我国学者在锕系微型核电池方面取得进展

　　

图 锕系微型核电池设计理念示意图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：22425061、22222606、22206143、22227809）等资助下，苏州大学王殳凹、王亚星以及西北核技术研究所和湘潭大学欧阳晓平等科研人员合作，提出了一种基于“内置能量转换器”的锕系微型核电池设计理念，通过锕系元素与发光镧系元素的分子层级耦合，实现了锕系核素衰变能到光能转换效率近8000倍的提升，并组装了目前已知效率最高的辐光伏核电池。研究成果以“基于内置能量转换器的微型核电池（Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer）”为题，于2024年9月18日发表在《自然》（Nature）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07933-9。

　　微型核电池是将放射性同位素衰变能转换为电能的装置，得益于放射性同位素衰变不受外界环境影响的特性，微型核电池在诸多传统电池难以胜任或面临挑战的应用场景中，成为了一种持久且不可或缺的能源解决方案。面对核废料中锕系核素这一长期放射性的主要源头，其超长的半衰期和高达兆电子伏特的α（alpha）衰变能促使科学家们探索开发锕系微型能源的可能性。然而，传统微型核电池构型中，严重的自吸收效应阻碍了锕系衰变能的转换（图左所示），使得开发高效锕系放射性同位素微核电池极具挑战。

　　研究团队从射线与物质相互作用的本质出发，提出了一种基于“内置能量转换器”的锕系微型核电池架构，通过将锕系核素²⁴³Am掺杂到发光镧系（Tb³⁺）元素配位聚合物中，实现了放射性核素与能量转换单元的分子层级耦合。在仅使用不到10 μCi ²⁴³Am的情况下，观测到了内置能量转换器中锕系核素内辐照诱导的自发光现象。进一步研究表明，从衰变能到自发光的能量转化效率比传统结构提高了近8000倍。通过将内置能量转换器与光伏电池相结合能够将自发光转化为电力输出，得到了一种新型微型辐光伏核电池，实现了文献报道最高的0.889%的总能量转换效率和139μW?Ci^-1的单位活度功率。

　　该成果为锕系核素在非核燃料循环领域的资源化利用打开了新的研究方向。