幾天前寫了一篇文章介紹放射性同位素熱電發生器（RTG），它也被稱為“核電池”。許多朋友紛紛表示希望也擁有一塊這樣的核電池，或是裝在電動汽車上，或是裝進手機裡，這樣就可以無限續航，再也不必為充電煩神了。

這是一個十分美好的願望

人人都渴望一塊超級無敵的電池，或者說是無窮的能量，像太陽那樣燒不完用不盡，想幹啥就能幹啥。這確實是很爽的事情。

充電對許多人來說是件頭疼的事

記得70年代時，一院子的老老小小圍坐在18寸黑白電視機旁看日本動畫片《鐵臂阿童木》（當時是黑白版的），小機器人阿童木有帥酷的髮型，還有“十萬馬力”和“七大神力”。哪七大神力不記得了，對“十萬馬力”倒是印象深刻，因為1馬力=735瓦特，十萬馬力的功率就是73.5兆瓦了，這是非常大的功率，推動萬噸大驅飆到30節完全不是問題。

後來看美國的《超人》，他沒裝電池，之所以能在天上飛來飛去甚至能把地球推著倒轉，全因為他是外星超人，所以作為地球人我無力吐槽。後來的後來，《終結者》和《鋼鐵俠》胸前那一塊超級無敵的核電池也是令人無比神往。印象中與核電池有關的電影還有一些，這裡就不一一例舉了。

鋼鐵俠有一顆強勁的“芯”

這樣的電池，未來會有嗎？也許會有。但從目前已知的科學理論看，它們不科學，所以在可預見的將來不會有。

核聚變與核裂變

我們周圍的物質由原子構成，原子是構成物質的基本單位，這些原子大多是穩定的。

但是有些原子因為其原子核內部質子數量與中子數量不平衡而發生變化，中子與質子之間相互轉化從而演變為另一種物質，在這個過程中原子核會向外釋放粒子和能量，這就是核裂變。

而在溫度極高、壓力極大的環境下，某些原子核也會被壓在一起形成一個更大的原子核，由於原子核內部力的改變，它也會向外釋放出粒子和能量，這被稱為核聚變。核聚變通常發生於恆星內部或超新星爆炸時，比如太陽的核心裡時刻都在將氫轉化成氦，同時向外釋放粒子和能量。

太陽中心高溫高壓促成核聚變

很顯然，核聚變技術無法用到電池上，因為在地球上無法模擬恆星內部環境，更不可能在移動的狀態下給核聚變材料施加極高的能量讓它達到1億度以上的聚變溫度。而核電站所採用的裂變原料因為存在致命的核輻射風險，它很難做到小型化，自然也就談不上做成電池了。

人類正在建造一個龐大的託卡馬克核聚變實驗裝置

核電池的未來在α和β衰變

目前唯一可能用於電池技術的是原子核的α和β衰變。α衰變是許多質量數大於200的原子核向外釋放一個α粒子（氦-4原子核），使自己的質量數減少4，從而衰變成另一種物質。β衰變也是一種放射性衰變，當原子核內部質子數與中子數量不平衡時，它們會向平衡狀態轉換並向外釋放一個高能β粒子（電子或正電子）。

α衰變發射一個α粒子和能量

α粒子對人體沒有傷害，它之所以安全是因為α粒子比較大，一張薄紙就能阻擋它，並且它也無法穿透人體皮膚最外層的死皮層。這並不表示我們可以放心觸摸放射源，因為它也有可能會同時釋放一些β射線粒子。

β粒子的穿透力比阿爾法粒子強100倍，它可以穿透我們的皮膚，並且有可能導致DNA發生突變，不過我們拿一張薄的鋁板就能阻擋它。β+粒子（正電子）被釋放出來後會立刻與它附近的電子發生湮滅產生γ射線光子，伽馬射線具有極強的穿透力並且是致命的。

α和β粒子的穿透力都很弱

α粒子和β粒子都是放射源在其衰變過程中自發產生的，它們產生的過程連續且穩定，並且這些粒子在釋放的過程中都攜帶能量。與此同時，α粒子和β粒子因其攜帶的能量相對較低，它們很容易被阻擋，從而避免輻射洩漏，因此可以最大限度地保證人員安全，這為我們將其製成核電池打下了理論基礎。

核電池的發電原理

阿爾法粒子的能量在一定程度上取決於發射過程的半衰期，大多數α粒子的能量在3~7MeV（兆電子伏特）之間，典型動能為5MeV，速度為15000 km/s，是光速的5％。這比其他任何普通類型的輻射（β粒子，中子等）都高。但由於電荷和質量大，α粒子很容易被物質吸收，它們只能在空氣中傳播幾釐米。事實上絕大多數的α粒子的能量包括母核後坐力（α後坐力）的能量在放射性材料內部就被吸收並轉化為熱能，所以α衰變更多地表現為熱能釋放。我們可以將這些熱能通過熱電效應或其它方法轉換為電能輸出，這就是我在之前文章中介紹的放射性同位素熱電發生器（RTG）。

“新視野”號上的RTG

與其它大多數核動力源採用熱量發電不同，β輻射本身產生的就是高能量電子，因此理論上我們可以直接使用這些電子來產生電能。

儘管β粒子在被髮射出來時的速度接近光速，但由於電子本身的質量較低，所以它所能攜帶的能量也較小，一般在幾KeV到1MeV之間，因此電子也跑不遠，一個能量為0.5MeV的β粒子在空氣中的射程約為1米。同時這些電子是向各個方向發射的，它並不能直接形成電流。

將β輻射轉化為電流通常需要讓β粒子去轟擊半導體，在半導體中形成電子-空穴對，從而在電路中形成電勢差。這種裝置被稱為貝塔伏特電池（Betavoltaic設備）。

魚與熊掌不可兼得，功率與續航的矛盾難解

RTG已經在航天領域得到了廣泛應用，但貝塔伏特電池至今還處於理論研究階段，沒有產品被製造出來。至少有一點可以肯定，這兩類電源都只著眼於長壽命，它們都無法做到強輸出。

這是為什麼呢？

關注手機電池或電動車電池的朋友大多知道一個名詞叫“能量密度”，也就是單位質量（或體積）內所儲存總能量的大小。也就是說在一定空間或質量的物質中，它所包含的能量是有限的。

電池的性能與能量密度有關

同時我們需要注意的一點是，能量密度不代表其輸出有效能量之和。從質能等價的角度來說，根據愛因斯坦質能等效方程E=mc²，任何物體都擁有極其巨大的能量，但這些能量中到底能有多少轉化輸出，變成為我們所用的電能，這取決於我們為其提供的條件。一千克的氘，如果你不給它加壓並且升高到幾億攝氏度，它永遠只是一千克的氘，不會產生核聚變，也永遠不會產生熱量來發電。

α輻射和β輻射因其相對較高的安全性成為未來核電池的首選，但這兩類核材料的能量密度是固定的，它們釋放粒子的速度取決於不同材料固有的半衰期。於是那些相對安全、更便宜、更易獲取並且半衰期更長的放射性材料自然成為我們製作核電池的首選，這同時意味著核電池可以使用很長時間，但它們的輸出功率極低。它不能驅動阿童木飛越天空和海洋，也無法使鋼鐵俠擁有神奇的力量。

而驅動手機，讓你不再為續航操心，或許是一個可以期待的未來。

“鑽石核電池”更多是一個噱頭

你或許聽說過“鑽石核電池”，這在前兩年曾風靡一時。2017年2月，英格蘭布里斯托大學卡博特研究所的材料工程學教授湯姆·斯科特（Tom Scott）在世界經濟論壇發表演講，說他們打算將英國儲存的大量核廢料中的石墨轉化為人造鑽石，再用這些鑽石發射的β粒子來發電。

“鑽石電池”

核能電池、至少5000年甚至萬年的續航、高大上的鑽石，將這些概念與世界經濟論壇捏合在一起，自然形成了一次病毒式營銷的絕佳話題。這個話題經過各個媒體的放大，衍生出各種神奇版本和無數不切實際的幻想，以至於使人們忘記了它現在只是一個大膽想法，距離變成現實還有漫長的路需要走。

利用β粒子發電的研究自1970年代就已經開始了，到目前為止，我們只聽說有機構用放射性鎳-63製作了一個模型，它的測量電壓為1.9V，在100年的半衰期裡理論上可以產生總共4.4度電。

將放射性碳-14製成“鑽石電池”可以做到更好嗎？按照湯姆·斯科特教授的說法，他需要先從英國現在儲存的9.5萬噸放射性石墨塊的表面將碳-14刮下來，這些核石墨原先是在核反應堆裡用作中子減速劑使用的。將石墨刮下來後還需要進行篩選，因為其中僅有很小一部分是有用的放射性碳-14，然後人們需要對其施加高溫高壓，直到將其壓制成堅硬的人造鑽石。這還不算完，科學家還需要在這塊放射性鑽石的外面再覆蓋一層普通石墨，然後再一次將其壓制成鑽石外殼。

將石墨壓成鑽石並不是很容易的過程

整個“鑽石核電池”製作過程需要消耗多少資金和多少能源？斯科特教授沒有說，他只聲稱用鑽石包裹的核鑽石電池“輻射比香蕉還低”、“沒有活動部件，沒有維護，也沒有排放，只有直接發電。而且由於鑽石是人類已知的最硬的物質，因此沒有其他材料可以輕易地為放射性碳14提供更多保護。”

如此強大的鑽石電池可以產生大約2V的電壓，理論上每克每天可以產生15焦耳的電能，大約是同樣重量AA堿性電池的2%，它的好處是可以使用5730年（碳-14的半衰期），總共約產生“數百萬焦耳的能量”（這是教授的原話）。

我們有多少設備可以使用5000年並且需要使用5000年？這也是一個問題，反正手機和汽車肯定用不了這麼久。

“旅行者”號將在太空遊蕩萬年，它需要一顆長壽命的電池

總結：

人們永遠不會滿足，大家總在追求更強大的電能、更長的續航和更低的使用成本。科學家們也永遠沒有停止他們追求真理的步伐，他們也在努力實現著人類的夢想。

儘管我們對科學有這樣那樣的幻想，但科學始終是科學。我們需要幻想，同時也需要遵循科學規律來做事情，這樣才能成功。

從安全性的角度出發，核電池利用了放射性物質在發射α和β粒子的同時持續釋放能量的原理，通過將核衰變過程中所釋放的能量轉化為電能來為設備提供能源。

根據放射性物質半衰期的不同，核電池可以有幾十年甚至數千年的長續航，相應地，它們的功率大多很低。因為從理論上大功率與長續航是一對矛盾，二者不可兼得。

“鑽石核電池”目前尚處於理論研究階段，它的優點是可以提供持續數千年的電能供應，缺點是功率輸出低、製造工藝複雜且耗能巨大，並不是未來民用電池的首選。

在可預見的未來，核電池不會出現在汽車上