CN116490934A - 核电池 - Google Patents
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Abstract
提供了一种核电池。核电池包括辐射源层、第一电绝缘体层、壳体层、第一电极和第二电极。辐射源层包括可配置成发射β辐射的组合物。第一电绝缘体层设置在辐射源层上方。壳体层设置在第一电绝缘体层上方。壳体层包括配置成抑制β辐射的穿过的组合物。第一电极与辐射源层电连通。第二电极与壳体层电连通。当辐射源层发射β辐射时，在第一电极与第二电极之间存在电压电势。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年11月4日提交的、名称为“核电池(NUCLEAR BATTERY)”的美国非临时申请第17/089,249号的权益，其内容在此通过引用整体并入本文。
背景技术
放射性同位素热发生器(RTG)产生热并利用热电偶将热转换成电。钚-238通常在RTG中使用，原因是它具有87.7年的期望半衰期，并且钚-238发射α辐射，该α辐射在钚-238周围的材料中快速减速以产生热。另外，钚-238基本上不产生γ辐射，并且α辐射的减速基本上不产生γ辐射，这使允许钚-238供电的RTG紧邻人和/或辐射敏感电子器件使用所需的辐射屏蔽最小化。然而，在RTG中使用钚-238存在挑战。
发明内容
本公开提供了一种核电池。核电池包括辐射源层、第一电绝缘体层、壳体层、第一电极和第二电极。辐射源层包括可配置成发射β辐射的组合物。第一电绝缘体层设置在辐射源层上方。壳体层设置在第一电绝缘体层上方。壳体层包括配置成抑制β辐射的穿过的组合物。第一电极与辐射源层电连通。第二电极与壳体层电连通。当辐射源层发射β辐射时，在第一电极与第二电极之间存在电压电势。
应当理解，本说明书中描述的发明不限于本发明内容中总结的示例。本文描述和例示了各种其他方面。
附图说明
通过参考结合附图对示例进行的以下描述，示例的特征和优点以及实现它们的方式将变得更明显，并且将更好地理解示例，其中：
该图是根据本公开的核电池的部分横截面。
本文阐述的范例以一种形式示出了某些示例，并且这样的范例不应被解释为以任何方式限制示例的范围。
具体实施方式
现在将描述本公开的某些示例性方面以提供对本文公开的组合物、功能、制造以及组合物的用途和方法的原理的全面理解。在附图中示出了这些方面的一个或多个示例。本领域普通技术人员将理解，本文具体描述并且在附图中示出的组合物、制品和方法是非限制性的示例性方面，并且本发明的各种示例的范围仅由权利要求限定。结合一个示例性方面示出或描述的特征可以与其他方面的特征组合。这样的修改和变化旨在包括在本发明的范围内。
整个说明书中对“各种示例”、“一些示例”、“一个示例”、“示例”等的引用意味着结合该示例描述的特定特征、结构或特性包括在示例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在各种示例中”、“在一些示例中”、“在一个示例中”、“在示例中”等不一定都指代同一示例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个示例中以任何合适的方式组合。因此，结合一个示例示出或描述的特定特征、结构或特性可以全部或部分地与另一示例或其他示例的特征、结构或特性组合而无限制。这样的修改和变化旨在包括在本示例的范围内。
通常，RTG仅从通过来自钚-238的α辐射的减速产生的热能生成电能。然而，钚-238可能是不期望的燃料。另外，以前未使用过β发射组合物，原因是β辐射可以产生轫致辐射发射(例如，γ辐射)，轫致辐射发射可能是不期望的并且需要不期望的大辐射屏蔽层。此外，难以增加RTG的功率密度。因此，本发明人提供了一种核电池，该核电池可以直接从β辐射发射生成电能，而不需要首先从β辐射产生热能，增加RTG的功率密度和/或降低电屏蔽要求。在各种示例中，核电池可以直接从β辐射和从热能两者生成电能。
参考附图，提供了核电池100。核电池100包括辐射源层102、第一电绝缘体层104、壳体层106、第一电极108和第二电极110。在一些示例中，核电池100可选地包括第二电绝缘体层112、辐射屏蔽层114、热能收集装置116和热绝缘层118。
核电池100可以配置为电池板、棒或其他形状。在各种示例中，核电池102可以包括如图所示的单个电池板或多个电池板(未示出)。在核电池100的棒状构造中，层102、104、106、112、114和118中的每一个可以具有如图所示的竖直横截面。可以控制棒的长度以产生期望量的电功率。棒形状可以是螺旋棒形状以使实现期望功率输出所需的空间最小化。
辐射源层102包括可配置成发射β辐射的组合物。例如，辐射源层102可以包括铥、铥同位素、锶、锶同位素或其组合。在某些示例中，辐射源层102包括发射β辐射的放射性同位素。辐射源层102可以是板状或棒状的。辐射源层102可以以基于待发射的β辐射的期望量的厚度被生产。例如，辐射源层102的厚度可以为1mm。辐射源层102的尺寸可以设定大小以产生期望量的电功率。
第一电绝缘体层104设置在辐射源层102上方。例如，第一电绝缘体层104可以与辐射源层102直接接触并围绕该辐射源层。第一电绝缘体层104可以包括适合于在辐射源层102与壳体层106之间提供期望电阻的组合物和厚度。例如，第一电绝缘体层可以包括金属氧化物。在各种示例中，第一电绝缘体层可以包括氧化镁、氧化铝、金刚石或其组合。
壳体层106设置在第一电绝缘体层104上方。例如，壳体层106可以与第一电绝缘体层104直接接触并围绕该第一电绝缘体层。壳体层106包括配置成抑制β辐射(例如，减慢β辐射)穿过壳体层106的组合物和厚度。例如，壳体层106可以包括金属或金属合金，例如原子序数为13或以下的金属，或具有原子序数为13或以下的原生金属的金属合金。在各种示例中，壳体层可以包括铝、铝合金、镁或镁合金。在壳体层106包括具有原子序数为13或以下的金属的组合物的示例中，由于抑制β辐射穿过壳体层106产生的轫致辐射(如果有的话)可以最小。因此，可以减小辐射屏蔽层114的尺寸。
第一电极108与辐射源层102电连通。第一电极108可以与壳体层106、辐射屏蔽层114和核电池110中除了辐射源层102之外的任何其他导电层电绝缘。在各种示例中，第一电极108具有正极性。
第二电极110与壳体层106电连通。第二电极110与辐射屏蔽层114和辐射源层102电绝缘。在各种示例中，第二电极110具有负极性。
由辐射源层102发射的β辐射可以直接用于产生电能而不需要首先产生热能。例如，由辐射源材料102发射的β辐射可以穿过第一电绝缘体层104到达壳体层106。β辐射的穿过可以在辐射源层102与壳体层106之间产生电压电势。例如，β辐射可以包括可以转移到壳体层106的电子。
第一电绝缘体层104可以配置有一定厚度以在辐射源材料102与壳体层106之间产生期望电阻，同时使得β辐射能够穿过第一电绝缘体层104，使得可以产生电压电势。因此，由于第一电极108与辐射源层102之间的电连通以及第二电极110与壳体层106之间的电连通，当辐射源层102发射β辐射时，在第一电极108与第二电极110之间存在电压电势。在典型RTG中使用的α辐射发射器将不能实现期望的电压电势，原因是α辐射仅在固体材料中行进非常短的距离。
第二电绝缘体层112设置在壳体层106上方。例如，第二电绝缘体层112可以与壳体层106直接接触并围绕该壳体层。第二电绝缘体层112可以包括适合于在壳体层106与辐射屏蔽层114之间提供期望电阻的组合物和厚度，使得辐射屏蔽层114被抑制干扰在壳体层106与辐射源层102之间生成的电势。例如，第二电绝缘体层112可以包括金属氧化物。在各种示例中，第二电绝缘体层112可以包括氧化镁、氧化铝、金刚石或其组合。第二电绝缘体层112可以是导热的。因此，通过抑制β辐射的穿过而在壳体层106中生成的热被传导到辐射屏蔽层114。
辐射屏蔽层114设置在第二电绝缘体层112上方。例如，辐射屏蔽层114可以与第二电绝缘体层112直接接触并围绕该第二电绝缘体层。辐射屏蔽层114可以包括适合于抑制γ辐射穿过辐射屏蔽层114的组合物和厚度。例如，辐射屏蔽层114可以包括金属或金属合金。在各种示例中，辐射屏蔽层114可以包括钨、钨合金、铁、铁合金、铀、铀合金或铀化合物。辐射屏蔽层114可以与壳体层106热连通。辐射屏蔽层114可以通过抑制来自壳体层106的额外β辐射和/或轫致辐射穿过辐射屏蔽层114来产生热能。
热能收集装置116与辐射屏蔽层114物理接触，并且配置成从辐射屏蔽层114接收热能并将热能转换成电能。例如，热能收集装置116可以包括热电偶。在各种示例中，可以以典型RTG使用的方式收集来自辐射屏蔽层114的热能。
由于辐射屏蔽层116可以被热能加热，因此热绝缘层118可以设置在辐射屏蔽层114上方，使得来自核电池100的热能的对流损失减少，从而提高核电池100的效率。例如，热绝缘层118可以与辐射屏蔽层116直接接触并围绕该辐射屏蔽层。热绝缘层118可以包括玻璃纤维、二氧化硅、碳、其他热绝缘材料及其组合。
如本文所述，核电池100可以利用热能收集装置116将热能转换成电能并且通过直接从辐射源层102发射β辐射来生成电能。核电池100可以配置成从第一电极108和第二电极110输出至少0.1瓦特/核电池的立方厘米体积(瓦特/cm3)，例如，至少0.5瓦特/cm3、至少1瓦特/cm3、至少2瓦特/cm3、至少10瓦特/cm3或至少50瓦特/cm3。
核电池100可以在需要基本恒定的电源的各种应用中使用。核电池100可以用于为军事装备的计算机或通信装置供电，或者其可以用于为诸如飞机或潜艇的无人驾驶载具供电，或者其可以在诸如电动汽车的民用应用中使用，以通过为诸如内部加热或冷却的辅助功能供电来提供较长的行驶里程。
为无人驾驶载具供电还可以允许这些载具在通常不可实现的条件下操作。由于与当前使用的内燃发动机相反，核电池100不需要空气(例如氧气)来供电，因此载具可以在较高的海拔和/或较冷的温度下行进。
根据本公开的本发明的各个方面包括但不限于以下编号的条款中列出的方面。
1.一种核电池，包括：
辐射源层，其中所述辐射源层包括可配置成发射β辐射的组合物；
设置在所述辐射源层上方的第一电绝缘体层；
设置在所述第一电绝缘体层上方的壳体层，其中所述壳体层包括配置成抑制β辐射的穿过的组合物；
与所述辐射源层电连通的第一电极；以及
与所述壳体层电连通的第二电极，其中当所述辐射源层发射β辐射时，在所述第一电极与所述第二电极之间存在电压电势。
2.根据条款1所述的核电池，其中所述辐射源层包括铥、铥同位素、锶、锶同位素或其组合。
3.根据条款1-2中任一项所述的核电池，其中所述第一电绝缘体层包括金属氧化物。
4.根据条款1-3中任一项所述的核电池，其中所述第一电绝缘体层包括氧化镁、氧化铝、金刚石或其组合。
5.根据条款1-4中任一项所述的核电池，其中所述壳体层包括金属或金属合金。
6.根据条款1-5中任一项所述的核电池，其中所述壳体层包括铝、铝合金、镁或镁合金。
7.根据条款1-6中任一项所述的核电池，还包括：
设置在所述壳体层上方的第二电绝缘体层；
设置在所述第二电绝缘体层上方的辐射屏蔽层；以及
与所述辐射屏蔽层物理接触的热能收集装置，所述热能收集装置配置成将热能转换成电能。
8.根据条款7所述的核电池，还包括设置在所述辐射屏蔽层上方的热绝缘层。
9.根据条款7-8中任一项所述的核电池，其中所述热能收集装置包括热电偶。
10.根据条款7-9中任一项所述的核电池，其中所述辐射屏蔽层包括金属或金属合金。
11.根据条款7-10中任一项所述的核电池，其中所述辐射屏蔽层包括钨、钨合金、铁、铁合金、铀或铀合金。
12.根据条款7-11中任一项所述的核电池，其中所述第一电极与所述壳体层和所述辐射屏蔽层电绝缘。
13.根据条款7-12中任一项所述的核电池，其中所述第二电极与所述辐射屏蔽层电绝缘。
14.根据条款1-13中任一项所述的核电池，其中所述核电池配置成输出至少0.1瓦特/所述核电池的立方厘米体积。
15.根据条款1-14中任一项所述的核电池，其中所述辐射源层是板状的或棒状的。
在本说明书中描述了各种特征和特性以提供对包括所公开的方法和系统的本发明的组合物、结构、生产、功能和/或操作的理解。应当理解，本说明书中描述的本发明的各种特征和特性可以任何合适的方式组合，而不管这样的特征和特性是否在本说明书中以组合方式明确描述。发明人和申请人明确地意图将特征和特性的此类组合包括在本说明书中描述的本发明的范围内。因而，可以修改权利要求，从而以任何组合叙述本说明书中明确或固有地描述或者以其他方式由本说明书明确或固有地支持的任何特征和特性。此外，申请人保留修改权利要求以肯定地放弃现有技术中可能存在的特征和特性的权利，即使这些特征和特性未在本说明书中明确描述。因此，任何此类修改都不会向说明书或权利要求添加新的内容，并且将符合书面描述、描述的充分性和添加的内容要求。
关于所附权利要求，本领域技术人员将领会到其中所叙述的操作通常可以以任何顺序执行。此外，尽管以(一个或多个)顺序呈现了各个操作流程，但是应当理解，各个操作可以以不同于所示出的顺序的其他顺序执行，或者可以同时执行。这种备选排序的示例可以包括重叠、交错、中断、重新排序、递增、预备、补充、同时、反向或其他不同的排序，除非上下文另有指示。此外，除非上下文另有规定，否则像“响应于”、“相关”的术语或其他过去式的形容词通常不旨在排除此类变体。
本说明书中描述的(一个或多个)发明可以包括本说明书中描述的各种特征和特性，由其组成或基本上由其组成。术语“包括(comprise)”(和包括的任何形式，例如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”)、“具有(have)”(和具有的任何形式，例如“具有(has)”和“具有(having)”)、“包含(include)”(和包含的任何形式，例如“包含(includes)”和“包含(including)”)和“含有(contain)”(和含有的任何形式，例如“含有(contains)”和“含有(containing)”)是开放式连接动词。因此，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或多个特征和/或特性的方法或系统拥有该特征或这些特征和/或特性，但不限于仅拥有该特征或这些特征和/或特性。同样，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或多个特征和/或特性的组合物、涂层或过程的要素拥有该特征或这些特征和/或特性，但不限于仅拥有该特征或这些特征和/或特性，并且可以拥有附加特征和/或特性。
除非另有说明，否则本说明书(包括权利要求)中使用的语法冠词“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在包括“至少一个”或“一个或多个”。因此，在本说明书中使用冠词来指代该冠词的语法对象中的一个或一个以上(即，“至少一个”)。举例来说，“一组分”表示一个或多个组分，并且因此一个以上组分可能被设想并且可以在所述组合物、涂层和过程的实施中采用或使用。然而，应当理解，在一些情况下而不在其他情况下使用术语“至少一个”或“一个或多个”不会产生没有使用这些术语将语法冠词“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”的对象限制为仅一个的任何解释。此外，单数名词的使用包括复数，并且复数名词的使用包括单数，除非使用的上下文另有要求。
在本说明书中，除非另有说明，否则所有数值参数应理解为在所有情况下由术语“约”开头和修饰，其中数值参数拥有用于确定参数的数值的基本测量技术的固有可变性特征。在最低程度上，丝毫没有将等同原则的应用限制于权利要求的范围的意图，至少应该根据所报告的有效数位的数量并通过应用惯常的四舍五入法来解释本文中描述的每个数值参数。
本文所叙述的任何数值范围包括所叙述范围内包含的所有子范围。例如，“1至10”的范围包括所述最小值1与所述最大值10之间(并且包括所述最小值和所述最大值)，即，具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值的所有子范围。此外，本文所叙述的所有范围都包括所叙述范围的端点。例如，“1至10”的范围包括端点1和10。本说明书中叙述的任何最大数值限制旨在包括其中包含的所有较低数值限制，并且本说明书中叙述的任何最小数值限制旨在包括其中包含的所有较高数值限制。因此，申请人保留修改本说明书(包括权利要求)的权利，以明确叙述包含在明确叙述的范围内的任何子范围。所有此类范围在本说明书中都有固有描述。
如本说明书中所使用的，特别是与层相关，术语“在......上”、“到......上”、“在......上方”及其变体(例如，“施加在......上方”、“形成在......上方”、“沉积在......上方”、“设置在......上方”、“位于......上方”等)意指施加、形成、沉积、设置或以其他方式位于衬底的表面上方，但不一定与衬底的表面接触。例如，“施加在”衬底上方的层不排除存在位于所施加的层与衬底之间的相同或不同组合物的另一层或其他层。同样，“施加在”第一层上方的第二层不排除存在位于所施加的第二层与所施加的第一层之间的相同或不同组合物的另一层或其他层。
尽管上面为了说明目的已描述了本发明的特定示例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所附权利要求限定的本发明的情况下，可以对本发明的细节进行许多变化。
Claims (15)
1.一种核电池，包括：
辐射源层，其中所述辐射源层包括可配置成发射β辐射的组合物；
设置在所述辐射源层上方的第一电绝缘体层；
设置在所述第一电绝缘体层上方的壳体层，其中所述壳体层包括配置成抑制β辐射的穿过的组合物；
与所述辐射源层电连通的第一电极；以及
与所述壳体层电连通的第二电极，其中当所述辐射源层发射β辐射时，在所述第一电极与所述第二电极之间存在电压电势。
2.根据权利要求1所述的核电池，其中所述辐射源层包括铥、铥同位素、锶、锶同位素或其组合。
3.根据权利要求1所述的核电池，其中所述第一电绝缘体层包括金属氧化物。
4.根据权利要求1所述的核电池，其中所述第一电绝缘体层包括氧化镁、氧化铝、金刚石或其组合。
5.根据权利要求1所述的核电池，其中所述壳体层包括金属或金属合金。
6.根据权利要求1所述的核电池，其中所述壳体层包括铝、铝合金、镁或镁合金。
7.根据权利要求1所述的核电池，还包括：
设置在所述壳体层上方的第二电绝缘体层；
设置在所述第二电绝缘体层上方的辐射屏蔽层；以及
与所述辐射屏蔽层物理接触的热能收集装置，所述热能收集装置配置成将热能转换成电能。
8.根据权利要求7所述的核电池，还包括设置在所述辐射屏蔽层上方的热绝缘层。
9.根据权利要求7所述的核电池，其中所述热能收集装置包括热电偶。
10.根据权利要求7所述的核电池，其中所述辐射屏蔽层包括金属或金属合金。
11.根据权利要求7所述的核电池，其中所述辐射屏蔽层包括钨、钨合金、铁、铁合金、铀或铀合金。
12.根据权利要求7所述的核电池，其中所述第一电极与所述壳体层和所述辐射屏蔽层电绝缘。
13.根据权利要求7所述的核电池，其中所述第二电极与所述辐射屏蔽层电绝缘。
14.根据权利要求1所述的核电池，其中所述核电池配置成输出至少0.1瓦特/所述核电池的立方厘米体积。
15.根据权利要求1所述的核电池，其中所述辐射源层是板状的或棒状的。
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