当核能技术与集成电路在实验室相遇，会碰撞出怎样的火花？近日，我国首款超长寿命碳-14核电池“烛龙一号”原型机工程样机成功问世，由西北师范大学与无锡贝塔医药科技有限公司共同研制完成。这标志着我国在核能技术领域与微型核电池领域取得重大突破。
“烛龙一号”整体外观。西北师范大学供图。
契合需求，校企携手踏上研发征程
“国家多个部门联合发布核技术及核产业发展相关战略性文件，为我们指明了方向。”西北师范大学物理与电子工程学院副院长苏茂根介绍道，“我们团队成员在碳化硅换能器件理论计算和核电池工艺设计方面取得不错进展，但缺少碳-14放射源。”
此时，了解到无锡贝塔医药科技有限公司是国内乃至全球唯一拥有碳-14全产业链技术的企业，拥有辐射安全资质和专业的同位素标记实验室，也在开拓碳-14标记创新药之外的应用场景。
据了解，使用碳-14作为放射源，主要因为其安全性高，发出的β射线能量低，不易穿透皮肤，且不释放γ射线，降低了防护难度，且碳-14半衰期长达5730年，能提供持续稳定的能量，适用于微功耗设备长期供电。综合来看，碳-14是β辐伏核电池的理想选择。
“我们研发的碳化硅换能器件和储能模块的设计方案终于派上了用场。”了解到对方的需求后，双方一拍即合，技术与资源的互补让开发碳-14核电池的软硬件条件齐备，就此开展了合作研发之路。
“我们团队成员各展所长，共同攻克技术难题。”曹世权副教授补充道，“团队成员主要来自西北师范大学物理与电子工程学院，涵盖核物理、材料科学、微电子等多个学科。这是一支充满活力和创新精神的团队，大家为了同一个目标汇聚在一起。”
研究团队正在进行试验。西北师范大学供图。
攻坚克难，研发之路亮点频现
核电池的核心是放射源，其活度和稳定性影响性能。而碳-14作为放射源，天然储量低，需人工制备且标记到高含碳量化合物上，整个过程损耗大，保证总收率超90%是降低成本的关键，但技术难度高。
“无锡贝塔医药科技有限公司历经15年攻关，早已突破高比活度碳-14源标记技术，实现了从碳酸钡到高含碳量化合物的高效转移，确保总收率达标，为核电池提供稳定高品质的放射源。”苏茂根说。
解决完放射源的问题，研发团队需要构建模型，仿真计算核电池性能，预测功率、效率等指标。然而，核电池结构复杂，涉及多种物理效应，精确仿真难度大，理论与实际值差距大。
“理论设计与评估是研发的起点，其精度直接决定核电池性能。”研发团队创新评估方法，结合数值模拟与解析建模，精细调整模型参数，突破了仿真计算精度难题。经过大量优化，理论功率与实际值差距缩小至不足20%，为设计优化和性能提升提供有力指导。
“通过前面的理论设计和计算，我们的换能器件能高效将放射源的能量高效转化为电能。”苏茂根强调，换能器件作为核心组件，需要确保放射源与换能器件的完美匹配，以实现最佳的能量转换效果。
为此，研究团队经过3年技术攻关，成功掌握了高质量、高稳定性的换能器件制备技术。同时，团队成功研发了一种平面布局的封装技术。这种技术不仅能够有效保护核电池的内部结构，还能屏蔽辐射，使其能够在多种复杂环境下稳定工作。该技术的突破性进展，使得核电池的性能和安全性得到了显著提升。
回顾研发历程，让团队印象深刻的是去年11月23日，他们第一次成功点亮搭载“烛龙一号”的LED灯。苏茂根说：“当时，虽然准备工作都做得很充分，但LED灯并没有如期点亮，大家焦急地检查各个环节，最终发现是接触问题。调整后，灯光亮起的瞬间，整个实验室都沸腾了，那一刻，所有的努力和付出都得到了回报。”
“烛龙一号”原型机。西北师范大学供图。
优势尽显，微小身躯蕴含巨大能量
“烛龙一号”核电池虽体积小巧，却有着令人惊叹的优势。它拥有超长寿命，碳-14的半衰期长达5730年，理论寿命可达数千年，能在-100℃至200℃极端温度环境下稳定工作，适应性极强。它还拥有超高能量密度，50年设计寿命内性能衰减率小于5%，支持毫瓦级脉冲放电及能量智能管理。苏茂根表示，“这款核电池从核心材料研发到换能器件制造，拥有完全自主知识产权。”
目前，“烛龙一号”实现了从0到1的关键技术突破，但还处于工程样机阶段，团队正专注于进一步优化和改进。“未来，我们将进一步开展核电池的小型化和低成本化研究，‘烛龙二号’将在体积、安全防护和封装上实现新突破，功率密度有望翻一倍，争取早日实现产业化。”曹世权表示，“在产业化过程中，可能会面临产能、成本控制以及市场认知度等方面的挑战，但我们对这款核电池的市场前景充满信心。我们认为核电池技术在医疗、物联网、极端环境探测等领域有着广阔的应用前景。”
“烛龙一号”的成功研制是我国核能技术领域的一次重大突破，也是校企合作的典范成果。未来，随着技术的不断优化和产业化进程的推进，这款核电池将在更多领域发挥重要作用，为我国能源技术、微机电技术的发展和产业升级注入新的动力。
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