辐致伏特/光伏双重效应多级同位素电池能量转换机制与性能优化研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11675076
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    72.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A30.核技术及其应用
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

According to the urgent demand for “high-efficiency & long-lifetime space nuclear battery technology” in the 13th Five-Year National Space Plan, a new dual energy conversion mechanism utilizing both radia-voltaic and radia-photovoltaic effects was proposed in this project. The project provides new ideas for the isotope battery theory and its preparation technology for the space exploration. This project intends to reveal the compound energy conversion mechanisms of “gamma decay energy to electric energy” and “gamma decay energy to photon energy to electric energy”. In order to realize efficient dual energy conversion, the functional mechanism between the semiconductor physical parameters and micro-nano structure of voltaic layer and the dual energy conversion effects will be studied. The relationship between gamma-ray characteristic parameters and radial luminescence efficiency will be discussed in detail. At the same time, a method for the fluorescence spectrum regulation and emission enhancement will be explored. Based on the above studies, the efficient coupler matching of voltaic layers and scintillator layers in the multilevel structure will be realized. Then, one radiation equivalent environment effect experiment will be carried out on the fabricated battery prototypes. The performance stability and service life of batteries can be evaluated and improved. This project aims to achieve “Conversion” optimization for isotope decay energy, “Loss” minimization, and “Output” maximization. A new isotope battery based on 60Co gamma source and multilevel compound energy conversion units with “voltaic layers and scintillator layers” will be developed in this project. This project will lay a foundation for exploring and verifying the feasible technology of efficient energy conversion and mW ~ W magnitude long-lifetime space isotope batteries.
基于我国航天《十三五》规划关于“高效率长寿命空间核电源技术”的迫切需求,探索辐致伏特/光伏效应相结合的双重能量转换新机制,为发展空间探索等领域所亟需的同位素电池理论及其研制技术开拓新思路。本项目拟研究揭示“γ衰变能→电能”+“γ衰变能→光能→电能”的混合换能机制;探究伏特层半导体物理参数及微纳结构与双重换能效应之间的作用机理,实现电池的双重高效换能;研究γ射线特性参数与辐致发光效率之间的响应关系,探索荧光光谱调控和发射增强方法,实现闪烁层与伏特层多级结构的高效耦合匹配;以制备样品为测试对象进行等效辐照环境效应实验,评估并改良电池性能稳定性及服役寿命;以期达到同位素衰变能量的“转换”最优化、“损耗”最小化以及“输出”最大化。项目将研发出一种采用Co-60 源、“伏特层+闪烁层”多级复式换能单元的新型同位素电池,为探索和验证高能量转化效率、mW-W量级长寿命空间同位素电池的可行性技术奠定基础。

结项摘要

同位素电池技术在深空探索、航天器件及电子设备的供电系统研发等领域具有重要意义,然而其实际应用与发展严重受限于其输出性能和稳定性。本项目在总结剖析当前同位素电池技术以及国内外研究进展的基础上,提出将“辐致伏特效应”和“辐致光伏效应”这两种能量转换机制综合利用,通过集之所长、避之所短,探索出可实现能量转换效率大幅提升的有效措施和设计方案。项目研发出一种基于60Co γ放射源的新型辐致伏特/光伏双重效应多级同位素电池,并围绕多级双重效应同位素电池的材料参数、结构设计、样品制备以及γ辐照损伤效应开展了一系列的深入研究,具体包括:1)建立了基于辐致伏特效应和辐致光伏效应相结合的双重效应多级同位素电池计算模型,剖析了其内在响应规律,获得了实现mW量级功率输出的设计方案;2)完成了伏特层材料与结构的设计、制备及电学性能测试,确定了伏特层的结构设计和物理参数;3)探究了γ射线与闪烁层之间的响应关系,实现不同级中闪烁层与伏特层的高效耦合匹配;4)在剂量率为0.103 kGy/h的60Co源激发下,优化后的双重效应同位素电池的开路电压和最大输出功率分别可达到7.77 V和7.98 μW,能量转化效率提升近一个数量级,且电学输出性能随源条件的增强也会更优;5)完成了射线对新型“伏特层+闪烁层”多级复式换能单元的长期作用效应研究,揭示了材料的辐照损伤机制。项目在新型同位素电池的能量转换机制、器件结构设计、功能材料制备、电池性能评价等方面拓展了研究思路,丰富了我国航天十三五规划中“高效率长寿命空间核电源技术”的研究内涵。

项目成果

期刊论文数量(32)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(5)
Multi-level radioisotope batteries based on 60Co γ source and Radio-voltaic/Radio-photovoltaic dual effects
基于Co-60伽玛源的射电/射电光伏双效多级放射性同位素电池
  • DOI:
    10.1016/j.sna.2018.04.010
  • 发表时间:
    2018-06-01
  • 期刊:
    SENSORS AND ACTUATORS A-PHYSICAL
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Guo, Xiao;Liu, Yunpeng;Tang, Xiaobin
  • 通讯作者:
    Tang, Xiaobin
Screen-printed radial structure micro radioisotope thermoelectric generator
丝网印刷径向结构微型放射性同位素温差发电机
  • DOI:
    10.1016/j.apenergy.2018.05.073
  • 发表时间:
    2018-09
  • 期刊:
    Applied Energy
  • 影响因子:
    11.2
  • 作者:
    Yuan Zicheng;Tang Xiaobin;Xu Zhiheng;Li Junqin;Chen Wang;Liu Kai;Liu Yunpeng;Zhang Zhengrong
  • 通讯作者:
    Zhang Zhengrong
Use the Indirect Energy Conversion of the Phosphor Layer to Improve the Performance of Nuclear Batteries
利用荧光粉层的间接能量转换来提高核电池的性能
  • DOI:
    10.1002/ente.201800091
  • 发表时间:
    2018-08
  • 期刊:
    Energy Technol
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zhang Zhengrong;Tang Xiaobin;Liu Yunpeng;Xu Zhiheng
  • 通讯作者:
    Xu Zhiheng
Electrodeposition preparation and optimization of fan-shaped miniaturized radioisotope thermoelectric generator
扇形小型放射性同位素热电发生器的电沉积制备及优化
  • DOI:
    10.1016/j.energy.2019.116873
  • 发表时间:
    2020-03
  • 期刊:
    Energy
  • 影响因子:
    9
  • 作者:
    Xu Zhiheng;Li Junqin;Tang Xiaobin;Liu Yunpeng;Jiang Tongxin;Yuan Zicheng;Liu Kai
  • 通讯作者:
    Liu Kai
Synergistic enhancement of CdSe/ZnS quantum dot and liquid scintillator for radioluminescent nuclear batteries
CdSe/ZnS量子点与液体闪烁体协同增强辐射发光核电池
  • DOI:
    10.1002/er.6213
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
    International Journal of Energy Research
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Xu Zhiheng;Zhang Zhengrong;Gamage Kelum A. A.;Liu Yunpeng;Ye Huangfeng;Tang Xiaobin
  • 通讯作者:
    Tang Xiaobin

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其他文献

切伦科夫光在生物成像技术中的应用及研究进展
  • DOI:
    10.16356/j.1005-2615.2015.05.001
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    南京航空航天大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈达;舒迪昀;汤晓斌
  • 通讯作者:
    汤晓斌
新型LaBr3 探测器数字化多道谱仪研制
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    核电子学与探测技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    韩镇阳;汤晓斌;龚频;王鹏;何建平;高乐;颜文
  • 通讯作者:
    颜文
Armor-like passivated CsPbBr3 quantum dots: boosted stability with hand-in-hand ligands and enhanced performance of nuclear batteries
铠甲状钝化CsPbBr3量子点:通过手拉手配体提高稳定性并增强核电池的性能
  • DOI:
    10.1039/d0ta12365j
  • 发表时间:
    2021-04
  • 期刊:
    J. Mater. Chem. A
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨丹丹;许志恒;龚春慧;宿琳;李晓明;汤晓斌;耿冬苓;孟翠芳;徐峰;曾海波
  • 通讯作者:
    曾海波
基于切伦科夫辐射的核素治疗剂量测量可行性分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    强激光与粒子束
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    艾遥;舒迪昀;龚春慧;耿长冉;张旭东;汤晓斌
  • 通讯作者:
    汤晓斌
基于GAN的BNCT放疗剂量 预测方法及影响因素
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    原子能科学技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    田锋;耿长冉;邬仁耀;赵胜;刘缓;汤晓斌
  • 通讯作者:
    汤晓斌

其他文献

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汤晓斌的其他基金

基于双能瞬发γ探测的BNCT实时硼浓度/硼剂量监测新方法研究
  • 批准号:
    12220101005
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    250 万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
基于切伦科夫效应的硼中子俘获放射治疗剂量测量新方法及其机理研究
  • 批准号:
    11475087
  • 批准年份:
    2014
  • 资助金额:
    98.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于外延硅基和浅结技术的新型核电池性能机理及其稳定性研究
  • 批准号:
    11205088
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    2012
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  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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