之前写了一篇文章介绍放射性同位素热电发生器（RTG），它也被称为“核电池”。许多朋友纷纷表示希望也拥有一块这样的核电池，或是装在电动汽车上，或是装进手机里，这样就可以无限续航，再也不必为充电烦神了。
这是一个十分美好的愿望
人人都渴望一块超级无敌的电池，或者说是无穷的能量，像太阳那样烧不完用不尽，想干啥就能干啥。这确实是很爽的事情。
充电对许多人来说是件头疼的事
记得70年代时，一院子的老老小小围坐在18寸黑白电视机旁看日本动画片《铁臂阿童木》（当时是黑白版的），小机器人阿童木有帅酷的发型，还有“十万马力”和“七大神力”。哪七大神力不记得了，对“十万马力”倒是印象深刻，因为1马力=735瓦特，十万马力的功率就是73.5兆瓦了，这是非常大的功率，推动万吨大驱飙到30节完全不是问题。
后来看美国的《超人》，他没装电池，之所以能在天上飞来飞去甚至能把地球推着倒转，全因为他是外星超人，所以作为地球人我无力吐槽。后来的后来，《终结者》和《钢铁侠》胸前那一块超级无敌的核电池也是令人无比神往。印象中与核电池有关的电影还有一些，这里就不一一例举了。
钢铁侠有一颗强劲的“芯”
这样的电池，未来会有吗？也许会有。但从目前已知的科学理论看，它们不科学，所以在可预见的将来不会有。
核聚变与核裂变
我们周围的物质由原子构成，原子是构成物质的基本单位，这些原子大多是稳定的。
但是有些原子因为其原子核内部质子数量与中子数量不平衡而发生变化，中子与质子之间相互转化从而演变为另一种物质，在这个过程中原子核会向外释放粒子和能量，这就是核裂变。
而在温度极高、压力极大的环境下，某些原子核也会被压在一起形成一个更大的原子核，由于原子核内部力的改变，它也会向外释放出粒子和能量，这被称为核聚变。核聚变通常发生于恒星内部或超新星爆炸时，比如太阳的核心里时刻都在将氢转化成氦，同时向外释放粒子和能量。
太阳中心高温高压促成核聚变
很显然，核聚变技术无法用到电池上，因为在地球上无法模拟恒星内部环境，更不可能在移动的状态下给核聚变材料施加极高的能量让它达到1亿度以上的聚变温度。而核电站所采用的裂变原料因为存在致命的核辐射风险，它很难做到小型化，自然也就谈不上做成电池了。
人类正在建造一个庞大的托卡马克核聚变实验装置
核电池的未来在α和β衰变
目前唯一可能用于电池技术的是原子核的α和β衰变。α衰变是许多质量数大于200的原子核向外释放一个α粒子（氦-4原子核），使自己的质量数减少4，从而衰变成另一种物质。β衰变也是一种放射性衰变，当原子核内部质子数与中子数量不平衡时，它们会向平衡状态转换并向外释放一个高能β粒子（电子或正电子）。
α衰变发射一个α粒子和能量
α粒子对人体没有伤害，它之所以安全是因为α粒子比较大，一张薄纸就能阻挡它，并且它也无法穿透人体皮肤最外层的死皮层。这并不表示我们可以放心触摸放射源，因为它也有可能会同时释放一些β射线粒子。
β粒子的穿透力比阿尔法粒子强100倍，它可以穿透我们的皮肤，并且有可能导致DNA发生突变，不过我们拿一张薄的铝板就能阻挡它。β+粒子（正电子）被释放出来后会立刻与它附近的电子发生湮灭产生γ射线光子，伽马射线具有极强的穿透力并且是致命的。
α和β粒子的穿透力都很弱
α粒子和β粒子都是放射源在其衰变过程中自发产生的，它们产生的过程连续且稳定，并且这些粒子在释放的过程中都携带能量。与此同时，α粒子和β粒子因其携带的能量相对较低，它们很容易被阻挡，从而避免辐射泄漏，因此可以最大限度地保证人员安全，这为我们将其制成核电池打下了理论基础。
核电池的发电原理
阿尔法粒子的能量在一定程度上取决于发射过程的半衰期，大多数α粒子的能量在3~7MeV（兆电子伏特）之间，典型动能为5MeV，速度为15000 km/s，是光速的5％。这比其他任何普通类型的辐射（β粒子，中子等）都高。但由于电荷和质量大，α粒子很容易被物质吸收，它们只能在空气中传播几厘米。事实上绝大多数的α粒子的能量包括母核后坐力（α后坐力）的能量在放射性材料内部就被吸收并转化为热能，所以α衰变更多地表现为热能释放。我们可以将这些热能通过热电效应或其它方法转换为电能输出，这就是我在之前文章中介绍的放射性同位素热电发生器（RTG）。
“新视野”号上的RTG
与其它大多数核动力源采用热量发电不同，β辐射本身产生的就是高能量电子，因此理论上我们可以直接使用这些电子来产生电能。
尽管β粒子在被发射出来时的速度接近光速，但由于电子本身的质量较低，所以它所能携带的能量也较小，一般在几KeV到1MeV之间，因此电子也跑不远，一个能量为0.5MeV的β粒子在空气中的射程约为1米。同时这些电子是向各个方向发射的，它并不能直接形成电流。
将β辐射转化为电流通常需要让β粒子去轰击半导体，在半导体中形成电子-空穴对，从而在电路中形成电势差。这种装置被称为贝塔伏特电池（Betavoltaic设备）。
鱼与熊掌不可兼得，功率与续航的矛盾难解
RTG已经在航天领域得到了广泛应用，但贝塔伏特电池至今还处于理论研究阶段，没有产品被制造出来。至少有一点可以肯定，这两类电源都只着眼于长寿命，它们都无法做到强输出。
这是为什么呢？
关注手机电池或电动车电池的朋友大多知道一个名词叫“能量密度”，也就是单位质量（或体积）内所储存总能量的大小。也就是说在一定空间或质量的物质中，它所包含的能量是有限的。
电池的性能与能量密度有关
同时我们需要注意的一点是，能量密度不代表其输出有效能量之和。从质能等价的角度来说，根据爱因斯坦质能等效方程E=mc?，任何物体都拥有极其巨大的能量，但这些能量中到底能有多少转化输出，变成为我们所用的电能，这取决于我们为其提供的条件。一千克的氘，如果你不给它加压并且升高到几亿摄氏度，它永远只是一千克的氘，不会产生核聚变，也永远不会产生热量来发电。
α辐射和β辐射因其相对较高的安全性成为未来核电池的首选，但这两类核材料的能量密度是固定的，它们释放粒子的速度取决于不同材料固有的半衰期。于是那些相对安全、更便宜、更易获取并且半衰期更长的放射性材料自然成为我们制作核电池的首选，这同时意味着核电池可以使用很长时间，但它们的输出功率极低。它不能驱动阿童木飞越天空和海洋，也无法使钢铁侠拥有神奇的力量。
而驱动手机，让你不再为续航操心，或许是一个可以期待的未来。
“钻石核电池”更多是一个噱头
你或许听说过“钻石核电池”，这在前两年曾风靡一时。2017年2月，英格兰布里斯托大学卡博特研究所的材料工程学教授汤姆·斯科特（Tom Scott）在世界经济论坛发表演讲，说他们打算将英国储存的大量核废料中的石墨转化为人造钻石，再用这些钻石发射的β粒子来发电。
“钻石电池”
核能电池、至少5000年甚至万年的续航、高大上的钻石，将这些概念与世界经济论坛捏合在一起，自然形成了一次病毒式营销的绝佳话题。这个话题经过各个媒体的放大，衍生出各种神奇版本和无数不切实际的幻想，以至于使人们忘记了它现在只是一个大胆想法，距离变成现实还有漫长的路需要走。
利用β粒子发电的研究自1970年代就已经开始了，到目前为止，我们只听说有机构用放射性镍-63制作了一个模型，它的测量电压为1.9V，在100年的半衰期里理论上可以产生总共4.4度电。
将放射性碳-14制成“钻石电池”可以做到更好吗？按照汤姆·斯科特教授的说法，他需要先从英国现在储存的9.5万吨放射性石墨块的表面将碳-14刮下来，这些核石墨原先是在核反应堆里用作中子减速剂使用的。将石墨刮下来后还需要进行筛选，因为其中仅有很小一部分是有用的放射性碳-14，然后人们需要对其施加高温高压，直到将其压制成坚硬的人造钻石。这还不算完，科学家还需要在这块放射性钻石的外面再覆盖一层普通石墨，然后再一次将其压制成钻石外壳。
将石墨压成钻石并不是很容易的过程
整个“钻石核电池”制作过程需要消耗多少资金和多少能源？斯科特教授没有说，他只声称用钻石包裹的核钻石电池“辐射比香蕉还低”、“没有活动部件，没有维护，也没有排放，只有直接发电。而且由于钻石是人类已知的最硬的物质，因此没有其他材料可以轻易地为放射性碳14提供更多保护。”
如此强大的钻石电池可以产生大约2V的电压，理论上每克每天可以产生15焦耳的电能，大约是同样重量AA堿性电池的2%，它的好处是可以使用5730年（碳-14的半衰期），总共约产生“数百万焦耳的能量”（这是教授的原话）。
我们有多少设备可以使用5000年并且需要使用5000年？这也是一个问题，反正手机和汽车肯定用不了这么久。
“旅行者”号将在太空游荡万年，它需要一颗长寿命的电池
总结：
人们永远不会满足，大家总在追求更强大的电能、更长的续航和更低的使用成本。科学家们也永远没有停止他们追求真理的步伐，他们也在努力实现着人类的梦想。
尽管我们对科学有这样那样的幻想，但科学始终是科学。我们需要幻想，同时也需要遵循科学规律来做事情，这样才能成功。
从安全性的角度出发，核电池利用了放射性物质在发射α和β粒子的同时持续释放能量的原理，通过将核衰变过程中所释放的能量转化为电能来为设备提供能源。
根据放射性物质半衰期的不同，核电池可以有几十年甚至数千年的长续航，相应地，它们的功率大多很低。因为从理论上大功率与长续航是一对矛盾，二者不可兼得。
“钻石核电池”目前尚处于理论研究阶段，它的优点是可以提供持续数千年的电能供应，缺点是功率输出低、制造工艺复杂且耗能巨大，并不是未来民用电池的首选。
在可预见的未来，核电池不会出现在汽车上
