許多人覺得“核電池”是個神奇的東西，一方面它是由核能驅動，看起來高大上；另一方面有人聲稱這種電池可以使用“一萬年”，似乎用了核電池，電能便取之不盡用之不竭了。事實果真如此嗎？

核電池真的有放射性

“核電池”本名叫“放射性同位素熱電發生器”，英文名稱“radioisotope thermoelectric generator”，因此它有一個簡稱“RTG”。從這個名字我們可以大致理解：所謂的“核電池”實際上是利用了放射性同位素在衰變過程中產生熱能，再利用熱能進行發電的一種設備。它與我們傳統意義上的核電站發電實際是兩回事。

大多數的RTG需要用到一種放射性元素鈈。眾所周知，鈈是一種很危險的物質，許多原子彈就是用鈈製造的。原子彈大致分為鈾彈和鈈彈，鈈比鈾還厲害，通常鈾彈的核裝藥在15~25千克，而用鈈只需要5~10千克就能引爆了。美國當初就是用了一顆鈾彈炸了廣島，用一枚鈈彈炸了長崎。

左側為廣島鈾彈，右側為長崎上空的鈈彈蘑菇雲

好在核電池中用的鈈與原子彈的鈈不是一回事，原子彈的鈈是鈈-239（239Pu），而大部分RTG則使用鈈的另一種同位素鈈-238（238Pu），它比前者的原子核中少一箇中子。這很重要，它意味著核電池中的鈈不可能發生爆炸，它只會慢慢地衰變成鈾-234（234U），這是一種相對安全的產物。

鈈-238的α衰變釋放一個氦-4核

鈈-238在衰變的過程中會釋放出一個氦-4原子核（α粒子），因此鈈-238的衰變又被稱為α衰變。α粒子比較大，它的速度也不快，因此很容易受到阻擋，你只需要一張紙就能擋住它。

每個α粒子在被髮射出原子核的時候攜帶了5.593MeV（兆電子伏特，相當於8.96×10^-13焦耳）的動能，當α粒子在材料中受阻減速時，這個動能會迅速轉化為熱能釋放出來。據測算，每克238Pu在衰變的過程中自發產生的熱量可以產生0.568W的電能。

一顆炙熱的鈈-238核

核電池用熱發電

通過前一節的分析我們可以看出，鈈-238有放射性，它在衰變的過程中產生α粒子，α粒子的動能轉變為熱能，使鈈-238變得炙熱。但在這個過程中並沒有自由電子釋放出來，核電池到底是怎麼發電的呢？

這裡需要提到另一個概念：熱電效應。

熱可以產生電。準確地說，在一定條件下溫度差可以產生電流。核電池就是利用熱電效應來發電的。

將幾段銅絲與鐵絲間隔連接在一起組成迴路，當你加熱它時，迴路中會產生電流。這是因為不同的金屬中自由電子運動的能級不同，受熱時它會產生電勢差，進而在迴路中形成電流。這就是熱電效應中的塞貝克效應。

塞貝克效應

在我們身邊有許多利用熱電效應制作傳感器的例子，比如我們每天使用的燃氣灶中間的熄火傳感器。火焰燃燒時，傳感器產生電流，而當火焰意外熄滅，電流消失，燃氣灶閥門會關閉。

熱電偶熄火傳感器

核電池就是利用鈈-238的衰變熱能加熱電路，從而產生穩定輸出的電能。

核電池的應用

迄今為止核電池最主要應用於太空探測領域。幾十年前，人們曾試圖將它安裝在心臟起搏器裡，後來放棄了。

美國和前蘇聯曾經大量使用核電池為航天器供電，主要的原因並不是它“可以使用一萬年”，而是它不受太陽光照的影響，可以維持長時間穩定的電能供應。

說起衛星和其它航天器，我們自然會想到太陽能電池，因為太陽光取之不盡用之不竭。但太陽能電池的缺點也很明顯：需要持續穩定的太陽光照做保證，當航天器飛得太遠，或是背對太陽的地方，太陽能電池就失去了作用。而核電池就不存在這方面的問題。

朱諾探測器巨大的太陽能帆板

1977年，NASA實施太陽系深空探測計劃，先後發射了“旅行者1號”和“旅行者2號”兩個探測器，其使命是飛到太陽系的邊緣開展科學探測任務。鑑於遠離太陽的深空光線暗淡且極度寒冷，科學家們在旅行者探測器上分別安裝了3個放射性同位素熱電發生器（RTG）。同時RTG在工作時會產生很高的溫度，它們被固定在探測器的一個旋臂上，以免對其它傳感器造成不良影響。

旅行者1號上安裝的核電池及內部結構

不僅是“旅行者”，美國還在Pioneer 10，Pioneer 11，Galileo，Ulysses，Cassini，New Horizo​​ns、火星科學實驗室、好奇號火星車，以及阿波羅12~17號中都使用過核電池來進行供電。美國宇航員將被動地震實驗儀（PSE），太陽風光譜儀（SWS）和月球表面磁力計（LSM）安裝到月球表面，為了給這些探測設備持續供電，NASA為其配備了一個專門的核電池。

阿波羅12號宇航員安裝探測設備，黃箭頭所指黑色物體為核電池

從另一張圖中可以更清晰地看到核電池：阿波羅12號的宇航員正在將RTG從飛船上取出，準備安裝到地面的核電池散熱器中。這是因為核電池持續釋放熱能，因此需要通過輻射將多餘的熱釋放出去。

阿波羅12號宇航員正在安裝核電池

好奇號火星車沒有安裝太陽能電池，它同樣依靠一個RTG供電，因此無論是火星的白天還是黑夜，好奇號都能在寒冷的火星表面開展探測任務。

好奇號尾部白色散熱器包裹著的RTG

核電池的壽命

核電池真的如傳說中的那樣，可以使用一萬年嗎？很遺憾，並不能。它的壽命由RTG的工作原理決定的。

鈈-238是放射性同位素，它的半衰期是87.7年，也就是說，任何一顆由鈈-238供熱的核電池，87年半後就有一半的鈈-238衰變成了鈾-234，再過87.7年剩下的一半中又有一半發生衰變，雖然它還在發熱，但熱能再也不足以發出足夠的電流了，這顆核電池已經基本廢掉了。

也就是說，對於航天器而言，它攜帶的核電池頂多只夠用100年。當然，這已經足夠久，航天器上其它絕大部分的傳感器支撐不了這麼長的時間。

核電池在其它領域的用途

儘管用不了一萬年，但核電池依然是壽命最長的電池，它可以在不充電（也不可能充電）的情況下使用近100年，因此它曾經被用於心臟起搏器供電電池。只是出於擔心患者死亡後被不小心火化造成放射性汙染，心臟起搏器的核電池只生產了100個就沒有繼續。

核電池曾用於心臟起搏器

核電池的民用障礙不僅緣於對核輻射的擔心，還由於它太貴。無論是鈈-238，還是其它放射性同位素的生產都需要用到極尖端的技術，因此成本太高，從商業角度出發它不具有性價比，因此核電池一直沒有在民用上有所突破。

總結：

核電池與傳統意義上的核發電不同，它並非利用核中子裂變或聚變反應產生熱能發電，而是利用放射性同位素α衰變產生熱能、再利用熱電效應來產生穩定電流。

目前可用的放射性材料的半衰期有限，最常用的鈈-238的半衰期為87.7年，因此核電池不可能使用1萬年，大約100年後它就基本失效了。

RTG解剖圖

核電池存在放射性風險，加之製造成本高昂，因此不適合民用。在可預見的將來，RTG依然只會在航天領域發揮作用。