蘇州大學(xué)實現(xiàn)微型核電池轉(zhuǎn)換效率近8000倍提升
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】微型核電池是一種利用放射性同位素衰變能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，特別適用于傳統(tǒng)電池難以勝任或面臨挑戰(zhàn)的應(yīng)用場景，如遙感設(shè)備、醫(yī)療植入物和太空探索等領(lǐng)域。放射性同位素衰變不受外界環(huán)境如溫度、壓力和磁場的影響，因此微型核電池能夠提供持久且可靠的能源。然而，傳統(tǒng)微型核電池構(gòu)型中存在嚴(yán)重的自吸收效應(yīng)，阻礙了高效的能量轉(zhuǎn)換，尤其是針對具有超長半衰期和高達(dá)兆電子伏特α衰變能的錒系核素。
蘇州大學(xué)放射醫(yī)學(xué)與輻射防護(hù)國家重點實驗室教授王殳凹、王亞星團(tuán)隊聯(lián)合蘇州大學(xué)納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院、西安高新技術(shù)研究所、西北核技術(shù)研究所、湘潭大學(xué)等研究人員提出了一種基于“內(nèi)置能量轉(zhuǎn)換器”的錒系微型核電池結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，通過將錒系元素與發(fā)光鑭系元素的分子層級耦合，實現(xiàn)了放射性核素衰變能到光能轉(zhuǎn)換效率近8000倍的提升，并組裝了目前已知效率最高的輻光伏核電池。
研究團(tuán)隊提出了一種基于“內(nèi)置能量轉(zhuǎn)換器”的錒系微型核電池架構(gòu)，即通過錒系元素與發(fā)光鑭系元素的分子層級耦合，構(gòu)建一個內(nèi)置的能量轉(zhuǎn)換器。這一創(chuàng)新設(shè)計通過將錒系核素243Am摻雜到發(fā)光鑭系(Tb3+)元素配位聚合物中，實現(xiàn)了放射性核素與能量轉(zhuǎn)換單元的緊密耦合，從而顯著提高了能量轉(zhuǎn)換效率。
實驗結(jié)果顯示，在僅使用不到10 µCi的243Am情況下，內(nèi)置能量轉(zhuǎn)換器中觀測到了錒系核素內(nèi)輻照誘導(dǎo)的自發(fā)光現(xiàn)象。進(jìn)一步的研究表明，從衰變能到自發(fā)光的能量轉(zhuǎn)化效率比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了近8000倍。通過將這一內(nèi)置能量轉(zhuǎn)換器與光伏電池相結(jié)合，成功將自發(fā)光轉(zhuǎn)化為電力輸出，得到了一種新型微型輻光伏核電池。
這種新型核電池的總能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了文獻(xiàn)報道最高的0.889%，單位活度功率為139μW?Ci-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于之前的設(shè)計。這一成果不僅展示了高效能量轉(zhuǎn)換的可能性，也為錒系核素在非核燃料循環(huán)領(lǐng)域的資源化利用提供了新的研究方向。此外，這一成果還為核廢料的資源化利用開辟了新途徑。核廢料中的錒系核素是長期放射性的主要源頭，通過將其轉(zhuǎn)化為微型核電池中的能源，不僅減少了放射性廢物的處理壓力，還實現(xiàn)了廢物的有效利用。
相關(guān)研究成果Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer于近日發(fā)表在國際期刊《自然》(nature)。
參考資料來源：中國科學(xué)報
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