當核能技術與集成電路在實驗室相遇，會碰撞出怎樣的火花？近日，我國首款超長壽命碳-14核電池“燭龍一號”原型機工程樣機成功問世。該樣機由西北師范大學與無錫貝塔醫藥科技有限公司共同研制完成，標志著我國在核能技術領域與微型核電池領域取得重大突破。
“國家多個部門聯合發布核技術及核產業發展相關文件，為我們指明了方向。”西北師范大學物理與電子工程學院副院長蘇茂根向《中國科學報》介紹，“我們團隊成員在碳化硅換能器件理論計算和核電池工藝設計方面取得了不錯的進展，但缺少碳-14放射源。”
與此同時，研究團隊了解到無錫貝塔醫藥科技有限公司是一家擁有碳-14全產業鏈技術的企業，擁有輻射安全資質和專業的同位素標記實驗室，也在開拓碳-14標記創新藥之外的應用場景。
據了解，使用碳-14作為放射源，主要因為其安全性高，發出的β射線能量低，不易穿透皮膚，又不釋放γ射線，降低了防護難度，且碳-14半衰期長達5730年，能提供持續、穩定的能量，適用于微功耗設備長期供電。綜合來看，碳-14是β輻伏核電池的理想選擇。
“我們研發的碳化硅換能器件和儲能模塊的設計方案終于派上了用場。”蘇茂根說。在了解彼此的需求后，雙方一拍即合，技術與資源的互補讓開發碳-14核電池的軟硬件條件具備，合作研發之路就此開啟。
“我們團隊成員各施所長，共同攻克技術難題。”西北師范大學副教授曹世權補充道，“團隊成員主要來自西北師范大學物理與電子工程學院，涵蓋核物理、材料科學、微電子等多個學科。這是一個充滿活力和創新精神的團隊，大家為了同一個目標會聚在一起。”
核電池的核心是放射源，其活度和穩定性影響性能。而碳-14作為放射源，天然儲量低，需人工制備且標記到高含碳量化合物上，整個過程損耗大，保證總收率超90%是降低成本的關鍵，但技術難度高。
“無錫貝塔醫藥科技有限公司歷經15年攻關，已突破高比活度碳-14源標記技術，實現了從碳酸鋇到高含碳量化合物的高效轉移，確保總收率達標，為核電池提供了穩定、高品質的放射源。”蘇茂根說。
解決了放射源的問題，研發團隊需要構建模型，仿真計算核電池性能，預測功率、效率等指標。然而，核電池結構復雜，涉及多種物理效應，精確仿真難度大，理論與實際值差距大。
“理論設計與評估是研發的起點，其精度直接決定核電池性能。”蘇茂根介紹說，研發團隊創新評估方法，結合數值模擬與解析建模，精細調整模型參數，破解了仿真計算精度難題。經過大量優化，理論功率與實際值差距縮小至不足20%，為設計優化和性能提升提供了有力指導。
“通過前面的理論設計和計算，我們的換能器件能將放射源的能量高效轉化為電能。”蘇茂根指出，換能器件作為核心組件，需要確保放射源與之完美匹配，以實現最佳的能量轉換效果。
為此，研究團隊經過3年技術攻關，成功掌握了高質量、高穩定性的換能器件制備技術。同時，團隊成功研發了一種平面布局的封裝技術。這種技術不僅能夠有效保護核電池的內部結構，還能屏蔽輻射，使其可以在多種復雜環境下穩定工作。該技術的突破性進展，使得核電池的性能和安全性得到了顯著提升。
回顧研發歷程，讓團隊印象深刻的是2024年11月23日，他們第一次成功點亮搭載“燭龍一號”的LED燈。蘇茂根回憶說：“當時，雖然準備工作都做得很充分，但LED燈并沒有如期點亮，大家焦急地檢查各個環節，最終發現是接觸問題。調整后，燈光亮起的瞬間，整個實驗室都沸騰了，那一刻，所有的努力和付出都得到了回報。”
“燭龍一號”核電池雖然體積小巧，卻有著令人驚嘆的優勢。它擁有超長壽命，碳-14的半衰期長達5730年，理論壽命可達數千年，能在-100℃至200℃的極端溫度環境下穩定工作，適應性極強。它還擁有超高能量密度，50年設計壽命內性能衰減率小于5%，支持毫瓦級脈沖放電及能量智能管理。蘇茂根表示：“這款核電池從核心材料研發到換能器件制造，擁有完全自主知識產權。”
目前，“燭龍一號”實現了“從0到1”的關鍵技術突破，但還處于工程樣機階段，團隊正專注于進一步優化和改進。
未來，研究團隊將進一步開展核電池的小型化和低成本化研究，正在研制的“燭龍二號”將在體積、安全防護和封裝上實現新突破，功率密度有望提高1倍，爭取早日實現產業化。
曹世權告訴記者：“在產業化過程中，可能會面臨產能、成本控制以及市場認知度等方面的挑戰，但我們對這款核電池的市場前景充滿信心。我們認為核電池技術在醫療、物聯網、極端環境探測等領域有著廣闊的應用前景。”
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