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薛偉傑:可用逾10年 核電池前景誘人

【明報專訊】如果有一種電池的儲電量大到可以「終生使用」,一直使用到你的家電遙控器和智能手機退役,也毋須充電或者更換電池,是否很吸引?

事實上,這種電池技術已出現超過60年,只不過以往屬於尖端技術,只應用在小量的太空、海洋、軍事和醫療用途。但現在,有些公司希望將之大舉民用化,除了擴大醫療用途之外,還要進入尋常百姓的家中,在一定程度上,代替鋰電池和乾電池。這就是核電池。

藉放射性元素衰變生電

核電池又稱同位素電池,或者放射同位素電池。簡單來說,核電池內藏了一種放射性元素,後者會自然地衰變,放出電子或中子,變成另一種元素,或者變成相同原子序的另一種同位素(但注意,這當中並沒有原子彈和核裂變電廠的核連鎖反應)。因此,收集那些電子便可以產生電力。又或者,吸收那些中子的熱力,再透過「熱電效應」原理(溫差發電)來產生電力。

由於放射性物質的半衰期(Half Life)(即是有一半衰變所需的時間)普遍都長達數十年至數百年,短者也有20多年,長者更可達數千年(例如碳-14),所以「核電池」產生電力的時間便可以延續非常長時間。

當然,核電池產生的電力大小,既和使用那種放射性物質有關,亦和那種放射性物質的份量有關。隨着那種放射性物質一直衰變,其份量愈來愈少(有部分已經變成其同位素或者另一種元素),產生的電力也會愈來愈少。

但一般來說,核電池都可以設計到為配套的裝置連續供電十多年至數十年。

初期主要用於太空任務

1959年,美國就研製出全世界第一枚核電池。 1961年,美國人造衛星「探險者一號」首次攜帶核電池進入外太空工作。1969年7月底至8月初,美國的「阿波羅11號」太空船成功登陸月球和安全返回地球,就攜帶了兩枚使用鈈-238的核電池。由1970年代起,核電池的應用進一步擴大。其中,美國在阿拉斯加就用作海底傳感系統、無線電中繼站的電源,使用壽命超過10年。

同一時期,當時的蘇聯也發射了幾十枚由核電池提供電力的低軌道衛星,用於海洋偵察,組成了「神話」海天偵測系統,主要任務就是在全球即時追踪和定位美英的航母戰鬥群;美國和法國更嘗試將核電池微型化,以應用在醫學方面。

綜合來說,過去幾十年,核電池主要是應用在太空船、人造衛星、海底無人地震觀察站、海底電纜中繼器、海底聲納導航、海下信標,海面上的航標燈塔、海洋氣象站,以及心臟起搏器等。有說全世界至今已經有數萬個心臟病患者植入了由核電池驅動的心臟起搏器。而心臟起搏器使用的核電池通常都很輕巧,重量一般在40克至100多克,使用壽命大約是15年。

應用已擴至心臟起搏器

而中國大陸的核電池研究和產業化則起步較遲,直到2018年「嫦娥四號」探測器登月,才用上了核電池,在14日的黑夜周期中的月球車和嫦娥探測器就倚靠核電池來供電,保持溫度和地面的通訊。

因此,從心臟起搏器的案例來看,將核電池應用於遙控器、智能手表甚至智能手機等消費電子產品,可行性和安全性都應該相當高,並非天荒夜譚。

現時,美國和英國就有一些公司以此為目標。一方面,這可以減少鋰電池和乾電池的使用量和廢棄問題。另一方面,這些公司亦提出,將核電廠發電之後產生的副產品──放射性核廢料好好利用,製成核電池,這樣便可以同時省回將那些放射性核廢料儲存在地下深處的高昂成本。

其中2019年成立的Nano Diamond Battery(NDB),可說是最高調的業者。該公司聲言,會利用人造鑽石來包裹那些放射性物質,故相當堅固,絕對不會出現洩漏。而年前已經和兩間大學做過一些試驗,來驗證其概念。

該公司計劃在2023年就開始將核電池應用於首批電子產品(最初是說2021年),下一步的目標是要應用於電動車。

不過,核電池的一個主要缺點是,它內裏的放射性物質不能停止衰變。就算暫時關掉智能手機,驅動它的核電池仍然會繼續產生電力,當然同時也會有些熱力。

筆者相信,2023年應用在消費電子產品或許太誇張,監管機構也未必會這麼容易批准。但該公司若願意再投資多幾年,進行更大規模的測試,釋除外界對散熱方面的疑慮,又採用輻射性較低的物質,將核電池應用於消費性電子產品,是有可能的。畢竟,那些電池連封裝才幾十克,內裏的放射性物質其實很少。

但若要應用於電動車,則沒有那麼快,尤其是中高檔電動車的功率和耗電量比人造衛星和登月車還要大得多,核電池若要連續幾年驅動它,體積和重量也不可能小到那裏。

明報記者 薛偉傑

[薛偉傑 科技觀潮]