俄罗斯研发镍-63核能电池技术领先

AA Bochvar无机材料研究所(VNIINM)的研究人员Alexander Anikin和Pavel Moseev开发了用于自主飞机系统和航天器的放射性伏特电池能源。据国家研究核大学莫斯科工程物理学院(MEPhI)空间研究与技术中心的Evgeniy Stepin表示，为飞机和空间系统创建紧凑而高效的电源是俄罗斯的关键优先事项。

这些“核能电池”的工作原理是基于放射性物质在半导体材料中产生的β辐射(电子流)的转换。氚(在美国)或镍-63(在俄罗斯)是最常用的同位素，因为它们发射低能β粒子。这种辐射易于屏蔽，并且不会像更高能量的辐射那样快速损坏半导体晶格。

放射性伏特电池是非热性的。半导体(通常是硅或碳化硅)的作用类似于太阳能电池。不是太阳光子撞击材料产生电子-空穴对，而是β电子完成这项工作。寿命由同位素的半衰期决定。基于氚的电池可以提供超过20年的恒定低功率输出。然而，它们的功率密度目前非常低(微瓦到毫瓦)。

俄罗斯已将自己定位为“核能电池”(放射性伏特电池)研究的全球领导者，专注于通过国内同位素生产和新颖的结构设计显著降低成本和增加功率密度。研究由一个联盟领导，包括莫斯科国立科技大学(NUST MISIS)、莫斯科物理技术学院(MIPT)和Rosatom的子公司。

NUST MISIS的科学家开发了一种用于硅基转换器的专利3D结构。通过将同位素放置在微通道内而不是平面上，他们将辐射转换面积增加了14倍，从而使比功率增加了10倍，同时将设备尺寸减少了三分之二。

与许多使用氚的西方初创公司不同，俄罗斯的努力主要专注于镍-63，其半衰期为100年，使电池能够工作50至100年。虽然原型自2016年以来就已存在，但最近的发展旨在实现工业化规模：MEPhI的专家在2023年底表示，这些电池可能在5-6年内(2028-2029年)进入大规模生产。

主要障碍仍然是同位素的极高成本。截至2026年初，一克放射性镍-63的成本约为4,000美元。俄罗斯研究人员目前正在寻找工业合作伙伴，特别是在Rosatom的专门核中心(如Sarov或Mayak)，通过规模化的同位素富集来降低成本。

NRNU MEPhI的研究人员最近将重点转向了核能电池设计的“原创替代方法”，这种方法摆脱了传统的分层结构，以提高效率和可扩展性。MEPhI最重要的最新发展是原型，它利用材料整个体积的能量转换，而不仅仅是表面界面。

传统的“平面”电池(如MIPT或中国公司的电池)会损失大量能量，因为许多β粒子在到达转换器之前就被源本身吸收了。MEPhI设计使用密集堆积的镍纳米团簇集合，具有特定的尺寸分布，沉积在介电(氧化硅)表面上。这在纳米结构薄膜内部直接产生二次电子级联，显著增加了电流信号。MEPhI科学家表示，这种方法具有普适性，可以扩展到亚千瓦级别的功率水平，远远超过当前硬币大小电池的微瓦级别。

VNIINM是开发俄罗斯核能电池“源”部件的主要科学中心。虽然MEPhI专注于能量转换的物理原理，但VNIINM专门研究材料科学，特别是生产用于供电所需的放射性同位素并使其稳定化，并在镍-63(Ni-63)源的工业化方面发挥了重要作用。

他们开发了一种用于制造超薄放射性箔的专门技术。这些箔必须足够薄以防止“自吸收”(β粒子被困在镍本身内部)，但又足够致密以向半导体提供稳定的电子通量。通过完善这些Ni-63源的化学纯度，Bochvar实现了电池设计，使其在50至100年的运行寿命内没有功率衰减。

在特定的“核能电池”层次结构中，VNIINM(Bochvar)充当放射性源的首席设计者，而采矿与化学联合企业(MCC)处理富集，NUST MISIS或MEPhI处理半导体转换。

VNIINM及其在Rosatom内的合作伙伴采用分层安全策略，将“核能电池”视为密封放射性源，确保放射性材料即使在极端机械或环境应力下也保持密封。为了满足国际和俄罗斯(Rostekhnadzor)法规，原型经过严格的“滥用试验”以模拟事故。

选择镍-63提供了固有的安全优势。它发射低能β粒子，无法穿透一张纸或人体皮肤。与某些同位素不同，Ni-63不产生显著的γ辐射，这意味着电池外壳本身为用户提供了100%所需的屏蔽。

镍-63的半衰期(100年)比氚(12.3年)长得多。它是一种金属，使其在物理上比氚更稳定。Bochvar通过电镀将其沉积在箔上，创建了一种无法吸入或在外壳破裂时轻易分散的源。考虑到俄罗斯对北极和空间应用的关注，他们的电池经过测试，能够承受比基于氚的美国同类产品更高的机械极限。试验包括专门的浸没和高压试验，以确保它们在深海或永久冻土环境中保持防泄漏。

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