Ядерный источник энергии. Радиоизотопные источники электрической энергии и тепла. Принцип действия аккумулятора

Создание портативного одноразового источника питания, срок службы которого измерялся бы не сутками или месяцами, а годами, прежде покорилось специалистам Корнельского университета. Элемент питания, в качестве базы для которого был выбран радиоактивный изотоп никеля-63, мог похвастаться непрерывным сроком службы до 50 лет. Но, разумеется, не обошлось и без существенных ограничений в номинальных параметрах «ядерной батарейки». Всё дело в том, что принцип, на котором строится работа таких устройств — сопровождающее распад никеля-63 испускание электронов для последующего заряда медной пластины — не позволял добиться серьёзной мощности источника питания. В итоге указанная характеристика для ядерных батареек находилась на уровне нескольких милливатт, что накладывало ряд существенных ограничений при её эксплуатации.

Решением описанной проблемы активно занялись учёные Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», которые вчера рапортовали о достигнутых успехах. Им удалось изготовить прототип уникальной «ядерной батарейки», способной, как и её предшественник родом из США, питать определённую электронику на протяжении 50 лет.

Как рассказали в «МИСиС», спроектированная ими «ядерная батарейка» обладает огромным потенциалом и имеет широкий спектр потенциально возможного применения, начиная от использования разработки в медицинском оборудовании и миниатюрных приборах для поддержания жизнедеятельности, заканчивая размещением такого источника питания в космических аппаратах. Команде инженеров под руководством профессора Юрия Пархоменко удалось воплотить на практике концепцию преобразования энергии бета-излучения в электрическую на основе монокристаллов пьезоэлектриков. Этот принцип и лёг в основу показанного образца автономной бета-вольтаической батареи переменного напряжения, первичным источником энергии для которой послужил хорошо знакомый изотоп никель-63.

Излучение выбранного в качестве источника электронов изотопа, несмотря на свою радиоактивность, характеризуется периодом полураспада в 100 лет и не несёт какой-либо угрозы для здоровья биологических организмов. Но главной особенностью прототипа отечественного производства стало применение импульсных источников питания для накопления и последующей отдачи заряда. За счёт этого учёные сумели обойти главный недостаток бета-вольтаической «ядерной батарейки» — их крайне малую мощность, сильно сужавшую сферы дальнейшего эффективного применения.

«В импульсном режиме один бета-вольтаический элемент способен выдавать мощность вплоть до 1 мВт/см 3 . При низких удельных мощностях энергетического материала батарейка, собранная на их основе, способна обеспечивать непрерывную выходную мощность 10-100 нВт/см 3 — достаточную, чтобы обеспечить питание кардиоимплантата», — объяснил технические особенности продемонстрированного решения господин Пархоменко.

Инновационная российская «ядерная батарейка», ставшая реальностью благодаря усилиям сотрудников «МИСиС», обладает всеми необходимыми для начала серийного производства и скорейшего внедрения технологии преимуществами. Здесь и сверхмалые габариты источника питания, и отсутствие пагубного влияния энергетического материала, и длительный срок эксплуатации в несколько десятков лет. Однако дойдёт ли дело до выпуска коммерческого образца — покажет время.

Первые упоминания об атомной батарейке зафиксированы в 2005 году.

Как устроена и как работает атомная батарейка

Действительно, атомная батарейка существует. По-другому ее называют атомный аккумулятор или ядерный аккумулятор. Она предназначена для питания различных мобильных устройств. Создана батарейка самого продолжительного срока действия благодаря процессу ядерного распада, так как основным элементом, который способствует работе устройства, является тритий. Именно от этого вещества и питается атомная батарейка.

Внутри атомный аккумулятор содержит , на работу которой оказывает действие тритий. Отмечается, что радиоактивность, которая излучается атомной батарейкой, очень и очень мала, поэтому вред здоровью человека и окружающей среде устройство не приносит. Главное достижение – это продолжительность работы батарейки. Без дополнительной подзарядки ядерный аккумулятор может прослужить около 20 лет.

Где используются атомные батарейки

Атомные батарейки – это настоящее достижение, ведь только такие устройства современности способны выдерживать температуры от -50 до +150оC, работая в экстремальных условиях. К тому же доказано, что они способны выдерживать широчайший диапазон давлений и вибраций. В различной микроэлектронике срок службы атомной батарейки варьируется. Но, как указывалось выше, минимальный срок действия без подзарядки составляет 20 лет. Максимальный – 40 лет и больше.

Как правило, атомный аккумулятор используется для работы датчиков давления, всевозможных медицинских имплантантов, часов, для зарядки литиевых батареек. С помощью работы батареек данного типа осуществляется питание маломощных процессоров. Размер и вес ядерной батарейки минимален, поэтому устройство идеально подходит для заряда космических кораблей и исследовательских станций.

Возможный вред от работы атомной батарейки

Несмотря на то что говорят, что ядерная батарейка не оказывает никакого вредного действия на кожу человека, соприкасаясь с ней, стоит быть все-таки осторожным. Это относительно новое открытие современности, поэтому исследований проводилось достаточно мало. Если сейчас, используя такую батарейку для заряда наручных часов, человек не замечает никакого негативного воздействия, еще нельзя говорить о том, что это в дальнейшем не скажется на развитии всевозможных неприятных и опасных для жизни заболеваний.

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию частиц, испускаемых изотопами, в электрический ток, и может быть использовано в качестве элемента питания в различных электронных устройствах, потребляющих небольшой ток, но вынужденных работать без замены источников питания в течение десятка лет. Сущность изобретения заключается в том, что ядерная батарейка содержит корпус, наполненный материалом изотопа, куда помещен, по крайней мере, один полупроводниковый детектор, у которого в объеме созданы колодцы, причем все размеры колодцев меньше длины свободного пробега частиц, испускаемых газообразным изотопом, при этом детектор выполнен в виде чередующихся слоев n + , i (либо ν, либо π) и p + -типов проводимостей в такой последовательности n + -i-p + -i-…-n + -i-p + , причем эти слои лежат в плоскостях, перпендикулярных стенкам колодцев; к слоям n+-типа созданы омические контакты, электрически соединенные между собой, такие же контакты созданы и к слоям p + -типа, которые тоже соединены. Технический результат - упрощение технологии изготовления полупроводникового детектора, преобразующего энергию бета-частиц в электрический ток. 1 ил.

Известны ядерные батарейки, принцип действия которых основан на конверсии энергии частиц, возникающих при радиоактивном распаде изотопов, в электрический ток при прохождении через полупроводниковый детектор, работающий в бета- или фотовольтаическом режиме. Известные батарейки используют газообразные, жидкие и твердотельные изотопы, испускающие альфа-, бета-частицы, а также гаммакванты .

Известно устройство , которое содержит корпус, в котором помещен полупроводниковый детектор из аморфного кремния, представляющий p-i-n-структуру, а внутренность корпуса наполнена тритием (3 H), который испускает электроны. Время полураспада трития примерно 12 лет. В рабочем режиме каждая бета-частица, достигшая поверхности детектора, влетает в детектор и создает в нем более одной тысячи электронно-дырочных пар. Возникшие дырки и электроны разделяются внутренним полем p-i-n-структуры, что приводит к формированию напряжения на контактах детектора и появлению электрического тока при подключении нагрузки. Недостатком такой батарейки являются малые значения тока, пропорциональные площади только одной поверхности плоского детектора.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является батарейка на изотопах, предложенная в американском патенте (Patent US 6774531) . В прототипе существенно увеличена эффективность детектора за счет специальной конструкции 3D-кремниевого детектора.

Известная батарейка содержит корпус, наполненный газообразным тритием, куда помещен бетавольтаический детектор из кремния n-типа. В объеме детектора созданы колодцы для трития, на стенках которых сформирован слой p + -типа проводимости, причем все размеры колодцев не превышают длину свободного пробега электронов в тритии.

Недостатком известного устройства является то, что реализация детектора, содержащего в объеме полупроводника глубокие колодцы, на стенках которых сформирован p-n-переход, является очень сложной технической задачей, решенной пока только для кремния. Для других полупроводников, имеющих более высокую плотность, чем у кремния, известная конструкция детектора вообще малоэффективна. Действительно, при средней энергии электронов Е=6 кэВ, испускаемых тритием, электрон сможет проникнуть в детектор только на глубину 0.1-0.2 мкм, а при наличии слоя p-типа на стенках колодцев значительная часть заряда, порожденная электронами, рекомбинирует в нем, не достигнув p-n-перехода.

Технический результат, на который направлено заявляемое решение, состоит в устранении указанных недостатков.

Этот результат достигается тем, что ядерная батарейка на радиоактивных изотопах, содержащая корпус, наполненный материалом изотопа, куда помещен, по крайней мере, один полупроводниковый детектор, у которого в объеме созданы колодцы, причем все размеры колодцев меньше длины свободного пробега частиц, испускаемых газообразным изотопом, отличается тем, что в объеме детектора созданы чередующиеся слои n + , i (либо ν, либо π) и p + -типов проводимостей в такой последовательности: n + -i-p + -i-…-n + -i-р + , причем эти слои лежат в плоскостях, перпендикулярных стенкам колодцев, к слоям n+-типа созданы омические контакты, электрически соединенные между собой, такие же контакты созданы и к слоям p + -типа и тоже соединены.

В предлагаемом устройстве конструкция детектора исключает необходимость формирования на стенках колодцев p-n-переходов. Поэтому детектор может быть изготовлен не только из кремния, но и из других полупроводников, например из арсенида галлия.

На фиг.1 схематично представлено сечение одной из возможных конструкций предлагаемой батарейки. Батарейка содержит корпус 1 с электродами 2 и 3. Корпус наполнен материалом радиоактивного изотопа 4. В корпус помещены два детектора 5 и 6 из арсенида галлия. Детекторы выполнены из эпитаксиального материала, содержащего последовательность слоев n + 7, i 8, p + 9, высоколегированным слоям n + 7, p + 9 созданы омические контакты соответственно 10 и 11, соединенные проволочками с электродами 2 и 3 корпуса. Перпендикулярно плоскостям, в которых выращены слои n + , i, p + в объеме детектора сформированы колодцы 12.

Пример практического исполнения. В герметичный металлический корпус 1, имеющий электроды 2 и 3, электрически развязанные с корпусом за счет диэлектрических вставок, были установлены два идентичных детектора 5 и 6. При этом внутренность корпуса была заполнена радиоактивным тритием, испускающим бета-частицы. Детекторы изготавливались из арсенида галлия, выращенного с помощью газофазовой эпитаксии. На проводящей подложке n + -типа последовательно были выращены слои: n + -слой 7 толщиной 10 мкм, i-слой 8, компенсированный хромом в процессе эпитаксии, толщиной 30 мкм, p + -слой 9 толщиной 10 мкм, затем i-слой 8 толщиной 30 мкм, n + -слой 7 толщиной 10 мкм и затем снова i-слой 8 толщиной 30 мкм, p + -слой 9 толщиной 10 мкм. С использованием стандартных методов фотолитографии, химического травления и вакуумного напыления формировались омические контакты 10 и 11 к высоколегированным слоям. С использованием реактивно-ионного травления и кратковременного химического травления в детекторах формировались колодцы 12 с диаметром верхнего отверстия 80 мкм и шагом 100 мкм. В результате была получена ядерная батарейка новой конструкции.

В рабочем режиме при размерах детекторов 5×5 см 2 общий объем колодцев, заполненных тритием, составляет 0.25 см 3 . При этом радиоактивность указанного объема с тритием равна 10 10 Бк. Поскольку 70% электронов, испущенных в результате радиоактивного распада трития, попадают в активные области детектора т.е. в полуизолирующие области 8 (часть попадает в высоколегированные слои) и каждый электрон порождает примерно 1700 электронно-дырочных пар, то максимальная величина тока от данной батарейки составит 2.5 мкА.

Таким образом, предложена ядерная батарейка с новой конструкцией бетавольтаического детектора. Реализация детектора не требует создания p-n-переходов на стенках колодцев, сформированных в объеме детектора, поэтому для создания полупроводникового детектора можно использовать не только кремниевые структуры.

Источники информации

1. Kherani N.P., Shmayda W.T., Zukotynski S. /Nuclear batteries/ Patent US 5606213, 1997.

2. Chu F.Y., Mannik L., Peralta S.B., Ruda H.E. /Radioisotope-powered semiconductor battery/ Patent US 5859484, 1999.

3. Gadeken L. /Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of radioactive material/ Patent US 6774531, 2004.

Ядерная батарейка, содержащая корпус, наполненный материалом изотопа, куда помещен, по крайней мере, один полупроводниковый детектор, у которого в объеме созданы колодцы, причем все размеры колодцев меньше длины свободного пробега частиц, испускаемых газообразным изотопом, отличающаяся тем, что детектор выполнен в виде чередующихся слоев n + , i (либо ν либо π) и p + -типов проводимостей в такой последовательности n + -i-p + -i-…-n + -i-p + , причем эти слои лежат в плоскостях, перпендикулярных стенкам колодцев; к слоям n + -типа, созданы омические контакты, электрически соединенные между собой, такие же контакты созданы и к слоям p + -типа, которые тоже соединены.

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству плазменного осаждения из паровой фазы для получения кремниевых тонкопленочных модулей солнечного элемента, к способу получения тонкопленочных модулей и к кремниевым тонкопленочным фотогальваническим панелям.

Изобретение относится к применению пластикового композита, содержащего материал-носитель, выбранный из группы полиэтилентерефталата (PET), полиэтиленнафтената (PEN) или сополимера этилена с тетрафторэтиленом (ETFE), а также слои полиамида-12, граничащие с материалом-носителем по обеим сторонам, для получения фотоэлектрических модулей.

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФП) солнечного излучения в электрический ток и может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов.

Наконец на нашей аккумуляторной поляне засветился Росатом, показав на форуме «Атомэкспо-2017» ядерную батарейку со сроком службы не менее 50 лет. Пользуясь этим знаменательным поводом, рассмотрим перспективы использования мирного атома для мобильных устройств.

Атомный (ядерный) аккумулятор - это все-таки батарейка, а не аккумулятор, так как - это по определению одноразовый источник электрического тока, без возможности перезаряда. Несмотря на это, воображение публики активно будоражит перспектива использования атомных аккумуляторов в мобильных устройствах. Но обо всем по порядку.

Что именно представил Росатом на форуме? Генеральный директор ФГУП «НИИ НПО Луч», Павел Зайцев заявил, что представленный источник, работающий на изотопе Ni63, способен в течение 50 лет выдавать 1mkW с напряжением 2V. Павел Зайцев вполне откровенно говорит про скромные вольт-амперные характеристики, делая основной упор на длительный срок службы. Наверно, исключительно из личной скромности, Генеральный директор ФГУП «НИИ НПО Луч» указал в технических характеристиках только мощность, а не общепринятую ёмкость. Но мы не будем придавать этому большое значение и просто рассчитаем ёмкость:

C = 0,000001W * 50 лет * 365 дней * 24 часа / 2V = 219mA

Получается, что ёмкость ядерной батарейки, размером с небольшой универсальный аккумулятор , всего лишь как у литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора для блютуз наушников! Павел Зайцев предполагает использование своей ядерной батарейки в кардиологии, что вызывает большие сомнения при столь огромных размерах. Возможно эта ядерная батарея может рассматриваться как некий прототип получения электричества из изотопов, но Росатому потребуется уменьшить батарею в тысячи раз, чтобы соответствовать современным электрокардиостимуляторам.

Совсем не порадовала стоимость ядерного аккумулятора - директор государственного унитарного предприятия объявил цену изотопа никеля в долларах (!) 4000USD/грамм. Означает ли это, что основной компонент будет приобретаться за границей России? А сколько грамм необходимо на изготовление одного аккумулятора? Одновременно с этим было замечено, что потребуются также алмазные элементы (также не ясно сколько?), но стоимость которых (уже в рублях) колеблется от 10 000 до 100 000 рублей за штуку. Какова же будет полная стоимость такой батарейки? Электрокардиостимуляторы в России устанавливаются по полису ОМС бесплатно в экстренных случаях или при наличии квоты. При недостаточности квоты и за электрокардиостимуляторы иностранного производства больным приходится оплачивать самостоятельно. Будут ли ядерные батареи устанавливаться за счет бюджета ОМС или пожилые люди должны будут приобретать их отдельно? Если бы руководство Росатома впомнило, что российские пенсионеры живут в режиме "день простоять и ночь продержаться", то, наверно, осознало бы тот нелепый диссонанс между космическим сроком службы и стоимостью. Это наталкивает на мысль, что уважаемый Павел Зайцев активно осваивает средства, выделенные на НИОКР, ничуть не задумываясь о конечных пользователях. Аналогичную оценку "изобретения" Росатома дают пользователи социальных сетей:

Едва ли ее где-нибудь получится использовать. Я более чем уверен, что бюджет как всегда освоили, часть его потратили на презентацию, а само изделие никто никогда не увидит:)

Заявленный срок службы (50 лет), как мы догадались - это как раз половина периода полураспада Ni 63 (100лет). Такую же логику используют ученые Бристольского университета в концептуальном ролике. В отличие от батарейки Росатома, бристольская атомная батарейка использует изотоп C 14 и может работать 5730 лет! В Бристольском университете правда забыли поделить на 2, но и 2865 лет слишком много для кардиостимулятора. Уникальность бристольской концепции заключается в том, что проблема ядерных отходов решается путем переработки их в ядерные батарейки .

Если внимательно прослушать и перевести текст этого ролика, то открывается гораздо больше интересной информации. Сначала подробно рассказывается о происхождении изотопа С 14

С 1940 Англия сделала много ядерных реакторов научного, военного и гражданского назначения. Все эти реакторы используют уран как топливо, а внутри реактор сделан из графитовых блоков. Эти графитовые блоки используются в процессе ядерного расщепления, позволяя контролировать цепную реакцию, которая даёт постоянный источник тепла. Это тепло потом используется, чтобы превратить воду в пар, которое потом крутит турбины, чтобы сделать электричество. Ядерные электростанции производят ядерные отходы, которые необходимо безопасно утилизировать. Надо просто подождать, чтобы эти отходы перестали быть радиоактивными. К сожалению, это занимает тысячи и миллионы лет. Это также требует очень много денег, чтобы контролировать безопасность в течение этих многих лет. Так как мы используем графитовые реакторы, Англия создала 95000 тон графитовых блоков содержащих радиацию. Этот графит только один из форм углерода, простой и стабильный элемент, но если положить эти блоки в высоко радиоактивное место, то тогда часть углерода превращается в углерод 14 . Углерод 14 может превратиться обратно в обычный углерод 12 когда её дополнительная энергия уйдет. Но это очень долгий процесс потому что период полураспада углерода 14 составляет 5730 лет.

Недавно ученные из университета Bristol"s Cabot Institute продемонстрировали, что углерод 14 концентрируется в блоках радиацией снаружи. Это значит, что возможно убрать большинство радиации нагревая их - большинство радиации выходит как газ, который потом может быть собран. Оставшиеся графитовые блоки все-равно радиоактивны, но не так сильно, это значит, что утилизировать их будет проще и дешевле. Радиоактивный углерод 14 в форме газа, может быт переделан при низких давлениях и высоких температурах в алмаз - это еще одна форма углерода. Искусственные алмазы, сделанные из радиоактивного углерода, излучают поток бета-излучения, которое может создать электрический ток. Это дает нам ядерную энергию алмазной батареи. Чтобы она была безопасной для нашего использования она покрывается слоем не радиоактивного алмаза, который полностью поглощает всю радиацию и превращает её в электричество почти на 100%. Там нет движущейся частей, ее не надо обслуживать, алмаз просто производит электричество. Так как алмаз самое твердое вещество на свете, то ни какое другое вещество не может дать такую защиту для радиоактивного углерода 14 . Поэтому снаружи можно обнаружить очень маленькое количество радиации. Но это почти то же самое количество радиации, сколько выделяет банан, так что оно совсем безопасно. Как мы уже сказали только половина углерода 14 распадается через каждый 5730 лет, это значит что наша батарея-бриллиант имеет удивительное время жизни - она разрядится на 50% только в 7746 году. Эти бриллиантовые батареи будут лучше всего использованы там, где нельзя менять обычные батарей. Например в спутниках для космических исследований или для имплантированных устройств, таких как кардиостимуляторы.

Мы просим всех отправлять свои предложения на #diamondbattery. Разработка этой новой технологии решила бы много проблем, например: ядерного мусора, чистого электричества и увеличения срока службы батарей. Это перенесет нас в "бриллиантовый век" производства энергии.

Очень красивая концепция ученых из Бристоля 2016 года и очень скромная коробочка Росатома возможно (?) когда-нибудь будут доработаны до алмазных электростанций, но никак не ядерных батареек для мобильных устройств. Сложно будет уговорить людей ходить с Фукусимой в кармане, даже если за это начнут доплачивать.

Использование атома в мирных целях - это один из спорных вопросов современности, если учесть, что энергетика - это наиболее монополизированная отрасль экономики, когда в цене KW электроэнергии более 90% составляют налоги и сборы. Эффективность мирного атома вызывают сомнения, так как в цену условно дешевой атомной энергии не включается стоимость техногенных последствий. Поэтому некоторые страны, в том числе Германия и Япония приняли решение полностью отказаться от использования атома в энергетике. Ведь развивая возобновляемые источники энергии, можно не только полностью отказаться от атомной энергии, но и создать высокотехнологическую отрасль с миллионами высококвалифицированных рабочих мест.

Подводя итог, мы, скорее всего, имеем очередную технодурилку типа "Супераккумулятор ", а не прорывное "изобретение" бриллиантового века. Другими словами, применять мирный атом в микроэнергетике - это что свинью брить - визгу много, а шерсти мало!

Новый атомный источник питания, над которым работают в России, на основе источника бета-излучения (преобразуется в электроэнергию) изотопа никель-63 может почти 50 лет снабжать электронные устройства питанием. Как ранее , специалисты Томского политехнического университета станут единственным в стране поставщиком услуг по облучению мишени, которая создана из стабильного изотопа никеля-62.

Напомним, ранее специалисты ГХК совместно с сотрудниками Сибирского аэрокосмического университета имени Решетнева (СибГАУ) разработали технологию изготовления батарей, которые используют «мягкий» бета-распад радиоизотопа никель-63. Проект стал одним из лауреатов конкурса, который проводился Министерством образования и науки РФ. Теперь данный процесс подходит к опытным испытаниям.

«Мы уже изготовили мишени, никель-62 в Железногорске уже наработали, в октябре мы планируем загрузить мишени в реактор, примерно год уйдет на это. То есть, в конце 2016 года мы наработаем никель-63. К 2017 году появится первый прототип такой батарейки, раньше ожидать преждевременно» , - рассказал директор ФГУП ГХК (Горно-химический комбинат, входит в «Росатом») Петр Гаврилов .

Перспективу применения данной батарейки ее создатели видят в в космической индустрии, различных подводных системах, медицине и оборонной промышленности, а в перспективе и в транспортной индустрии. Кроме того, в сравнении с литий-ионными аккумуляторами, батарейка на основе никеля-63 в 30 раз компактнее, экологически безопасна и безвредна для человека за счет производимого мягкого бета-излучения, которое самопоглощается внутри аккумулятора: «Наши специалисты ездили в клиники Швейцарии и швейцарские медики очень заинтересовались изобретением для использования в кардиостимуляторе» .

Сегодня единственным препятствием повсеместного распространения «ядерных батареек» выступает их высокая стоимость. По оценкам экспертов, стоимость 1 грамма радиоактивного никеля составляет порядка 4000 долларов, а изготовление одной «батарейки» может обойтись в 4,5 миллиона рублей. Такое затратное производство объясняется сложной технологической цепочкой получения изотопа никель-63, не существующего в природе. Его можно наработать только на специальных ядерных реакторах, которые есть на трех российских предприятиях. Впрочем, если наукоемкие и технологичные устройства успешно апробируют технологию, то и необходимый для них объем будет расти, а себестоимость одной батарейки - падать. Будем надеяться, что отечественным ученым удастся сделать технологию доступной широкой общественности как можно скорее.