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蘇州大學實現微型核電池轉換效率近8000倍提升
2024年10月14日 15:04:32
來源：化工儀器網 點擊量：6010
研究人員提出了一種基于“內置能量轉換器”的錒系微型核電池結構設計理念，通過將錒系元素與發光鑭系元素的分子層級耦合，實現了放射性核素衰變能到光能轉換效率近8000倍的提升
【化工儀器網 項目成果】微型核電池是一種利用放射性同位素衰變能轉換為電能的裝置，特別適用于傳統電池難以勝任或面臨挑戰的應用場景，如遙感設備、醫療植入物和太空探索等領域。放射性同位素衰變不受外界環境如溫度、壓力和磁場的影響，因此微型核電池能夠提供持久且可靠的能源。然而，傳統微型核電池構型中存在嚴重的自吸收效應，阻礙了高效的能量轉換，尤其是針對具有超長半衰期和高達兆電子伏特α衰變能的錒系核素。
蘇州大學放射醫學與輻射防護國家重點實驗室教授王殳凹、王亞星團隊聯合蘇州大學納米科學技術學院、西安高新技術研究所、西北核技術研究所、湘潭大學等研究人員提出了一種基于“內置能量轉換器”的錒系微型核電池結構設計理念，通過將錒系元素與發光鑭系元素的分子層級耦合，實現了放射性核素衰變能到光能轉換效率近8000倍的提升，并組裝了目前已知效率最高的輻光伏核電池。
研究團隊提出了一種基于“內置能量轉換器”的錒系微型核電池架構，即通過錒系元素與發光鑭系元素的分子層級耦合，構建一個內置的能量轉換器。這一創新設計通過將錒系核素243Am摻雜到發光鑭系(Tb3+)元素配位聚合物中，實現了放射性核素與能量轉換單元的緊密耦合，從而顯著提高了能量轉換效率。
實驗結果顯示，在僅使用不到10 µCi的243Am情況下，內置能量轉換器中觀測到了錒系核素內輻照誘導的自發光現象。進一步的研究表明，從衰變能到自發光的能量轉化效率比傳統結構提高了近8000倍。通過將這一內置能量轉換器與光伏電池相結合，成功將自發光轉化為電力輸出，得到了一種新型微型輻光伏核電池。
這種新型核電池的總能量轉換效率達到了文獻報道最高的0.889%，單位活度功率為139μW?Ci-1，遠遠優于之前的設計。這一成果不僅展示了高效能量轉換的可能性，也為錒系核素在非核燃料循環領域的資源化利用提供了新的研究方向。此外，這一成果還為核廢料的資源化利用開辟了新途徑。核廢料中的錒系核素是長期放射性的主要源頭，通過將其轉化為微型核電池中的能源，不僅減少了放射性廢物的處理壓力，還實現了廢物的有效利用。
相關研究成果Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer于近日發表在國際期刊《自然》(nature)。
參考資料來源：中國科學報
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