新型能源“钍能源电池装置”分析报告综述

1、新型能源长寿命“钍能源电池装置”可行性报告报告目录一、核电池项目二、核电池项目背景三、核电池的基本原理四、核电池的主要优点五、核电池主要应用领域六、核电池实现国产化的可能性与必要性七、发展核电池要解决主要技术问题八、主要技术指标九、项目经济效益分析十、中国核电池的发展情况一、核电池项目1、项目名称：钍【核】能源电池装置2、项目发明人：保罗布朗、弗朗西斯、钟蘭狄（科学家、工程师）二、核电池项目背景一个世纪以前原子核放射性的发现，打开了人类进入原子时代的大门，通 过各国科学家的不懈努力，原子能在各个领域得到了广泛的应用。而且，几乎 在发现放射性现象的同时人们就开始想利用射线能量发电，这就是核电池。

2、但 直到 50 年代开始，核电池才获得实质性进展。到了20世纪 60年代核电池的研究在全世界普遍展开。主要采用热转换机制并一直占核电池研究的统治地位。直到20世纪80年代末美国科学家保罗布朗提出B伏特效应能量转换机制才打破了传统这个局面。20世纪60年代起，美国和苏联开始在宇航空间飞行器上广泛使用热电转化型核电池（温差发电机 RTG）,为人造卫星、宇宙飞船提供动力。第一个核电池是在 1959年 1 月 16 日由美国人制成的，它重 1800克，在 280 天内可发出 11.6度电。在此之后，核电池的发展颇快。 1961年美国发射的 第一颗人造卫星“探险者 1号”，上面的无线电发报机就是由核电池

3、供电的。 1976 年，美国的“海盗 1号”、 “海盗 2 号”两艘宇宙飞船先后在火星上着陆，在短 短 5 个月中得到的火星情况，比以往人类历史上所积累的全部情况还要多，它 们的工作电池就是核电池。因为火星表面温度的昼夜差超过100C，如此巨大的温差，一般化学电池是无法工作的。70 年代起开始在心脏起搏器上， 核电池发展至今已经有约十种能量转换机 制，研制最先进的是美俄两国。三、核电池的基本原理核电池， 又叫同位素电池， 也被叫做“放射性同位素温差发电器” ，最初也 叫原子电池，这种温差发电器是由一些性能优异的半导体材料，如碲化铋、碲 化铅、锗硅合金和硒族化合物等，把许多材料串联起来组成。另外

4、还得有一个 合适的热源和换热器，在热源和换热器之间形成温差才可发电。核电池的热源 是放射性同位素。它们在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式，向外放 出比一般物质大得多的能量。这种很大的能量有两个令人喜爱的特点。一是蜕 变时放出的能量大小、速度、不受外界环境中温度、化学反应、压力、电磁场 的影响，因此，核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕 变时间长，这决定了核电池可长期使用。核电池的核心是换能器。目前常用的换能器叫静态热电换能器，它利用热 电偶的原理在不同的金属中产生电位差， 从而发电。它的优点是可以做得很小， 只是效率颇低，目前利用率只有 10%-20%，大部分热能被浪费

5、掉。在外形上，核电池虽有多种形状，但最外部分都由合金制成，起保护电池 和散热作用；次外层是辐射屏蔽层，防止辐射线泄露出来；第三层就是换能器 了，在这里热能被转换成电能；最后是电池的心脏部分，放射性同位素原子在 这里不断地发生蜕变并放出热量。它是将原子核的放射性衰变能转换成电能的 装置。核心部分是放射性同位素它不断衰变放出能量。 同位素外层是换能材料， 在这里将衰变能转化成电能，换热材料是屏蔽隔结构和散热作用。“钍能源电池装置”是新型长寿命电源，是利用放射能产生电能的方式之 一。其基本原理是利用放射性元素发出的射线，通过光电转换、热电转换等方 式转换成电能，输出直流电供用户使用。涉及的内容有：（

6、1）根据使用要求选源；（2）通过理论计算和实验研究选取转换效率最好的转换材料；（3）按照不同用处进行产品的结构、外形设计等。四、核电池的主要优点1. 核电池与一般的化学电池、太阳能电池相比具有寿命长、体积小、重量 轻、结构简单紧凑、无运转部件、无噪声、可靠性高、所提供的能量不受外界 环境的温度、压力、化学反应、电磁场等影响，且不需要充电和维护，可以再 很大的温度范围和很劣势的环境中工作。2. 核电池的安全性首先可以肯定核电池使用起来非常安全， 它不受外界各种条件因素的控制， 比如爆炸、火烤、冰冻、水浸泡浸蚀等自然条件的限制。其次，和电池所产生的辐射剂量完全可达到国家所允许的剂量范围内，对人体无

7、任何伤害。3. 核电池的节能环保性：核电池的使用不会排放任何对环境有害的物质， 另外在目前全世界能源匮乏的现状下，可以达到节能的目的。核电池的开发和 广泛利用还可以缓解能源危机，节能减排、生态环保。五、核电池主要应用领域1.核电池在军事国防及航天领域的应用世界发达国家已把核电池广泛地应用在航天、深海、极地、心脏起搏器以 及其它极端情况下的高能、大功率密度、长寿命、长期工作无需维护的移动或 固定电源。在航天领域的月球探测上，严酷多变的自然环境，太阳能电池力不从心的 深空探测器，受阳光太弱、宇宙射线过强导致太阳能电池失效，只有核电池能 长期可靠的工作，美国有两个核电池至今还留在月球上。核电池除了用

8、于航天器以外，还用在深海、远海、人迹罕至处的灯塔、航 标灯上，苏联用了 1000 多个核电池。如果说以前航天是使用核电池的第一大用户，那么，未来海军将是核电池 的第二大用户。在深海里，太阳能电池根本派不上用场，燃料电池和其它化学 电池的使用寿命又太短，所以只得派核电池去了。例如，现在已用它做海底潜 艇导航信标，能保证航标每隔几秒钟闪光一次，几十年内可以不换电池。人们 还将核电池用作水下监听器的电源，用来监听敌方潜水艇的活动。还有的将核 电池用作海底电缆的中继站电源。它既能耐五六千米深海的高压，安全可靠地 工作，又少花费成本，令人十分称心。同时，其它部队装备应用领域也非常广 泛，如：反恐、救灾、

9、野外作战、现代新型自动装备武器等。2.核电池在民用领域的应用在医学领域运用上，这种体积小、重量轻、可靠性高的长寿命核电池已经 广泛应用于心脏起搏器上，全世界已经有成千上万的心脏病患者用上了。不但 挽救了他们的生命，还使他们象正常人一样重新享受人生的幸福和生活乐趣。一个装有150mgpu-238核电池的心脏起搏器，可以在体内连续可靠工作几 十年（pu-238半衰期为87.7年），如果换用产生同样功率的化学电池，保证使 用同样长的寿命，其重量将超出成人的体重。患者用了核电池就不必再为更换 埋在体内的电池忍受多次开胸的痛苦了， 而外置式起搏器又要担心感染的危险。钍电源电池装置将是未来汽车电源的主导产

10、品，不同型号的电池装在不同 款式的汽车上可使用 10年至 20年不等，还可以更长时间。既环保又节约大量 的石油。在其它民用领域，也特别需要不充电的长寿命电池，使用笔记本电池、手 机电池及其它移动设备所使用的电源都使用寿命长的核电池。本项目研制的电 源电池可以连续使用 5100年不需充电，完全可以满足人们在使用时间上的要 求。其综合性能优于目前世界上广泛使用的传统的电源电池，一旦生产面世， 其意义和影响将是十分巨大的。六、核电池实现国产化的可能性与必要性1.可能性1）中国已有制作核电池的经历， 有丰富的核能研究开发的经验和人才； 中 国研究队伍在扩大、力量在增强，水平在提高。2）世界和中国在核电

11、池研制开发方面技术进步迅速。3）放射源国产化，制源技术工艺提高，达标。核电池的成本大大降低，经 济性好。2.必要性A、中国已经落后先进国家一大步，应该大踏步赶上B、新能源发展的要求C、中国航天发展的需要：如发展航天事业（特别是航空）肯定需要核电池D、国防军事发展需要：由于微型电动机（ MEMS ）的飞速发展，使得核 电池的长处可以发挥到极致，他们几乎可以不置重量、不占体积地附在 MEMS 上，长期可靠地提供能量，解决的包括燃料电池在内体积重量过大的难题。未 来战争采用昆虫般大小的微型空中飞行器、 无人战车（机）、无人侦察等如装上 核电池就可以代替士兵深入敌后、战斗在最危险的地方，实施摄像、录音

12、等侦 查任务，并长期不间断地将情报发回指挥部。这就是未来看不见的战争的威力 所在。E、应急突发事件及自然灾害中的应用：像汶川大地震，电网损坏，救灾 设备的电池使用时间太短，目前最先进的快充锂电池， 连续照射时间也只有 45 分钟，由于没有外电源，充电时无法进行的。如果采用钍能源电池，一次连续 使用时间就长达 5 年，这就大大提高了野外的生存能力。F、时代进步，生活质量提高迫切需要长寿命高性能电池：便携式电器、 电动车、船、飞机、微型机械电源，总之从大到小都需要核电池产品。过去， 核电池一直在一些特殊的领域里充当关键角色，现在核电池的应用范围越来越 广阔了。据悉，国外笔记本电脑上使用核电池的方案

13、也已经出来了，现在在电 动车上采用核电池来代替化学电池的呼声也越来越高，福特公司已率先提出了 核动力汽车的方案。日本已提出了家用核电池的方案。可以说核电池的开发是进行了一次能源革命，将带领我们改变现代能源格 局，为人类社会发展注入新的生机。七、发展核电池要解决主要技术问题1. 核电池的生产需要满足的条件：a足够的放射性同位素原料b、满足使用要求的能源转换机制和材料c、社会需求2. 放射性同位素是核电池的核心问题。在约 2500 种放射性同位素中，可供做核电池的同位素约有 30 种左右。做 核电池所用的放射性源，还必须满足以下条件：要有足够长的半衰期，以保证核电池的长寿命和在使用期内有足够的持续

14、 稳定的能量（能量随时间而减少） ；a功率密度高，特别是航天方面，要求每单位质量和体积的燃料能产生大 量的能量；b放射性危险小，易于屏蔽。所以产生 a离子的源和线B的源最为常用， 而丫源要慎用。c 容易加工制造；d 价格便宜，经济性好。3. 放射性主要从以下三个途径取得：中国钍矿蕴藏量占世界第二位， 总量有 28 万吨，现在利用率为零。 国家已 明确要加大科研力度，由清华大学、核能二0二所、包钢成立了产学研体系， 但他们的规划到 2020 年2030年才能有部分成果。这与此项目能在二年内转 化为产品是不能比的。八、主要技术指标1.效率：放射能转化成电能的效率： 10%30%2.辐射防护：产品表

15、面达到或低于允许剂量。 （本产品控制在 10 毫雷姆以 内）3.比能量：重量比能量 1030 千瓦时 /公斤，体积比能量 1030 千瓦时 /升。4. 使用寿命：根据用户要求而定，可以在 5100 年范围内选择，也可以在 此范围外选择。5. 高性能比：综合性能要比锂离子电池高。 （约高 50-1000 倍）九、项目经济效益分析（一）、核电池经济效益产出分为两部分：1.军用部分：每年军费中装备费用大约为 * 亿元人民币，其中可用作核 电池的装备约合人民币 200 亿元人民币，其中每块电池的利用率按 10%计算， 利润约为 20 亿元人民币 /年。（以海军所用海底探测器为例： 只此一项就需要电 池

16、 1 万块，按每块电池利润为 1 万元人民币，总利润为 1 亿元人民币）（核电池用在部队具体装备保密）2.民用部分：民用领域应用核电池十分广泛，如：心脏起搏器、MEMS 、手机电池、笔记本电池及各种移动便携式电器、电子装置等皆可使用。核电池 在民用领域中可占的总值保守计算约为 5000 亿元人民币，按照市场占有率 5% 计算为 250 亿元人民币，按 10%例如计算，利润约为 25 亿元人民币 /年。（以手 机电池单项为例：据国家信息产业部数据：目前中国手机使用量为 2 亿部。并 以每年 30%的速度逐年递增，如果核电池的市场占有率按 1%计算，为 200 万 部，利润按 100 元人民币 /

17、每块电池计算，其利润为 2 亿元人民币；如心脏起搏 器，以进口原料成本计算， 一个心脏起搏器成本约合人民币 1000元到 5万元不 等，市场现在售价为 8-30 万元。我国所需心脏起搏器平均每年达到 20000人只 此一项利润就可达到数亿元。 ）电动汽车的普及利用将是大量的。核电池在民用品中主要分以下几个系列：1.MEMS 微型电子电器系列（如陀螺仪、敏感探测器等）2.便携式电子电器产品系列（便携式电视、冰箱、笔记本电脑等）3. 医疗用品系列（便携式放射性化疗机、脑 CT 机、心脏起搏器等）4. 无人值守机站系列（移动、联通等边远山区工作机站、航标灯塔等）5. 电动汽车的普及，油改电汽车的改造

18、将是无限量的。（二）、测算依据 每种核电池成本与其它商品不同，因为核电池的成本是根据产品使用的剂量来决定的。以心脏起搏器为例：150mgpu-238可制作成30年寿命的产品。按 照现在进口的pu-238价格每克为8000美元，折合人民币60000元左右，0.15g pu-238折合人民币9000元左右。一般心脏起搏器价格最低 28万多元，除去制 作加工的相关费用，利润率可达 2700%到 2800%。而这种 30 年衰变期的心脏 起搏器适用人群年龄为 60-80 岁左右。如果需要 50 年衰变期或者更长时间的心 脏起搏器则需要加大原料的剂量，成本价格会提高，当然销售价格同时也会增 加。所以类似心脏起搏器的产品是根据用户实际年龄和实际需要来制作产品。批量生产的核电池是属于所用的商品为同一型号和同一剂量单位的产品。 如海底探测器的产品就属于同一剂量和型号的产品。（目前订单式批量产品需根据用户对产品使用年限的要求来安置一定剂量 的核原料，所以每种产品价格和成本无法确定，利润率也无法测算。但是根据 中华人民共和国放射性污染防治法和放射性同位素与射线装置安全和防