當(dāng)核能技術(shù)與集成電路在實(shí)驗(yàn)室相遇，會(huì)碰撞出怎樣的火花？近日，我國(guó)首款超長(zhǎng)壽命碳-14核電池“燭龍一號(hào)”原型機(jī)工程樣機(jī)成功問世，由西北師范大學(xué)與無錫貝塔醫(yī)藥科技有限公司共同研制完成。這標(biāo)志著我國(guó)在核能技術(shù)領(lǐng)域與微型核電池領(lǐng)域取得重大突破。
“燭龍一號(hào)”整體外觀。西北師范大學(xué)供圖。
契合需求，校企攜手踏上研發(fā)征程
“國(guó)家多個(gè)部門聯(lián)合發(fā)布核技術(shù)及核產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)戰(zhàn)略性文件，為我們指明了方向。”西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院副院長(zhǎng)蘇茂根介紹道，“我們團(tuán)隊(duì)成員在碳化硅換能器件理論計(jì)算和核電池工藝設(shè)計(jì)方面取得不錯(cuò)進(jìn)展，但缺少碳-14放射源。”
此時(shí)，了解到無錫貝塔醫(yī)藥科技有限公司是國(guó)內(nèi)乃至全球唯一擁有碳-14全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的企業(yè)，擁有輻射安全資質(zhì)和專業(yè)的同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)室，也在開拓碳-14標(biāo)記創(chuàng)新藥之外的應(yīng)用場(chǎng)景。
據(jù)了解，使用碳-14作為放射源，主要因?yàn)槠浒踩愿撸l(fā)出的β射線能量低，不易穿透皮膚，且不釋放γ射線，降低了防護(hù)難度，且碳-14半衰期長(zhǎng)達(dá)5730年，能提供持續(xù)穩(wěn)定的能量，適用于微功耗設(shè)備長(zhǎng)期供電。綜合來看，碳-14是β輻伏核電池的理想選擇。
“我們研發(fā)的碳化硅換能器件和儲(chǔ)能模塊的設(shè)計(jì)方案終于派上了用場(chǎng)。”了解到對(duì)方的需求后，雙方一拍即合，技術(shù)與資源的互補(bǔ)讓開發(fā)碳-14核電池的軟硬件條件齊備，就此開展了合作研發(fā)之路。
“我們團(tuán)隊(duì)成員各展所長(zhǎng)，共同攻克技術(shù)難題。”曹世權(quán)副教授補(bǔ)充道，“團(tuán)隊(duì)成員主要來自西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，涵蓋核物理、材料科學(xué)、微電子等多個(gè)學(xué)科。這是一支充滿活力和創(chuàng)新精神的團(tuán)隊(duì)，大家為了同一個(gè)目標(biāo)匯聚在一起。”
研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行試驗(yàn)。西北師范大學(xué)供圖。
攻堅(jiān)克難，研發(fā)之路亮點(diǎn)頻現(xiàn)
核電池的核心是放射源，其活度和穩(wěn)定性影響性能。而碳-14作為放射源，天然儲(chǔ)量低，需人工制備且標(biāo)記到高含碳量化合物上，整個(gè)過程損耗大，保證總收率超90%是降低成本的關(guān)鍵，但技術(shù)難度高。
“無錫貝塔醫(yī)藥科技有限公司歷經(jīng)15年攻關(guān)，早已突破高比活度碳-14源標(biāo)記技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從碳酸鋇到高含碳量化合物的高效轉(zhuǎn)移，確保總收率達(dá)標(biāo)，為核電池提供穩(wěn)定高品質(zhì)的放射源。”蘇茂根說。
解決完放射源的問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要構(gòu)建模型，仿真計(jì)算核電池性能，預(yù)測(cè)功率、效率等指標(biāo)。然而，核電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及多種物理效應(yīng)，精確仿真難度大，理論與實(shí)際值差距大。
“理論設(shè)計(jì)與評(píng)估是研發(fā)的起點(diǎn)，其精度直接決定核電池性能。”研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新評(píng)估方法，結(jié)合數(shù)值模擬與解析建模，精細(xì)調(diào)整模型參數(shù)，突破了仿真計(jì)算精度難題。經(jīng)過大量?jī)?yōu)化，理論功率與實(shí)際值差距縮小至不足20%，為設(shè)計(jì)優(yōu)化和性能提升提供有力指導(dǎo)。
“通過前面的理論設(shè)計(jì)和計(jì)算，我們的換能器件能高效將放射源的能量高效轉(zhuǎn)化為電能。”蘇茂根強(qiáng)調(diào)，換能器件作為核心組件，需要確保放射源與換能器件的完美匹配，以實(shí)現(xiàn)最佳的能量轉(zhuǎn)換效果。
為此，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過3年技術(shù)攻關(guān)，成功掌握了高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的換能器件制備技術(shù)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一種平面布局的封裝技術(shù)。這種技術(shù)不僅能夠有效保護(hù)核電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能屏蔽輻射，使其能夠在多種復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作。該技術(shù)的突破性進(jìn)展，使得核電池的性能和安全性得到了顯著提升。
回顧研發(fā)歷程，讓團(tuán)隊(duì)印象深刻的是去年11月23日，他們第一次成功點(diǎn)亮搭載“燭龍一號(hào)”的LED燈。蘇茂根說：“當(dāng)時(shí)，雖然準(zhǔn)備工作都做得很充分，但LED燈并沒有如期點(diǎn)亮，大家焦急地檢查各個(gè)環(huán)節(jié)，最終發(fā)現(xiàn)是接觸問題。調(diào)整后，燈光亮起的瞬間，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室都沸騰了，那一刻，所有的努力和付出都得到了回報(bào)。”
“燭龍一號(hào)”原型機(jī)。西北師范大學(xué)供圖。
優(yōu)勢(shì)盡顯，微小身軀蘊(yùn)含巨大能量
“燭龍一號(hào)”核電池雖體積小巧，卻有著令人驚嘆的優(yōu)勢(shì)。它擁有超長(zhǎng)壽命，碳-14的半衰期長(zhǎng)達(dá)5730年，理論壽命可達(dá)數(shù)千年，能在-100℃至200℃極端溫度環(huán)境下穩(wěn)定工作，適應(yīng)性極強(qiáng)。它還擁有超高能量密度，50年設(shè)計(jì)壽命內(nèi)性能衰減率小于5%，支持毫瓦級(jí)脈沖放電及能量智能管理。蘇茂根表示，“這款核電池從核心材料研發(fā)到換能器件制造，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。”
目前，“燭龍一號(hào)”實(shí)現(xiàn)了從0到1的關(guān)鍵技術(shù)突破，但還處于工程樣機(jī)階段，團(tuán)隊(duì)正專注于進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。“未來，我們將進(jìn)一步開展核電池的小型化和低成本化研究，‘燭龍二號(hào)’將在體積、安全防護(hù)和封裝上實(shí)現(xiàn)新突破，功率密度有望翻一倍，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。”曹世權(quán)表示，“在產(chǎn)業(yè)化過程中，可能會(huì)面臨產(chǎn)能、成本控制以及市場(chǎng)認(rèn)知度等方面的挑戰(zhàn)，但我們對(duì)這款核電池的市場(chǎng)前景充滿信心。我們認(rèn)為核電池技術(shù)在醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)、極端環(huán)境探測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。”
“燭龍一號(hào)”的成功研制是我國(guó)核能技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，也是校企合作的典范成果。未來，隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，這款核電池將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為我國(guó)能源技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)注入新的動(dòng)力。
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