池与传统的核反应堆相比,其结构和使用方式更为简单,主要原因在于它依赖的是衰变过程而非裂变来释放能量。这种方式使得池不需要庞大的系统,并且可以选择衰变过程中几乎不产生伽玛辐射或中子辐射的放射性同位素,因而减少了的需求。这种设计也限制了池的功率输出。与此我们面临一个重要的技术问题——手机的功耗到底是多少?如果想要用池为手机提供所需的功率,又会面临哪些挑战?尽管池通过封装或能有效限制其放射性物质的泄漏,它仍然是一种放射源,这一点无法避免。
以iPhone6为例,其电池容量为3.82V、1810mAh。假设每天充电一次,其平均功耗大约为0.29瓦特(W)。
在讨论放射性物质时,通常用“活度”来衡量其放射性强度。传统单位“居里”与贝可(Bq)之间有换算关系,1居里等于3.7×10^10贝可。每秒钟发生一次衰变的放射性核素其活度为1贝可。辐射释放的能量常用MeV或KeV表示,其中1MeV约等于1.6×10^-13焦耳。举例来说,1居里活度、衰变能量为1MeV的放射性物质每秒钟释放的能量大致为5.92毫瓦。
以氚为例,它的最大衰变能量为18.6KeV,平均能量为5.7KeV。如果想要通过氚电池提供0.29瓦特的功耗,假设池的能量转换效率达到100%,则需要大约8.6千居里的氚。为了做个比较,普通手表中使用的氚管通常只有约25毫居里。按照当前市场氚的价格,要达到这种能量需求,至少需要数万美元的成本。如果采用实际效率较低的直接充电式池,所需的氚量将会翻倍,甚至更多。
如果我们考虑使用其他放射性物质,如锶90或氪85,这些同样是核裂变产物,且衰变能量更高(大约0.5至0.7MeV),那么问题将变得更加复杂。相比氚,这些放射性物质的辐射强度更为强烈,且需要更加严格的管理和控制。锶90或氪85的放射性活度甚至可能达到数百居里,它们被归类为三类放射源。没有适当的防护措施,接触这类放射源几小时便可能对造成永久伤害,甚至几天或几周内就能致命。将如此高强度的辐射源放入手机中并携带使用,显然是极其危险的。
另一个不可忽视的问题是池的体积和功率。现实中,大多数实用池的功率非常低,通常在微瓦或毫瓦级别。这些低功率电池常见于一些能量需求较小的设备,并且使用了高效的直接充电式、气体电离式或辐射伏特效应转换技术。要想让池的功率达到数百毫瓦或几瓦的级别,其技术难度非常高。
目前,只有少数深空探测器使用的热电转换型池能够提供较高的功率,这些电池的放射源一般是钚238或钋210。尽管钚238和钋210的放射性和化学毒性极为强大,它们的价格也非常昂贵。例如,钚238的摄入限量为2.4×10^-9克,而钋210则因为其剧毒性而臭名昭著,其毒性是的2.5亿倍。
从手机使用的寿命来看,最合适的池应当采用半衰期较短(1至3年)、仅释放α或β射线、能量在MeV级、几乎不产生γ辐射的核素。这种核素应该具有稳定的化学性质,以确保安全性。如果能够找到符合这些条件的材料,并且相关核安全法规允许购买,那么这种池的体积可能会稍大于普通手机电池,并且会产生较大的热量。因为热电转换型池的效率通常较低,只有几个百分点,所以手机将不可避免地产生几瓦到几十瓦的热量,手机变得更像一个暖手宝,而非高效的通信工具。
至于氚的价格,有些技术方案曾提到通过泄漏中子来生产氚,但由于中子流量极低,这样的方式并不实际。更经济的方式是使用锂替代一部分站中的控制棒和调节棒,或者直接从重水堆(如CANDU反应堆)的慢化剂中提取氚。
在21世纪初,美国能源部曾在田纳西河流域的WattsBar站试验生产氚,目的是为了维持库中氚的库存。这一生产过程涉及在反应堆中插入特定的产氚可燃毒物棒(TPBAR)。通过这种方式,每年可生产约3千克氚,而其运行成本每年需要约2千万至6千万美元,这还不包括建设提取设施的费用。根据市场价格,商业氚的价格大约是每居里2美元。
虽然站在运行过程中会释放少量的氚,但由于其浓度非常低,因此这些氚并没有回收的经济意义。压水堆每年会有数千居里的氚排放,而CANDU堆的排放量则相对较大,但也同样不具备回收价值。