在我国核能快速发展的背景下,伴随而来的大量核废料中含有半衰期长达数千年到百万年的锕系核素,长期被视为环境负担。为此,苏州大学王殳凹、王亚星和西北核技术研究所/湘潭大学欧阳晓平等提出了一种新型锕系辐射光伏核电池的技术方案,通过创新设计将核废料中锕系核素衰变释放的能量转化为持久电能,实现了变废为宝。
传统辐射光伏核电池在利用锕系核素衰变能时,会受到α粒子自吸收效应的限制,导致能量转换效率较低,难以充分发挥锕系核素所蕴含的巨大能量。为突破这一瓶颈,该团队通过引入“聚结型能量转换器”概念,通过在分子级别上将放射性核素与能量转换单元紧密耦合,从根本上克服了自吸收效应,大幅提升了衰变能转换效率。实验中,研究团队将核废料中关键的锕系核素243Am均匀掺入稀土发光配位聚合物晶格中,形成了紧密耦合的晶体结构。结果表明,在1%的243Am掺杂条件下,该材料在内辐照下可产生肉眼可见的自发光,其衰变能到光能转换效率可达3.43%。进一步结合钙钛矿光伏电池后,总能量转换效率突破0.889%,单位活度功率可达139 μW·Ci⁻¹,并在连续运行200小时的测试中展现出优异的性能稳定性。
这一锕系辐射光伏核电池设计思路,在锕系元素化学与能量转换器件之间架起了桥梁,兼具基础研究深度和潜在应用前景,为高效微型核电池开发提供了理论基础,也为放射性废物的资源化利用提供了新的思路。