DARPA竞逐放射性伏特电池技术

这可以称为一场能源竞赛。美国国防高级研究计划局（DARPA）新研究项目的入选团队将竞相设计放射性伏特电池，目标是使其在功率密度测试中超越其他设计，并耐受来自美国陆军研究实验室线性加速器的高通量辐射。表现最佳的团队还需通过第二轮筛选，展示其电池在时间胶囊隔离环境及更严酷的高通量辐射下的性能。最终脱颖而出的方案将有机会被整合为放射性同位素供能系统，特别适用于太空高辐射区域或地球上的黑暗偏远地区。

这场看似科幻与现实电视竞赛结合的项目，实则是通过先进载电材料将核辐射能量直接转化为电力的重大工程尝试。DARPA国防科学办公室（DSO）项目经理塔比莎·多德森告诉《核新闻》：“令人兴奋的是，这次并非典型的阶段式结构。团队需要通过竞争淘汰机制晋级。这将是一个有趣的环节。”

从构想到行动：去年夏天，《核新闻》报道了DARPA关于放射性伏特电力系统的信息征询（DARPA希望绕过核能系统中的热中介步骤）。当时多德森表示，反馈将验证是否有‘足够的科学依据’支持DARPA投资。

建议如潮水般涌来——DARPA收到60多份提案，均提出利用近期材料和耐辐射技术突破的放射性伏特方案。如今DARPA迈出了下一步。6月20日，该机构发布了名为“辐射到电力”（Rads to Watts）的30个月项目征集书。多个团队将设计单元电池、达成里程碑并超越项目参数，以验证核辐射能直接发电的不同技术路线。

摘要提交截止日为7月10日，完整提案需在8月20日前递交。项目预计12月启动，分为三个周期：14个月的基础期、第16-24个月的选项期1，以及第25-30个月的选项期2（即“奖励期”）。

宏观图景：太空是放射性伏技术可能颠覆现状的领域之一。多德森指出：“太空存在太阳能电池板完全无效的区域”，以及使用受限的区域，包括“地球轨道中辐射较强、太阳能电池板寿命仅数月的区域”。尽管多德森更关注太空应用——她在DARPA的工作包括主导核热推进火箭项目DRACO（敏捷月球轨道演示火箭）——但放射性伏特技术也有地面应用前景。

“机构层面的愿景是，这项技术适用于任何需要能源但缺乏电池或燃料供应链的任务场景，或无法使用太阳能电池板的环境——比如海底、北极冬季等长期黑暗且难以到达之地。”多德森解释道。

辐射源的多样性也是关键：“理论上适用于任何辐射源，从自然衰变的放射性同位素到释放中子和伽马射线的反应堆。”多德森表示放射性同位素电源是“近期更简单”的选择。

该项目的创新点在于瞄准高功率目标。多德森定义：“我们设定为超过1千瓦。未来的愿景可能是兆瓦级，但现阶段需证明单元电池能在高通量及注量（通量乘以运行时间）下存活，从而组装成大阵列。”

多样化任务设计：团队可为不同任务场景定制设计。征集书指出：“通过允许团队选择单元电池的功率密度和寿命组合，DARPA旨在评估不同材料、机制和架构的放射性伏特技术性能边界。”

提案须说明设计如何适配特定任务，例如：“支持地面行动、持续数天的3000瓦系统；支持水下或北极行动、持续数周或月的2000瓦系统；或支持太空任务、持续数年1000瓦的系统。”

为评估设计方案，DARPA将采用“品质因数”指标，体现“功率密度与累积辐射剂量耐受性之间的平衡关系”。具体为“功率密度乘以运行时间”，以权衡功率密度与系统寿命。提案团队需自主定义目标运行时间、功率密度及辐射源类型。

当前局限：“现有放射性伏技术多受光伏技术启发，基于传统P-N结半导体，”多德森指出。低功率放射性伏设备目前应用有限，高能辐射导致的材料损伤是主要挑战。

太空应用中，DARPA设想的放射性伏设备不仅比太阳能电池板更耐用，还能折叠成紧凑几何形态以实现高功率。相比之下，NASA科学任务中常用的放射性同位素热电机（RTG）以钚-238衰变产热发电，效率受限于热能转换。DARPA称：“放射性伏技术在单位质量功率输出上可能比现有RTG提高10到100倍。”

技术验证：“第一阶段就要求团队获取单元电池的辐射衰减数据，”多德森强调。单元电池需包含源区、电荷生成区和收集区。单个单元可能仅产生毫瓦级功率，但阵列可达到千瓦级。

除团队自选辐射源外，还将用直线加速器“以远超太空测试标准的辐射剂量验证材料耐受性”。征集书规定，15个月筛选时单元电池应实现零衰减，24个月筛选时（经1000倍注量辐射后）衰减需低于20%。

进入奖励期的团队需将单元电池整合为高功率系统设计，“供后续合作伙伴或项目建造实施，”多德森总结道。