第7章 β衰變才是未來【新書求收藏!】
科技崛起，從帶著導師上院士開始 作者：做科研的萌醬 投票推薦 加入書簽 留言反饋
時間，宛如馬桶裏的水，總會隨著按鈕的按下，而匆匆流逝。
……
“現在各國科學家，都將α伏特電池視為核電池的出路，殊不知，他們的路早就走偏了啊……”
關閉圖書館線上查詢頁麵，江離無奈的歎了一口氣。
翻閱一早上資料，江離也是對現在的核電池研究有了更為清晰的認識。
僅花了一早上時間，江離就看完了物理界十幾年的研究成果，如果有其他人看到這一幕，絕對會被震驚的張大嘴巴。
像這樣驚呆旁人的行為，對江離而言隻是基本操作罷了。
腦力每開發一度，對於思維、記憶、反應以及敏銳度都是一個質的提升。
在5％腦力的強大加持下，江離早已具備了頂級研究者的潛力。
他原本以為，如今核電池的研究就算進展緩慢，至少也應該大差不差才對，卻沒想到，自己還是太樂觀了。
核電池研究的困境，比他想象的更加嚴重。
甚至就連最最基礎的原料選擇，都走進了死胡同！
核電池。
也叫放射性同位素溫差發電器。
或者原子能電池。
與核電站通過裂變或聚變發電的原理不同，核電池利用的是放射性元素自身的衰變特性。
前者是將核能轉化為內能、再將內能轉化為機械能、最後轉化為電能，過程非常複雜，中間環節損耗了大量的能量。
而後者，則是利用特製的換能器，直接將內能轉化為電能。
核電池原料的衰變原理，分為兩種。
α衰變和β衰變。
兩者都是利用元素的天然衰變性向外釋放巨大的熱量和射線，然後用特殊的能量轉換器進行吸收，使其產生的熱量轉化為電能。
不同的是。
α衰變是一個原子核釋放出一個α粒子，並轉化為一個質量數減少4、核電荷數減少2的新原子核，因為α粒子和一個氦原子核相同，所以從本質上講，α衰變是量子力學隧穿效應的一個微觀應用。
在衰變過程中，α粒子的動能約為5mev，速度是15000km/s，速度相對緩慢，隻有光速的二十分之一，同時它的質量也比較大，因此，它們很容易與其他原子相互作用而失去能量。
哪怕是一層幾厘米厚的空氣，也能將其完全吸收。
除了速度慢、難以利用外，α衰變還具有一個更為棘手的弊端。
那就是，α粒子的動能，遠低於庫侖勢壘的20兆電子伏！
根據經典力學原理，由於庫侖勢壘的阻擋，α粒子不能跑到核外，也就無所謂放不放電了。
直到二十世紀二十年代，量子力學誕生，才從量子隧穿效應的角度解釋了α衰變的本質。
科學家發現，像‘鈈’等少數放射性元素，其在進行衰變時，α粒子有一定幾率穿透勢壘跑出原子核……
由此，便誕生了現在的太空核電池！
最典型的例子就是火星車和航天器上使用的鈈238核電池，根據科學家計算，它的半衰期可達87年。
不過遺憾的是，它的功率非常小。
由於鈈238的能量密度非常低，一款世界先進的rtg能源中樞，自重就達到了45公斤，卻隻能產生約110w的功率，和手機充電器的功率差不多。
要知道，目前主流的電動汽車，功率已經達到了70kw至250kw。
兩者相差足足一千多倍！
同時，鈈在衰變時不僅會釋放出α粒子，還會釋放出中子和γ射線！
γ射線，就是漫威電影中照射綠巨人的那個！
除此之外，鈈238的成本也高得離譜，1g的鈈238，就需要上千萬美金！
以鈈238超低的能量利用率，想要真正派上用場，其質量最低也得按斤來計算……
那就是幾十億美金！
除了夏國和漂亮國，全世界沒有幾個國家撐得起這樣的消耗！
而這，就是江離為什麽說現今核電池研究走偏了的真正原因。
在他看來。
相比於吃力不討好的α衰變，β衰變才是核電池較為理想的出路！
顧名思義，β衰變就是一個原子核釋放出一個β粒子的衰變。
其實質是將一個下誇克通過釋放一個w-玻色子轉變為一個上誇克，w-玻色子隨後衰變成一個電子和一個反電子中微子的過程。
相比於賭概率的α衰變，β衰變更容易控製，同時能量轉化率也更高。
其原理是利用高能電子束穿過窗口通道進入捕獲層，將半導體材料內部的粒子變成激發態，從而形成電子-空穴對，最後形成宏觀電壓，進行放電。
這個機製類似於光伏效應，所以也被稱之為β伏特電池。
最重要的是，它便宜啊！
鈾235：核裂變與核聚變的主要原料，黑市單克售價一萬美金！
鈈238：核電池α衰變的主要原料，單克售價上千萬美金，而且被嚴格控製，掏錢你都買不到！
和它們相比，β衰變的原料就要‘親民’很多。
像常見的c14、鎳63等，都是世界上目前應用最廣的低能β放射源，雖說價格也不便宜，但卻還在可以接受的範圍內。
其中，c14的衰變周期是5000年，鎳63也有100年，均超過α衰變鈈238的87年。
遺憾的是，c14因為其天然性質，發電效率實在是微乎其微，而鎳63的也不容樂觀，用它做成的核電池，功率隻有1瓦左右。
是的，你沒聽錯。
就目前的科研水平，β衰變核電池的功率，不到α衰變的百分之一！
而這，也是科學家放棄β衰變，死磕α衰變的根本原因！
我們也知道β衰變好，可臣妾實在是做不到啊！
比起虛無縹緲的β衰變，好像還是α衰變更現實一點。
“誒……”
江離忍不住歎了一口氣。
看來他想要吹響第四次能源革命的號角，還任重而道遠啊。
若想真正改變世界，光靠α衰變是遠遠不夠的。
β衰變才是未來啊！
“那就以β衰變為方向吧！”
定好了目標，江離立即開始行動。
首先要做的，就是改變β衰變的能量轉化方式，重新製定一個新的框架，徹底解決β衰變發電效率低的問題！
江離很清楚核電池研究的瓶頸。
一個是能量轉化效率低，一個是輻射危害大。
和這兩個世紀難題相比，他之前設計的數學模型，隻能算是開胃菜罷了。
至於原料選擇，則是需要好好考慮。
在元素周期表中共有118種元素，其中1-94號是天然元素，95-118號是人造元素。
這其中，84號到94號才具有較強的放射性，除了鍍和鈾等比較便宜，其他要麽買不到，要麽就是單克成千上萬元。
至於95號到118號，這些玩意屬於人造元素，超級超級貴，比如98號的鐦，單克就需要上億元，比鈈還貴。
這麽誇張的價格，就連絕大多數國家都承受不起，更別說推向全人類了。
做不到普及，那就意味著隻能存在於少數國家的尖端領域，這和江離計劃推動第四次能源革命的初衷背道而馳。
好在這些人造元素的半衰期都非常短，有的甚至不到1秒，不具備持續放電的能力，所以不在考慮範圍之內。
從科學的角度講，合適的衰變材料至少需要滿足以下幾個特點：
較長的衰變周期、需要有一定的功率密度，輻射要小，易於加工、成本低等。
而鈈和鈾都太貴了。
c14雖然擁有5000年的超長衰變周期，但本身的能量密度低的可怕，拿來做電池可謂是牙簽涮水缸。
最終，江離把目光放在了鎳63上。
之所以此前沒有人考慮。
是因為鎳63能量密度也實在太小了。
200個加在一起才能勉強實現1μw的輸出功率，換算成能量密度也才不過10mwh/kg。
這跟鋰電池的150wh/kg，差了整整4個數量級，完全是天壤之別。
好在這一切，在江離這裏都不是問題！
此時此刻。
他的腦海中，就有將β衰變能量大幅度提升的方法！！
江離的大腦飛速運轉。
腦海中宛如走馬燈一般閃過一道道深奧晦澀的公式推導，這些公式仿佛有著神奇的魔力，將原本與高能量毫不相關的β衰變，一點點拉到某個奇妙的位置……
他將桌上皺巴巴的方案撕下一張，用背麵當草稿紙，開始推衍公式。
在他的筆下。
β衰變的發電量與輻射量，竟緩緩趨近微妙的平衡……
仿佛有一隻無形的大手，將兩座相對矗立的山峰硬生生聚攏到了一起，而江離自己，此刻正緩緩從其中穿過。
這種感覺是如此令人癡迷。
江離不自禁的沉浸在了知識的汪洋之中。
……
“現在各國科學家，都將α伏特電池視為核電池的出路，殊不知，他們的路早就走偏了啊……”
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翻閱一早上資料，江離也是對現在的核電池研究有了更為清晰的認識。
僅花了一早上時間，江離就看完了物理界十幾年的研究成果，如果有其他人看到這一幕，絕對會被震驚的張大嘴巴。
像這樣驚呆旁人的行為，對江離而言隻是基本操作罷了。
腦力每開發一度，對於思維、記憶、反應以及敏銳度都是一個質的提升。
在5％腦力的強大加持下，江離早已具備了頂級研究者的潛力。
他原本以為，如今核電池的研究就算進展緩慢，至少也應該大差不差才對，卻沒想到，自己還是太樂觀了。
核電池研究的困境，比他想象的更加嚴重。
甚至就連最最基礎的原料選擇，都走進了死胡同！
核電池。
也叫放射性同位素溫差發電器。
或者原子能電池。
與核電站通過裂變或聚變發電的原理不同，核電池利用的是放射性元素自身的衰變特性。
前者是將核能轉化為內能、再將內能轉化為機械能、最後轉化為電能，過程非常複雜，中間環節損耗了大量的能量。
而後者，則是利用特製的換能器，直接將內能轉化為電能。
核電池原料的衰變原理，分為兩種。
α衰變和β衰變。
兩者都是利用元素的天然衰變性向外釋放巨大的熱量和射線，然後用特殊的能量轉換器進行吸收，使其產生的熱量轉化為電能。
不同的是。
α衰變是一個原子核釋放出一個α粒子，並轉化為一個質量數減少4、核電荷數減少2的新原子核，因為α粒子和一個氦原子核相同，所以從本質上講，α衰變是量子力學隧穿效應的一個微觀應用。
在衰變過程中，α粒子的動能約為5mev，速度是15000km/s，速度相對緩慢，隻有光速的二十分之一，同時它的質量也比較大，因此，它們很容易與其他原子相互作用而失去能量。
哪怕是一層幾厘米厚的空氣，也能將其完全吸收。
除了速度慢、難以利用外，α衰變還具有一個更為棘手的弊端。
那就是，α粒子的動能，遠低於庫侖勢壘的20兆電子伏！
根據經典力學原理，由於庫侖勢壘的阻擋，α粒子不能跑到核外，也就無所謂放不放電了。
直到二十世紀二十年代，量子力學誕生，才從量子隧穿效應的角度解釋了α衰變的本質。
科學家發現，像‘鈈’等少數放射性元素，其在進行衰變時，α粒子有一定幾率穿透勢壘跑出原子核……
由此，便誕生了現在的太空核電池！
最典型的例子就是火星車和航天器上使用的鈈238核電池，根據科學家計算，它的半衰期可達87年。
不過遺憾的是，它的功率非常小。
由於鈈238的能量密度非常低，一款世界先進的rtg能源中樞，自重就達到了45公斤，卻隻能產生約110w的功率，和手機充電器的功率差不多。
要知道，目前主流的電動汽車，功率已經達到了70kw至250kw。
兩者相差足足一千多倍！
同時，鈈在衰變時不僅會釋放出α粒子，還會釋放出中子和γ射線！
γ射線，就是漫威電影中照射綠巨人的那個！
除此之外，鈈238的成本也高得離譜，1g的鈈238，就需要上千萬美金！
以鈈238超低的能量利用率，想要真正派上用場，其質量最低也得按斤來計算……
那就是幾十億美金！
除了夏國和漂亮國，全世界沒有幾個國家撐得起這樣的消耗！
而這，就是江離為什麽說現今核電池研究走偏了的真正原因。
在他看來。
相比於吃力不討好的α衰變，β衰變才是核電池較為理想的出路！
顧名思義，β衰變就是一個原子核釋放出一個β粒子的衰變。
其實質是將一個下誇克通過釋放一個w-玻色子轉變為一個上誇克，w-玻色子隨後衰變成一個電子和一個反電子中微子的過程。
相比於賭概率的α衰變，β衰變更容易控製，同時能量轉化率也更高。
其原理是利用高能電子束穿過窗口通道進入捕獲層，將半導體材料內部的粒子變成激發態，從而形成電子-空穴對，最後形成宏觀電壓，進行放電。
這個機製類似於光伏效應，所以也被稱之為β伏特電池。
最重要的是，它便宜啊！
鈾235：核裂變與核聚變的主要原料，黑市單克售價一萬美金！
鈈238：核電池α衰變的主要原料，單克售價上千萬美金，而且被嚴格控製，掏錢你都買不到！
和它們相比，β衰變的原料就要‘親民’很多。
像常見的c14、鎳63等，都是世界上目前應用最廣的低能β放射源，雖說價格也不便宜，但卻還在可以接受的範圍內。
其中，c14的衰變周期是5000年，鎳63也有100年，均超過α衰變鈈238的87年。
遺憾的是，c14因為其天然性質，發電效率實在是微乎其微，而鎳63的也不容樂觀，用它做成的核電池，功率隻有1瓦左右。
是的，你沒聽錯。
就目前的科研水平，β衰變核電池的功率，不到α衰變的百分之一！
而這，也是科學家放棄β衰變，死磕α衰變的根本原因！
我們也知道β衰變好，可臣妾實在是做不到啊！
比起虛無縹緲的β衰變，好像還是α衰變更現實一點。
“誒……”
江離忍不住歎了一口氣。
看來他想要吹響第四次能源革命的號角，還任重而道遠啊。
若想真正改變世界，光靠α衰變是遠遠不夠的。
β衰變才是未來啊！
“那就以β衰變為方向吧！”
定好了目標，江離立即開始行動。
首先要做的，就是改變β衰變的能量轉化方式，重新製定一個新的框架，徹底解決β衰變發電效率低的問題！
江離很清楚核電池研究的瓶頸。
一個是能量轉化效率低，一個是輻射危害大。
和這兩個世紀難題相比，他之前設計的數學模型，隻能算是開胃菜罷了。
至於原料選擇，則是需要好好考慮。
在元素周期表中共有118種元素，其中1-94號是天然元素，95-118號是人造元素。
這其中，84號到94號才具有較強的放射性，除了鍍和鈾等比較便宜，其他要麽買不到，要麽就是單克成千上萬元。
至於95號到118號，這些玩意屬於人造元素，超級超級貴，比如98號的鐦，單克就需要上億元，比鈈還貴。
這麽誇張的價格，就連絕大多數國家都承受不起，更別說推向全人類了。
做不到普及，那就意味著隻能存在於少數國家的尖端領域，這和江離計劃推動第四次能源革命的初衷背道而馳。
好在這些人造元素的半衰期都非常短，有的甚至不到1秒，不具備持續放電的能力，所以不在考慮範圍之內。
從科學的角度講，合適的衰變材料至少需要滿足以下幾個特點：
較長的衰變周期、需要有一定的功率密度，輻射要小，易於加工、成本低等。
而鈈和鈾都太貴了。
c14雖然擁有5000年的超長衰變周期，但本身的能量密度低的可怕，拿來做電池可謂是牙簽涮水缸。
最終，江離把目光放在了鎳63上。
之所以此前沒有人考慮。
是因為鎳63能量密度也實在太小了。
200個加在一起才能勉強實現1μw的輸出功率，換算成能量密度也才不過10mwh/kg。
這跟鋰電池的150wh/kg，差了整整4個數量級，完全是天壤之別。
好在這一切，在江離這裏都不是問題！
此時此刻。
他的腦海中，就有將β衰變能量大幅度提升的方法！！
江離的大腦飛速運轉。
腦海中宛如走馬燈一般閃過一道道深奧晦澀的公式推導，這些公式仿佛有著神奇的魔力，將原本與高能量毫不相關的β衰變，一點點拉到某個奇妙的位置……
他將桌上皺巴巴的方案撕下一張，用背麵當草稿紙，開始推衍公式。
在他的筆下。
β衰變的發電量與輻射量，竟緩緩趨近微妙的平衡……
仿佛有一隻無形的大手，將兩座相對矗立的山峰硬生生聚攏到了一起，而江離自己，此刻正緩緩從其中穿過。
這種感覺是如此令人癡迷。
江離不自禁的沉浸在了知識的汪洋之中。