在蘇州大學的實驗室里,一塊直徑5厘米的圓盤正悄然釋放著能量。當研究人員將錒-227同位素微球嵌入特殊設計的納米結構時,這個看似普通的裝置實現了驚人的能量轉化效率——每克核素每秒產生的電能足以驅動100臺智能手機。這項2024年發表在《自然·能源》的成果,不僅為深空探測提供了長壽命能源,更開啟了放射性廢物資源化利用的新紀元。

傳統核電池的能量轉化效率始終受制于材料特性。放射性同位素衰變釋放的α粒子與物質相互作用時,約99%的能量以熱能形式耗散,僅有不到0.1%轉化為電能。蘇州大學團隊的突破在于創造性地構建了"聚結型能量轉器",通過納米級的熱電材料與輻射屏蔽層的巧妙結合,將衰變能轉化效率提升至80%以上。這種革命性設計如同在微觀世界搭建了能量高速公路,使α粒子的動能直接轉化為載流子的定向運動。

關鍵技術的突破源于材料科學的創新。研究人員開發的碲化鉍-石墨烯異質結材料,其熱電優值(ZT值)達到3.2,是傳統熱電材料的4倍。這種材料的納米層狀結構能有效抑制聲子導熱,同時保持高電子遷移率。在能量轉器內部,錒系核素微球被包裹在中空碳納米管陣列中,形成"點-線-面"三級能量收集網絡,確保α粒子的能量被最大化捕獲。

這種能量轉器的實際應用潛力令人振奮。在火星探測任務中,傳統钚-238核電池的壽命約為14年,而聚結型轉器使用鈾-233作為燃料,半衰期長達16,000年,能為探測器提供持續數千年的電力。更令人矚目的是其微型化特性:一個硬幣大小的轉器即可為心臟起搏器供電50年,徹底解決傳統電池需定期更換的難題。

放射性廢物的資源化利用是另一大亮點。全球現存的200萬噸核廢料中,約10%含有錒系核素。研究團隊通過溶劑萃取技術,從乏燃料中分離出镅-241、鋦-244等同位素,將其轉化為能量轉器的核心材料。這種"變廢為寶"的模式,不僅減少了核廢料的放射性危害,更創造了新的經濟價值。據測算,1噸核廢料中提取的錒系元素可生產10,000個能量轉器,滿足100萬家庭的年用電量。

技術創新的背后是精密的工程設計。能量轉器的輻射屏蔽層采用硼化聚乙烯與鎢合金復合結構,在有效阻擋α粒子的同時,將中子吸收效率提升至98%。智能溫控系統通過珀爾帖效應動態調節工作溫度,確保材料始終處于最佳性能狀態。這種模塊化設計使轉器可根據需求靈活組合,從微型傳感器到兆瓦級發電站均可適配。

盡管取得重大突破,科學家仍在不斷優化技術。最新研發的"量子阱"結構能量轉器,通過量子隧穿效應將轉化效率進一步提升至85%。同時,團隊正在探索利用核廢料中的钚-239作為燃料,這種半衰期24,000年的同位素能提供更持久的能量輸出。在安全性方面,研究人員開發的自限性材料能在輻射泄漏時自動觸發相變,形成物理屏障阻斷危害。

當我們凝視這些在實驗室中閃爍的能量轉器,看到的不僅是科技的奇跡,更是人類對可持續發展的深刻思考。從核廢料到清潔能源,從地球到深空,這項技術的突破正在重塑能源利用的范式。未來,或許每顆衛星都將搭載這樣的"核心臟",每個偏遠村落都能用上清潔的核能電力——這些源自放射性元素的能量,終將為人類文明的進步照亮更遙遠的征程。

來源: 桂粵科普