锂电池供能 你的心跳可“发电”

你的心跳可“发电”

扑通、扑通、扑通，当你的心脏欢呼跳跃时，只能任其自由狂奔？事实上，我们的身体存有大量可以利用的能量，心跳就是其中一个。如今，利用心跳发电这一看似不可能的梦想，正借助科技的力量照进现实

前不久，国际顶级学术期刊《自然—通讯》发表一篇论文，介绍了中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员李舟、中国科学院外籍院士王中林及其同事联合研发的一款可植入式自驱动心脏起搏器：无需电池供能，仅从心脏搏动中就能收集足够的能量，确保心脏起搏器工作。这项突破意味着，诸多患者今后不必再为更换电池失效的起搏器遭受多次手术之苦了。

现实：锂电池笨重寿命短

提起心脏起搏器，很多人并不陌生，它是治疗心律失常和心力衰竭等严重心脏疾病的重要医疗设备。然而，包括心脏起搏器在内的众多植入式医疗电子器件都面临着一个尴尬的现实问题——由锂电池供能，笨重坚硬，续航能力有限。

“以普通心脏起搏器为例，电能供给只能维持7至10年。其中，电池占据了起搏器50%以上的体积和60%以上的重量。”李舟说。由此带来的问题绝不仅是换块电池那么简单。由于心脏起搏器位于人体内，一旦电力耗尽，就需要开展手术才能更换。对于患者来说，这不仅是一次痛苦的体验，甚至还会面临机体感染等风险。

延长植入式医疗电子器件使用寿命，同时减少其尺寸和重量——一部分科学家将研究目标对准了拥有更高能量密度的锂电池。那么，能否一劳永逸地解决电池问题呢？

李舟等人另辟蹊径，开始探索研究其他的能量供给方案，比如，纳米发电机。这样的想法并非异想天开。早在2005年，王中林和他的学生就巧妙利用纳米材料的特性，研制出将机械能转化为电能的全球最小发电机——纳米发电机。在王中林的设想中，这一创新可以用来收集人体运动等产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给相关电子器件，从而实现用电器件的“自驱动”。

在王中林的启发下，2009年，李舟等人尝试从器官和肌肉的运动中收集生物机械能量。那时，他们制作了基于单根氧化锌纳米线的压电式纳米发电机，并成功收集了大鼠心跳和呼吸运动的能量。

然而，理想很丰满，现实很骨感。“该装置输出的电能较低，无法驱动电子器件。”李舟坦陈。

探索：全新摩擦纳米发电机

探索的脚步没有就此停滞。2012年，在原有研究基础上，王中林率先提出摩擦纳米发电机的概念，其基本工作原理是基于摩擦起电和静电感应的耦合，将微小的机械能转换为电能。

可是学过物理的人都知道，摩擦只产生电压，没有电流，无法利用。既然如此，如何发电？故事要从一次意外发现讲起。2011年，王中林的学生在测试一款纳米发电机时，偶然发现了3至5伏的电压信号。而一般情况下，电压信号仅为1至2伏。这一特殊现象究竟是何缘故？经过反复实验，王中林发现高出来的电压是由摩擦产生的。

随后，王中林在历经一次次失败的实验后又发现，在两种高分子材料相接触的过程中，可以产生电荷分离，再利用静电感应效应，他带领研究团队构建了一个全新的纳米器件——摩擦纳米发电机。这一颠覆性的技术与传统电磁感应发电机相比，无需磁铁的累赘，轻便简捷，输出性能很好，为有效收集机械能提供了可能。

“实验证明，摩擦纳米发电机可以从走路、说话等低频运动中收集能量。而人体本身蕴含着巨大的能量，其中肌肉和肢体运动中的生物机械能最为充沛。”王中林、李舟团队满怀热情投入到基于纳米发电机的植入式和穿戴式自驱动医疗电子器件的研究中。

“让心脏起搏器能够以自驱动的方式运行，这是一件很有意义但也极具挑战性的事。我们的研究重点在于，如何通过自驱动的方式大大延长目前植入式心脏起搏器的使用寿命，甚至实现‘一次植入，终生使用’。”李舟表示。

挑战：植入式器件小型化

2014年，李舟带领团队再接再厉，重新设计制备了可用于生物体内能量收集的植入式摩擦纳米发电机，并将其植入大鼠体内，成功收集并转化了大鼠呼吸运动所产生的能量，再以电能的形式储存起来，最终实现了心脏起搏器原型机的驱动。

向着科学的高峰继续攀登，如今，王中林、李舟等人研制出新一代、真正意义上的自驱动心脏起搏器——共生型心脏起搏器（SPM）。试验显示，目前在每一个心脏运动周期SPM可获得能量0.495μJ（微焦耳），高于心脏起搏器发出一次起搏电脉冲的阈值能量（通常为0.377μJ）。换句话说，SPM在每次心动周期所收集的能量已经超过了起搏人类心脏所需要的能量。

“SPM可实现‘一次心跳，一次起搏’，这对自驱动心脏起搏器迈向临床和产业化具有重要意义。”李舟说，目前，研究团队在细胞层面验证了植入式共生心脏起搏器的生物相容性，之前的研究工作也证实这类器件具备良好的组织相容性和血液相容性。“可以说，器件的生物相容性是非常良好的。”李舟表示。

据介绍，SPM的工作原理是将一个纳米材料组装成的柔性薄片器件贴附在心脏表面，当心脏跳动时，薄片发生形变并产生电能。目前，SPM已在大型动物（猪）体内实现了“全植入”的自驱动运行，并成功开展了大动物模型心律不齐的治疗。

不过，植入式器件的生物安全性仍需要经过长期严谨的研究验证。“此外，虽然器件获得的能量已经达到0.495μJ，但要使其实现更多功能，满足更多应用场景的需求，这些能量仍然不够。”李舟透露，下一步，他们的研究重点是植入式器件的小型化、长效的生物安全性等，预计在5至10年内有望开展临床试验。

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除了发电，核能还有这么多用途

近日，国家能源局发布1-6月份全国电力工业统计数据。上半年，全国发电装机容量约24.4亿千瓦，其中核电5553万千瓦，约占2.3%，同比增长6.5%。作为清洁能源的核电，正在中国经济社会发展中发挥越来越大的作用。

中国核电发展虽然起步晚，但从无到有、从小到大，形成了高水平的工业创新链和产业链，其技术水平和综合实力已经跻身世界第一方阵。近年来，除了生产电力外，核能还应用于城市供暖、工业供汽、海水淡化、合成燃料等诸多场景。

中核集团旗下中国核电核能开发事业部副总经理于开治接受本报采访时表示，核裂变过程释放出大量热能，可以较好匹配工业生产过程中对高温工艺热参数的需求。核能综合利用，就是契合各类应用场景，或将热能转化为电能或直接提供高温工艺热，通过能量的梯级利用，实现科学用能，有助于提高能源利用效率。未来，核能将从“单一型选手”转向“全能型辅助”，为绿色低碳发展贡献更多“核”力量。

为工业供汽安全又节能

用核能烧开水发电，一直是许多网友对核电的有趣比喻，而这种类比也从本质上道出了核电站的发电原理。于开治解释，核电站发电主要是依靠核裂变释放能量，将水加热转化为蒸汽，从而驱动汽轮机发电。这其中，蒸汽不光可以用来发电，在工业生产中同样大有用途。

5月27日，经过3个月桩基施工建设，第一罐混凝土在田湾核电蒸汽供能项目能源站正式浇筑，标志着全国首个工业用途核能供汽工程——中核集团田湾核电蒸汽供能项目全面拉开建设帷幕。该工程由江苏核电有限公司、连云港市徐圩新区石化基地联合开展，采用中核集团田湾核电3、4号机组蒸汽作为热源，将蒸汽输送至连云港石化产业基地进行工业生产利用，预计2023年底投产供汽。项目建成后年供汽量达480万吨，可实现每年减少燃烧标准煤40万吨。

“高温高压蒸汽是化工生产不可或缺的要素。目前我国化工行业的工业蒸汽主要来自燃煤电厂或自备燃煤锅炉，采用核能供汽将有效降低能耗、减少碳排放。”中核集团江苏核电维修总经理、工程负责人刘永生说。

不少人关注，核能供汽的安全性如何保证？刘永生介绍，加热的工业蒸汽经由独立隔离回路输送，从设计源头上确保了核能供汽清洁的安全。整个过程中，只有热量交换，不存在介质的连通，保障核能供汽清洁安全可靠。而且，通过管道预制架空蒸汽保温方案等措施，能控制每公里温度损失小于2℃、压降0.03兆帕（Mpa）以内，有效控制蒸汽长距离传输过程中温度和压力的损失，满足连云港石化产业基地工业用汽需求。

不只是石化产业，工业用热或蒸汽有着广泛需求。例如，在造纸行业，纸张生产中一些化学药品的加热溶解需要使用蒸汽，加工成型等程序也离不开蒸汽。在纺织印染行业，不论是染色、烘干还是浆纱、印染等步骤，都离不开蒸汽的支持和配合。在橡胶行业，橡胶的压延、硫化、干燥等工艺都要使用蒸汽。在制药行业，制药时需要用大量的工业蒸汽和纯蒸汽对原材料、器械和设备进行高温灭菌，干燥、压片、制粒等工艺也需要蒸汽支持。在有色金属行业，新能源锂电池的制造，同样需要使用蒸汽以保证反应温度。

就在7月15日，浙江海盐核能供热示范工程（二阶段）工业供热项目顺利开工，预计今年8月底建成，可提供24小时热能供应保障，年工业供热约28.8万吉焦。此举相当于节约标准煤约1万吨，减排二氧化碳排放约2.4万吨，将实现产业发展和节能降碳双赢。今后，越来越多行业将用上核能供的蒸汽。

为居民供热清洁又温暖

与为工业提供蒸汽的原理相似，核能也为居民在冬日送去暖气。浙江海盐核能供热示范工程的一阶段便是民用供暖工程。事实上，在去年冬天，中国一南一北两座小城——浙江海盐、山东海阳都已经用上了核能供暖。

2021年11月9日，海阳提前进入供暖季，新老城区居民用上了核能供热，供热面积达450万平方米。依靠“暖核一号”提供的清洁热量，海阳市告别了延续多年的燃煤取暖历史，成为全国首个零碳供暖城市。

作为全国首创，核能供热项目并没有现成的经验可以参考，技术攻关的每一步都是在创造历史。“清洁电”能否产出“清洁热”？为积累经验、打造样板，山东核电凝聚了中国核能行业协会、清华大学、电力规划设计总院等“大咖级”专家队伍，对工程可研报告进行评审，经过紧张的质询、讨论，技术方案获得专家一致认可。

2019年7月10日，海阳核能供热一期项目正式开工，工程内容包括核能供热换热首站建设和15公里主管网铺设，当年9月30日全部完工。2019—2020年的供暖季，海阳市临港、度假区和核电产业园70万平方米共7757户用上了核能供热，整个供暖季运行平稳顺畅，状况良好，用户室温适宜，受到广大用户和社会各界的好评。2020年，山东核电又开启了推进大规模长距离供热的研究工作。2021年11月9日，核能综合利用带来的暖流输送到海阳市的千家万户。

“刚供暖，家里温度就达到了23℃。”海阳金阳海岸花园小区居民成京增说。有了核能供热，居民住宅的供暖费也由原有的22元/平方米降到21元/平方米。

紧接着，在2021年12月3日，全国南方首个核能供暖项目——浙江海盐核能供热示范工程一阶段正式投运，供暖面积达46万平方米。海盐核电新村、核电南苑、枫叶新村3个小区的近4000户居民率先“尝鲜”，用上了零碳、清洁、高效的“核暖气”。这也意味着中国南方开启了核能供暖的历史，从此过冬抗寒再也不靠“抖”。

截至2022年4月，示范项目完成首个供暖季任务，持续安全稳定为近4000户居民供热100天，在供热质量提升的同时，供热价格较过去降低了约1/3。据测算，到“十四五”末，项目全部建成投运后，能够满足海盐约400万平方米供暖需求，相对于南方地区的电取暖方式，每年可节约电能消耗1.96亿度。

核能供暖不仅清洁，还很安全。“核能供暖是从核电机组抽取部分蒸汽，通过换热站进行多次加热，整个过程只有蒸汽加热水、水加热水两个步骤。”秦山核电党委书记、董事长黄潜说，核电站与用户之间有多道回路隔离，每个回路间只有热量的传递，没有水的交换，更不会有放射性物质进入暖气管道，热水也只在小区内封闭循环，与核电站层层隔离，没有任何接触。

在秦山核电总经理邹正宇看来，核能供热项目利用秦山核电基地机组冬季剩余热功率，在不影响机组原有发电量和安全性能的前提下，向海盐县公建设施、居民小区及工业园区提供大规模安全、零碳、经济的核能供暖，真正实现了当地居民、地方政府、核电企业及生态环保的多方共赢。

创新远不止于此。在泳池式研究堆50多年安全稳定运行基础上，中核集团针对北方城市供暖自主开发了一种安全经济、绿色环保的堆型产品——“燕龙”泳池堆。于开治介绍，“燕龙”泳池堆具有固有安全性高、清洁环保、管网适配性强等突出特点。一座400兆瓦的“燕龙”低温供热堆，供暖建筑面积达2000万平方米，可覆盖20万个家庭。

目前，“燕龙”泳池式低温供热堆示范工程已列入吉林省“十四五”规划。专家表示，在附近没有核电站的一些地区，泳池式低温供热堆非常适合，它的安全系数较高，可以满足一定范围内的供热需求，还可以解决散煤供热带来的大气污染问题。

多领域应用注入核能力量

前不久，全球首批商用堆碳-14辐照生产靶件，在中核集团旗下中国核电控股的秦山核电三厂2号重水堆机组入堆，开始商用堆生产碳-14同位素，预计将在2024年开始向市场供货，产量可满足国内需求。这是核能综合利用的又一重要突破。

什么是碳-14？它可以用来干什么？和我们的生活又有什么关系？原来，自然界中存在的碳，比如常见的石墨、钻石、铅笔芯等，都是碳-12。此外，它还有一些同位素“兄弟”，比如碳-11、碳-13以及碳-14，它们的原子核里都有6个质子，而中子数却不同。碳-12很稳定，碳-14则具有放射性。

“利用碳-14的放射性进行标记和检测，可以检测幽门螺杆菌、开展药物代谢动力学研究。”中核集团秦山核电高级工程师孟智良介绍，碳-14常常被用作标记物，广泛应用于农业、化学、医学、生物学等领域。比如在农药中加入碳-14，后期通过检测农作物上碳-14的含量，就可以判断出农药的残留量。

中核集团秦山核电正高级工程师樊申介绍，此前，中国曾采用过用于实验研究的小型反应堆来生产碳-14，但是产量小，生产不连续，无法形成稳定的供应。此次使用商用核电机组，可以长期保持高功率稳定运行，连续生产碳-14。

“就拿幽门螺杆菌的诊断与追踪来说，目前我国每年的幽门螺杆菌检测需求超过3000万人次，市场不容小觑。”于开治表示，中核集团在医用同位素生产方面取得的重大突破，将有效解决和缓解国内碳-14同位素供给问题，为建立稳定自主的医用同位素供应保障体系、提升人民健康水平作出新的贡献。

除了充分利用现有核电机组开展核能综合利用外，中核集团还通过科技创新，积极研发先进核能系统，拓展更多核能综合利用的新场景。例如，2021年7月13日，中核集团海南昌江多用途模块式小型堆科技示范工程正式开工建设，成为全球首个开工的陆上商用模块化小型堆。

于开治介绍，“玲龙一号”（ACP100）技术，是中核集团通过10余年自主研发并具有自主知识产权的多功能模块化小型压水堆堆型，特点是小型化、模块化、一体化、非能动，可以作为清洁的分布式能源，在供电的同时可满足海水淡化、区域供暖、工业供热（冷）等多个领域应用需求。

在中国核学会理事长王寿君看来，核能既具有可再生能源的零碳排放特性，又延续了化石能源不间断稳定服役的特点，贴合大宗制造工艺的能源需求，应充分发挥大型压水堆、高温气冷堆、模块化小堆、低温供热堆等各自优势，紧密结合用户侧综合能源消费需求，建立集供电、居民供暖、工业供汽、制氢、海水淡化、同位素生产等为一体的多能互补、多能联供的区域综合能源系统，为未来中国绿色低碳发展注入核能力量。本报记者叶子

来源： 人民日报海外版

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