硫化锌:铜荧光材料的四层核电池。

一种是体积为1.00cm3的4层无线电波电池(FRVB),另一种是体积为1.03cm3的4层双效核电池(FDEB),两种电池的输入性能水平均采用X射线管电离辐射测量。结果表明,并联电池组的输出功率明显小于串联电池组。而FDEB的输出功率和功率密度分别为57.26nW和55.59 NW/cm3,比并行FRVB低5倍。

根据实际需要,FDEB的每个子单元以不同的方式连接。获得不同的输入电流和电压,但输出功率没有差异。

他们还使用MCNP5模拟了在FDEB中AlGaInP或ZnS: Cu层的x射线能量沉积。结果表明,荧光层中少量的能量沉积可以明显改善核细胞的电输入性能。

多层双效切换机制可以提高核电池的电输入性能。俄罗斯超硬与新碳材料技术研究所的V. S. Bormashov等人[5]基于肖特基势垒制作了一个具有200个金刚石二极管的贝塔伏打同位素电池。电池被24%的镍(63Ni)放射性同位素冲洗掉。在5 mm 5 mm 3.5 mm的总体积中,获得约0.93 W,仅次于电输出功率。

首先,他们利用离子束辅助剥离技术获得了一个厚度与63Ni同位素提升的粒子的特征击穿长度非常相似的开关单元。在生产结构的机械强度和工艺可靠性不允许的情况下,他们获得了15 m的厚度。通过在扫描电子显微镜下测量电子束电离辐射的IV曲线以获得金刚石开关单元的性能,他们发现从高温高压(HPHT)金刚石基质中分离如此厚的转化为细胞的牺牲层不会导致器件的电荷收集效率显著降低。

电池输入功率密度超过10 W/cm3,是基于63Ni放射性同位素电池的最低值。63Ni同位素的长半衰期产生的比能约为3300 MWh/g,已经超过了商用化学电池的能力。哈尔滨工业大学的本健六等人[6]制作了金刚石肖特基势核电池(DSAB),并进行了粒子涨落实验。

该器件是通过化学气相沉积法在掺硼HPHT金刚石上外延生长氧原子封端的本征金刚石而制成的。在电离辐射为8.85 Ci/cm2、开路电压为1.13 V、短路电流为53.4pA的低活度源下,电池的总开关效率超过0.83%。

与硅和碳化硅二极管相比,DSAB二极管具有更好的开路电压和短路电流稳定性,这意味着DSAB有潜力构建更高、更稳定的开关效率。西北工业大学乔等以63Ni为放射源,4H-SiC为半导体,设计了基于微机电系统的肖特基-伏特同位素电池。他们得出,在0.27伏开路电压下,短路电流密度为25.57纳/平方厘米,仅次于超过4.08纳/平方厘米的输入功率密度。

随着第三代半导体的蓬勃发展,具有电磁辐射的福特效应电池的输入性能得到了极大的提升。中国科学院苏州纳米技术研究所的陆等人研制出了基于氮化镓材料的电磁辐射福特效应电池。

当电池开路电压为0.1 V时,短路电流密度为1.2 Na/cm2。Chandrashekhar等人【9】首次制作了基于SiC的福特效应电池。:拉斯维加斯官网com首页进入。

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