核电池概述及展望

核电池具有能量密度高、工作稳定可靠、无需人工干预等优点，在需要长期稳定供电的场合具有独特优势，其中热转换式核电池(RTG)是技术最为成熟且应用最早的一类，而β辐射伏特效应核电池已有商业化案例。目前，在β辐射伏特效应核电池研究中存在着放射源自吸收效应浪费能量、转化效率低、换能器件辐射损伤严重等问题，而对于一个实际的核电池，由于放射源自身不断衰变的属性，导致源的成分及其活度随着时间而发生变化，最终影响核电池的电学性能，其影响程度需要加以深入研究。本文以时间轴的形式对核电池的发展进行了全面回顾，简要介绍多种主流类型核电池的原理和应用范围；对于β辐射伏特效应核电池，指出放射源的自吸收是其中的关键科学问题。对于使用63Ni和TiT₂放射源的核电池，给出了其电学性能随时间变化的规律；指出对于某一特定结构的β辐射伏特效应核电池设计，在前期的模拟优化环节中，精细计算是至关重要的；最后提出了将放射源与换能材料相结合、使用含有较重同位素的换能器件的设想，这些设想有利于解决放射源自吸收问题、提高核电池输出功率和减轻辐射损伤的影响。     

Theoretical Prediction of Diamond Betavoltaic Batteries Performance Using ~(63)Ni

A diamond p–n junction is used to convert the decay energy of ~(63)Ni source into electrical energy. The selfabsorption effect of the ~(63)Ni source, the backscatter process and the transport process of beta particles in diamond materials are studied. Then the theoretical maximum of electrical properties and the energy conversion efficiencies of diamond-~(63)Ni p–n junction batteries are achieved. Finally, a feasible design of p~+p~-n~+junction battery, which has the maximum output power density of 0.42 μW/cm~2 and the optimal device conversion efficiency of 26.8%,is proposed.