Старые электронные часы могли работать более года, используя одну маленькую батарейку. Но современные электронные устройства настолько многофункциональны, что проблема малой ёмкости современных аккумуляторов стоит в полный рост. Если смартфоны и планшеты имеют достаточно много места в корпусе, то компактная электроника вроде «умных» часов страдает от нехватки ёмкости особенно сильно, что существенно сдерживает рост её популярности. С другой стороны, футурологи пятидесятых — шестидесятых годов вовсю рисовали картины «светлого атомного будущего», где автомобили не нуждаются в заправке, а аккумуляторы — в зарядке.
Возможно, это будущее не совсем потеряно. Учёным из Университета Миссури удалось достичь существенного прогресса в области создания «атомных батареек». Не стоит пугаться, речь вовсе не идёт о карманном ядерном реакторе. Создание такого реактора на данном этапе развития технологий невозможно. Принципом действия батарея, созданная в стенах университета, очень напоминает обычные солнечные панели, но если процесс, протекающий в последних, называется «фотовольтаикой», то в описываемой разработке имеет место «бетавольтаика», то есть поглощение полупроводниковым устройством бета-излучения.
Нельзя сказать, что бета-излучение безвредно, но, в отличие от гамма-излучения, оно представляет собой поток заряженных частиц и имеет сравнительно небольшой пробег, около двух метров в воздухе и порядка десяти миллиметров в тканях тела. Но достаточно двух-трёх миллиметров алюминия или пары сантиметров органического стекла, чтобы полностью экранировать такой поток. В конструкции «атомной батарейки» используется электрод из диоксида титана, покрытый слоем платины, вода и источник бета-излучения. В качестве последнего используется изотоп стронций-90 с периодом полураспада около 29 лет. В процессе распада он испускает электрон (пресловутое бета-излучение), антинейтрино, а побочным эффектом реакции является иттрий-90. Последний имеет период полураспада всего 64 часа, также испускает электроны и антинейтрино, а в конце превращается в стабильный нерадиоактивный цирконий. Гамма-излучение в этих реакциях практически отсутствует.
Идея батарей, использующих процесс бетавольтаики, не нова, однако команде учёных Миссурийского Университета удалось существенно повысить их эффективность использованием… простой воды. Да, это не опечатка. Вода очень хорошо поглощает бета-излучение, предохраняет полупроводниковый приёмник от разрушения, а само излучение расщепляет молекулы воды, позволяя извлечь дополнительную порцию электроэнергии, а значит, повысить коэффициент полезного действия бета-батареи. Как заявил один из разработчиков, их решение слабо подвержено действию низких температур и может использоваться в самых различных сценариях, от автомобильных аккумуляторов до источников питания космических аппаратов.
Разумеется, нет никаких теоретических ограничений на использование этой технологии и в носимой электронике. Однако радиофобия очень широко распространена в наши дни, большинство людей незнакомы даже с азами ядерной физики и будут воспринимать любое упоминание «радиации» в штыки. Напуганные случаями возгорания обычных литий-ионных аккумуляторов, пользователи и слышать не захотят об «атомных батарейках», несмотря на их «вечность», хотя для безопасного использования бета-батареи достаточно прочного экранирующего корпуса и соблюдения элементарных правил техники безопасности. Литий-ионные аккумуляторы тоже не рекомендуется вскрывать и пробовать на зуб.
Но описанная технология непременно будет доведена до совершенства и найдёт себе применение в военной и космической отраслях, да и везде, где продолжительность жизни источника питания является критической характеристикой, перевешивающей все возможные риски. А там, кто знает — возможно, наши потомки преодолеют иррациональный страх перед атомными технологиями и будут безопасно и с удовольствием пользоваться их плодами.
Еще в 50-е годы прошлого столетия, бетавольтика – технология извлечения энергии бета-излучения – рассматривалась учеными как основа для создания в будущем новых источников питания. Сегодня же есть реальные основания уверенно утверждать, что использование контролируемых ядерных реакций по своей природе является безопасным. Десятки ядерных технологий уже используются людьми в повседневной жизни, примером могут служить радиоизотопные детекторы дыма.
И вот, в марте 2014 года, ученые Чже Квон и Бек Ким, работающие в университете Миссури, Колумбия, США, воспроизвели первый в мире рабочий прототип компактного источника питания на основе стронция-90 и воды. В данном случае роль воды - энергетический буфер, что будет пояснено ниже.
Ядерная батарейка будет работать годами без обслуживания, и сможет производить электрический ток за счет процесса разложения молекул воды при их взаимодействии с бета-частицами и прочими продуктами распада радиоактивного стронция-90.
Мощности такой батарейки должно целиком хватить для питания электромобилей и даже космических аппаратов. Секрет нового продукта в объединении бетавольтаики и достаточно нового физического веяния - плазмонных резонаторов.
Плазмоны активно используются в последние несколько лет при разработке специфических оптических устройств, в числе которых сверхэффективные солнечные батареи, совершенно плоские линзы и специальная краска для печати с разрешением, во много раз превосходящим чувствительность наших глаз. Плазмонные резонаторы – это особые структуры, способные как поглощать, так и испускать энергию в виде световых волн и в виде других форм электромагнитного излучения.
Сегодня уже существуют радиоизотопные источники питания, которые преобразуют энергию распада атомов в электрическую, но это происходит не напрямую, а через цепочку промежуточных физических взаимодействий.
Вначале таблетки радиоактивных веществ нагревают корпус контейнера, в котором расположены, затем уже это тепло преобразуется в электричество посредством термопар.
На каждом этапе преобразования теряется огромное количество энергии, от этого КПД таких радиоизотопных батареек не превышает 7%. Бетавольтика же долгое время не использовалась на практике из-за весьма быстрого разрушения частей батареек от радиации.
В конце концов, ученые нашли способ, как напрямую преобразовывать энергию, высвобождаемую вместе с продуктами распада нестабильных атомов. Выяснилось, что бета-частицы (электроны, скорость которых при распаде атома достаточно высока) способны разлагать молекулы воды на водород, гидроксил-радикал и прочие ионы.
Исследования показали, что эти, полученные в результате разложения, части молекул воды, можно использовать для прямого извлечения энергии, поглощенной ими в результате столкновения с бета-частицами.
Для того, чтобы водная ядерная батарейка заработала, необходима особая структура из сотен микроскопических столбиков оксида титана, покрытых пленкой из платины, похожая по форме на расческу. В ее зубьях и на поверхности платиновой оболочки расположено множество микро пор, через которые названные продукты распада воды смогут проникать внутрь устройства. Так в процессе работы батарейки в «расческе» протекает ряд химических реакций - происходит разложение и формирование молекул воды, при этом возникают и захватываются свободные электроны.
Выделяемая во время всех названных реакций энергия, поглощается «иголками» и преобразуется в электричество. Благодаря возникающим на поверхности столбиков плазмонам, обладающим особыми физическими свойствами, такая водно-ядерная батарейка достигает максимального КПД, который может составить 54%, а это почти десятикратно превосходит классические радиоизотопные источники тока.
Используемый здесь ионный раствор очень сложно заморозить даже при достаточно низких температурах окружающей среды, что позволяет применять батареи, изготовленные по новой технологии, для питания электромобилей, а при правильной упаковке, - и в космических летательных аппаратах для различных целей.
Период полураспада радиоактивного стронция-90 составляет примерно 28 лет, поэтому ядерная батарейка Квона и Кима сможет проработать без существенной потери в мощности в течение нескольких десятилетий, причем снижение мощности составит всего 2% за год. Такие параметры, считают ученые, открывают ясную перспективу для повсеместного распространения электромобилей.
Мобильные телефоны появились около сорока лет назад. Прогресс не стоит на месте. Вряд ли в те времена кто-то мог мечтать о том, что когда-нибудь появится атомная батарейка для телефона. Прогресс позволил добиться существенных прорывов во многих сферах, особенно в последнее время. Данный обзор будет посвящен применению атомных аккумуляторов в современных электронных устройствах.
Современные технологии
Рынок электроники является одним из наиболее перспективных направлений. С каждым годом эта сфера развивается все более динамично. Еще недавно в продажу поступили iPhone 3, а сегодня уже можно купить iPhone 8. Специалистам пришлось пройти большой путь, чтобы порадовать пользователей совершенными с аппаратной точки зрения устройствами. Это же касается Windows Phone и Android. Несколько лет назад телефон на базе ОС Android был чем-то удивительным.
Все дети мечтали поиграть в игры, где управлять действиями главного героя можно было путем поворота экрана. Этим сегодня уже трудно удивить. Даже первоклашки используют iPhone и не чувствуют от этого особого восторга. Они уже не смогут понять, что раньше существовали телефоны, функционирующие на основе кнопочного управления, а что еще ужаснее, на телефонах того времени было всего 2-3 примитивных игры. Тогда для детей даже змейка на монохромном дисплее была поводом для безмерного счастья. Играть в нее могли круглыми сутками. Игры в то время были не такими качественными. Использовать такие телефоны можно было в течение нескольких дней, не применяя при этом зарядку.
Атомная батарея - отличное решение для долгих игр
Игры на смартфонах с каждым годом выходят на более высокий уровень. Поэтому устройствам требуются более сильные аккумуляторы. Сколько сегодня способен продержаться наиболее мощный смартфон с огромным ресурсом автономной работы? При пассивном использовании такое устройство продержится не больше трех дней. Именно по этой причине инженеры и решили поднять вопрос о создании атомного аккумуляторного элемента. Сегодня в смартфонах в качестве источников питания обычно применяются литий-ионные батарейки. Реже встречаются элементы, функционирующие на полимерных аккумуляторах. Такие телефоны на самом деле не выдерживают продолжительного функционирования. Играть или смотреть на них фильмы можно всего несколько часов.
Может ли использоваться атомный аккумулятор в смартфонах?
Большинство компаний, занимающихся производством смартфонов, соревнуются по следующим показателям:
- диагональ экрана;
- быстродействие;
- габариты (как правило, борьба идет за уменьшение толщины устройств);
- длительность автономной работы устройства.
В настоящий момент вопрос о том, как может использоваться атомная энергия для создания современных смартфонов, остается актуальным. По предположениям ученых, уже в ближайшем будущем появятся устройства, которые можно будет оборудовать аккумуляторами, функционирующими по принципу реакции ядерного элемента. В этом случае телефоны будут функционировать без дополнительной зарядки до 20 лет. Такое время автономной работы не может не впечатлять.
Как возникла идея создания батареи?
Атомная батарейка - довольно-таки современная разработка XXI века. Однозначно, данное изобретение открыло огромное количество возможностей в деятельности как наземных, так и космических областей деятельности. Но действительно ли она не приносит вреда здоровью, как об этом везде говорят?
Идея появления небольших атомных реакторов относительно недавно получила большое распространение. Ученые выдвинули предположения о том, что такая батарейка для телефона позволит избавиться от проблемы необходимости подзарядки. О первом прототипе батарейки, использующей в своей работе атомную энергию, заговорили на отечественном предприятии «Росатом». Никакой определенной конкретики не было. Как говорят инженеры, первый компактный атомный реактор может быть изготовлен в 2017 году. Принцип действия такой батарейки будет состоять в использовании энергии химических реакций, происходящих при участии изотопа никеля. Если говорить более точно, речь идет о бета-излучении. Интерес представляет тот факт, что батарейка, созданная по данному принципу, будет работать в течение 50 лет. Размер такого элемента будет достаточно компактный. Чтобы иметь представление о том, какие габариты будет иметь атомный аккумулятор, достаточно представить себе, что простую батарейку уменьшили в 30 раз.
Безопасность применения батареи
Что касается безопасности, то эксперты уверены в том, что атомный аккумулятор не будет оказывать негативного воздействия на организм человека. Повод для такой уверенности дает уникальная конструкция. Прямое бета-излучение, без всяких сомнений, негативно сказывается на всех живых организмах. Однако стоит учитывать, что в таких аккумуляторах оно будет «мягким». Даже если такое излучение не выйдет наружу, оно будет поглощено внутри аккумуляторного элемента. Поскольку атомная батарейка будет способна поглощать излучение внутри, не давая ему выйти наружу, специалисты сегодня делают прогнозы на применение таких аккумуляторных устройств в медицинской сфере. К примеру, такие батарейки могут использоваться в конструкциях кардиостимуляторов.
Еще одним перспективным направлением использования таких батареек является аэрокосмическая отрасль. Промышленность стоит на третьем месте. Кроме этих основных отраслей, существует еще множество дополнительных проектов, в которых можно будет применять атомную батарею. Одним из важнейших направлений может стать транспортная отрасль.
Основные недостатки
Что же нам дает атомная батарейка? Преимущества и недостатки данного элемента питания будут подробно рассмотрены далее. Прежде всего, стоит отметить, что производство таких автономных источников энергии может стоить достаточно дорого. Научные работники и инженеры пока не решаются назвать точную стоимость такой разработки. Возможно, они просто боятся сделать поспешные выводы. Но есть приблизительная оценка.
Если говорить доступным языком, такая технология будет стоить очень дорого. Этого вполне стоило ожидать, если немного логически поразмыслить. Пожалуй, еще слишком рано думать о выпуске таких элементов питания в промышленных масштабах. Остается только надеяться, что ученым удастся найти альтернативные технологии, которые помогут разработать недорогой мобильный атомный реактор без угрозы радиационного заражения. И скорее всего, произойдет это в ближайшем будущем.
Многих интересует, сколько стоит атомная батарейка. Пока приводятся лишь предварительные оценки стоимости одного грамма активного вещества такой батарейки: 4000 долларов. Получается, что на производство одного такого аккумуляторного устройства нужно будет затратить примерно 4,5 млн рублей. Главная трудность связана с получением самого изотопа. В чистом виде в природе он не встречается. Для его создания необходимо использовать специальные реакторы. У нас в стране работает всего три таких реактора. Возможно, со временем будет разработана технология, позволяющая использовать для производства другие элементы, что позволит снизить расходы на производство данного элемента.
Принцип действия аккумулятора
Не только специалисты бьются над проблемой создания атомной батарейки. Недавно молодой ученый из Томска создал прототип аккумулятора, функционирующего на основе ядерной реакции. Как же работает такая атомная батарейка? Принцип работы данной разработки заключается в использовании изотопа трития. При правильном применении можно направить энергию, получаемую во время полураспада этого элемента, в верное русло. Атомная батарейка на базе трития будет работать в правильном режиме в течение 12 лет. Причем за этот промежуток времени аккумулятор не нужно будет подзаряжать. Стоит также отметить, что энергия высвобождается небольшими порциями.
Тритий: преимущества
Какие преимущества даст атомная батарейка для телефона? На сколько хватит такого аккумулятора? Устройство на базе трития со временем не изменит своих первоначальных свойств. Это является неоспоримым преимуществом. Изобретение было протестировано в Институте ядерной физики в Новосибирске. Также опытная модель была опробована в Томском университете.
Аккумулятор на базе никеля
Сотрудники ФГУП «Горно-химический комбинат» высказали готовность изготовить опытный образец атомного аккумулятора на базе никеля. Главным действующим компонентом в такой батарейке выступает изотоп никеля. Данный элемент способен обеспечить автономную работу электроники в течение полувека. Принцип работы аккумуляторного элемента основан на бета-вольтаическом эффекте. Он чем-то напоминает фотоэлектрический эффект. Пары «электро-дырка» в полупроводниковой решетке образуются за счет влияния бета-частиц. Для получения изотопа никеля 63 мишени никель-62 облучают.
Помимо продолжительного времени работы, к преимуществам таких аккумуляторных батарей можно будет отнести компактные размеры. При этом данные элементы питания будут совершенно безопасны для здоровья. Такие достоинства делают атомные батареи особенно привлекательными для многих сфер человеческой деятельности.
Перспективы применения аккумулятора
Атомная батарейка, которая функционирует на основе ядерной реакции, имеет огромные перспективы использования. Такое устройство будет особенно полезно в сфере электроники. Однако оно может использоваться не только как батарейка для телефона. Компактный реактор наверняка найдет применение в военной и аэрокосмической отраслях, а также в медицине.
В заключение
Атомные батарейки - это невероятное достижение науки, так как только такие технологии современного мира могут выдерживать высокие и низкие температуры, работая в различных условиях.
Несмотря на относительно высокую стоимость производства атомных батареек, нам остается только надеяться на то, что мы сможем увидеть такие изделия в новейших моделях телефонов. Вызывает определенные вопросы только элемент, который будет взят за основу такого аккумулятора. Конечно, по своей природе тритий является ядерным элементом. Но он все же имеет достаточно слабое излучение. Это вещество не нанесет вред человеческому организму. При правильном использовании аккумулятора кожа и внутренние органы не пострадают. Именно по этой причине данный элемент сегодня выступает в качестве наиболее вероятного кандидата для создания компактной атомной батарейки.
Сегодня атомную батарейку уже можно купить в интернете. Во всяком случае такие предложения есть. За эту экзотику, произведенную, к примеру, в США, нужно выложить 1000 долларов. Китайская обойдется дешевле. Зачем нужны столь супердорогие "игрушки"?
Главное достоинство - долговечность. Срок службы может быть и 20, и 50, и 100, и даже тысяча лет. Все зависит от периода полураспада радиоактивного изотопа - источника энергии. Отсюда и возможные области применения. Конечно, медицина, прежде всего кардиостимуляторы. Химические батарейки разряжаются, их приходится периодически менять. С "вечным" источником энергии такой проблемы вообще нет. Еще сфера применения - космос. С атомной батарейкой можно отправляться в дальние миссии, не думая о том, чем питать электронику.
Но все это пока действительно экзотика. И причина не только цена. Характеристики атомных батареек далеки от требуемых. Речь прежде всего о низкой удельной мощности и низком КПД, что предельно ограничивает сферу применения. Как изменить ситуацию? Над этим бьются в ведущих лабораториях мира. И здесь работа группы российских ученых из МФТИ, ФГБНУ "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" и МИСиС может стать прорывом. Ими создана батарейка, у которой удельная мощность и КПД в 10 раз выше, чем у всех созданных на сегодня аналогов. За счет чего это удалось?
Источником энергии у нас служит изотоп никель-63 с периодом полураспада около 100 лет, - говорит руководитель разработки доктор физико-математических наук Владимир Бланк. - Этот изотоп испускает бета-частицы, которые создают электрический ток в полупроводнике из алмаза. Ноу-хау нашей разработки именно в этом материале. Его уникальные свойства позволили на порядок улучшить параметры атомной батарейки.
Бланк подчеркивает, что хотя, с одной стороны, алмаз имеет ряд привлекательных качеств, но никто из конкурентов с ним не работает. Достаточно сказать, что в созданном нашими учеными устройстве толщина полупроводников из алмаза должна быть как у обычного полиэтиленового пакета - несколько десятков микрон. Как "настрогать" такие тонкие пластины из самого твердого минерала во Вселенной? Российским ученым удалось решить проблему, создать оригинальную технологию обработки алмаза.
Наша ядерная батарейка это своего рода слоеный пирог, между 200 алмазными полупроводниками установлены 200, изготовленных из никеля-63, источников энергии, - говорит Бланк. - Высота батарейки 3-4 миллиметра, вес 250 миллиграмм. Это в разы меньше, чем у всех современных аналогов.
Такие габариты - еще один плюс российской разработки. Расчеты показывают, что все известные на данный момент прототипы ядерных батарей имеют лишний объем. Вообще поиск оптимальных размеров - очень непростая задача. Если толщина изотопа слишком велика, рождающиеся в нем электроны не смогут его покинуть. С другой стороны, сильно уменьшать толщину тоже невыгодно, поскольку уменьшается число бета-распадов в единицу времени. Аналогичная ситуация и с толщиной полупроводника.
Чтобы найти максимум параметров, мы построили модель движения электронов в изотопе и полупроводниках, - говорит Бланк. - Оказалось, что эффективнее всего батарейка работает при толщине изотопа около двух микрон, а алмазного полупроводника 10 микрон.
По словам Бланка, достигнутая рекордная удельная мощность - это не предел. Ученые знают, как ее повысить еще минимум в три раза. Понятно, что чем она выше, тем больше сфер применения атомной батарейки. И ниже цена, ведь она уменьшается при масштабном серийном выпуске. Впрочем, по мнению Бланка, даже сейчас при разумной организации производства цена такой батарейки сравнима с ценой химических источников питания, которые применяются в кардиостимуляторах. Атомные батарейки безопасны для человека, так как излучение полностью поглощается внутри корпуса.
Инфографика "РГ": Антон Переплетчиков / Юрий Медведев
Радиоизотопные источники энергии - устройства использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы
(radioisotope
thermoelectric generator (RTG, RITEG)
Радиоизотопный термоэлектрический
генератор (РИТЭГ) преобразует
тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов,
в электроэнергию.
РИТЭГ состоят из двух основных элементов: источника тепла,
который содержит радиоактивный изотоп, и твердотельных термопар, которые
преобразуют тепловую энергию распада плутония в электричество. Термопары в
РИТЭГе используют тепло от распада радиоактивного изотопа для нагрева горячей
стороны термопары и холода пространства или планетарной атмосферы для получения
низкой температуры на холодной стороне.
По сравнению с ядерными реакторами РИТЭГи
значительно компактнее и проще конструктивно. Выходная мощность РИТЭГ весьма
невелика (до нескольких сотен ватт) и небольшой КПД. Зато в них нет движущихся
частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который
может исчисляться десятилетиями.
В усовершенствованном типе РИТЭГа
− The Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG),
который стал применяться в последнее время, был изменен состав термопары. Вместо SiGe
в MMRTG для термопар применяется PbTe/TAGS (Te, Ag, Ge, Sb).
MMRTG
предназначен для производства 125 Вт электроэнергии в начале миссии,
с падением до
100 Вт после 14 лет. При массе 45 кг MMRTG обеспечивает около 2.8 Вт/кг электроэнергии в начале жизни.
Конструкция MMRTG способна работать как в вакууме космического пространства, так и в
планетарных атмосферах, например, на поверхности Марса.
MMRTG обеспечивает высокую степень безопасности, минимизацию веса оптимизацию уровней
мощности в течение минимального срока службы в 14 лет.
NASA также работает над новой технологией RTG, называемой Advanced Stirling
Radioisotope Generator ASRG (Радиоизотопный генератор Стирлинга).
ASRG, как и MMRTG, преобразует тепло распада
плутония-238 в электричество, но не использует термопары. Вместо этого тепло
распада заставляет газ расширяться и осциллировать поршень, подобно двигателю
автомобиля. Это перемещает магнит назад и вперед через катушку более 100
раз в секунду, генерируя электричество для космического корабля. Количество
вырабатываемой электроэнергии больше, чем у MMRTG, примерно на 130 ватт, с
гораздо меньшим количеством плутония-238 (примерно на
3.6 кг меньше). Это результат более
эффективного преобразования цикла Стирлинга. Если для миссии требуется больше
энергии, можно использовать несколько ASRG, чтобы генерировать больше
энергии. На сегодняшний день нет запланированных миссий, которые будут
использовать ASRG, но они разрабатываются для 14-летней миссии.
Существует концепция подкритических РИТЭГ. Подкритический генератор состоит из
источника нейтронов и делящегося вещества с как можно большей критической
массой. Нейтроны источника захватываются атомами делящегося вещества и вызывают
их деление. Очень важное место при выборе рабочего изотопа играет образование
дочернего изотопа, способного к значительному тепловыделению, так как цепь
ядерного преобразования при распаде удлиняется и соответственно возрастает общая
энергия, которую можно использовать. Наилучшим примером изотопа с длинной цепью
распада и с энерговыделением на порядок большим, чем у большинства других
изотопов, является уран-232. Основное преимущество такого
генератора в том что энергия распада реакции с захватом нейтрона может быть
гораздо выше энергии спонтанного деления. Соответственно, потребное количество
вещества гораздо ниже. Количество распадов и радиационная активность в пересчете
на тепловыделение также ниже. Это снижает вес и размеры
генератора.
Требования к характеристикам радиоизотопов, использующихся
в РИТЭГах, к сожалению часто противоречивы. Для того, чтобы достаточно долго
поддерживать мощность для выполнения задачи период полураспада радиоизотопа
должен быть достаточно велик. С другой стороны, у него должна быть достаточно высокая объёмная активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки.
А это означает, что период полураспада у него не должен быть слишком мал, ибо
удельная активность обратно пропорциональна периоду распада.
У радиоизотопа должен быть удобный для утилизации вид
ионизирующего излучения. Гамма-излучение и нейтроны достаточно легко покидают
конструкцию, унося заметную часть энергии распада. Высокоэнергетичные электроны β-распада
хотя и неплохо задерживаются, однако при этом образуется тормозное
рентгеновское излучение, уносящее часть энергии. Кроме того,
гамма-, рентгеновское и нейтронное излучения зачастую требуют специальных
конструктивных мер по защите персонала (если он присутствует) и близкорасположенной аппаратуры.
Предпочтительным для радиоизотопной генерации энергии
является альфа-излучение.
Не последнюю роль в выборе радиоизотопа является его
относительная дешевизна и простота его получения.
Типичные периоды полураспада для радиоизотопов,
используемых в РИТЭГ, составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с более
короткими периодами полураспада могут использоваться для специализированных
применений.
Маломощные и малогабаритные радиоизотопные источники питания
Бета-вольтаические источники питания
(Betavoltaic power sources)
Также существуют нетермические генераторы, похожие по принципу работы на
солнечные батареи. Это бета-гальванические и
оптико-электрические источники. Они малогабаритны и предназначены для питания
устройств, не требующих больших мощностей.
В бета-вольтаическом источнике питания изотопный источник
испускает бета-частицы, которые собираются на полупроводнике. В результате
генерируется постоянный ток. Процесс преобразования энергии, который аналогичен
процессу фотогальванической (солнечной) ячейки, происходит эффективно даже в
экстремальных условиях окружающей среды. Выбирая количество и тип изотопа,
можно создать настраиваемый источник питания с заданным выходом и временем
жизни. Такие батареи практически не дают гамма-лучей, а мягкое бета-излучение
задерживается корпусом батарей и слоем фосфора.
Бета-вольтаические источники обладают высокой плотностью энергии и
сверхнизкой мощностью. Это позволяет бета вольтаическому устройству
функционировать дольше, чем конденсаторам или
батареям для маломощных устройств. Длительность работы, например бета-вольтаического источника на оксиде прометия примерно два
с половиной года, а 5 мг оксида прометия дают энергию в 8 Вт. срок службы бета-вольтаических
источников может превышать 25 лет.
|
Бета-вольтаический эффект.
Работа
бета-вольтаического преобразователя основана на том, что излученные при распаде
электроны или позитроны высоких энергий, попадая в область p-n перехода полупроводниковой пластины, генерируют там электронно-дырочную пару, которая затем пространственно разделяется областью пространственного заряда (ОПЗ). Вследствие этого на n и p- поверхностях полупроводниковой пластины возникает разность электрических потенциалов. Принципиально механизм преобразования напоминает тот, который реализован в полупроводниковых солнечных батареях, но с заменой фотонного облучения на облучение электронами или позитронами бета-распада радионуклидов. |
Пьезоэлектрический радиоизотопный
микроэлектрогенератор
(The Radioisotope
Thin-film Mkropower Generator)
Сердце этого элемента питания - кантилевер, тонкая пластина из пьезокристаллического. Коллектор на кончике кантилевера захватывает заряженные частицы, испускаемые из тонкопленочного радиоактивного источника. За счет сохранения заряда, радиоизотопная пленка остается с равными и противоположными зарядами. Это приводит к электростатическим силам между кантилевером и радиоактивным источником, изгибу кантилевера и преобразованию излучаемой источником энергии в запасенную механическую энергию. Кантилевер все больше изгибается и наконец кончик кантилевера вступает в контакт с радиоактивной тонкой пленкой, а накопленные заряды нейтрализуются посредством переноса заряда. Это происходит периодически. При подавлении электростатической силы кантилевер высвобождается. Внезапное высвобождение возбуждает колебания, которые приводят к зарядам, индуцированным в пьезоэлектрическом элементе у основания кантилевера. Сигнал переменного тока от пьезоэлектрического источника питания можно использовать непосредственно через импеданс нагрузки или выпрямлять с помощью диодов и фильтровать через внешний конденсатор. Поднятое таким образом напряжение смещения используется для управления маломощными датчиками и электроникой.
Основная область применения изотопных
источников – космические исследования. Изучение «глубокого космоса» без использования
радиоизотопных
генераторов невозможно, так как при значительном удалении от Солнца уровень
солнечной энергии, который можно было бы использовать
для производства электричества, необходимого для функционирования
аппаратуры и передачи радиосигналов,
очень мал. Химические источники также не оправдали себя.
На Земле радиоизотопные
источники нашли применение в навигационных
маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в
местности, где по техническим или экономическим причинам не было
возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В
частности, в СССР выпускались термоэлектрические генераторы нескольких видов.
В качестве радиоактивных изотопов в них использовались 90 Sr
и 238 Pu. Однако
у них очень большой период достижения безопасной
активности. Они выработали свой срок службы, составляющий
10 лет, и в настоящее время должны быть утилизированы. В настоящее время, в
связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки
необслуживаемых
радиоизотопных источников в
малодоступных местах прекратили.
Радиоизотопные источники энергии применяются там, где необходимо обеспечить
автономность работы оборудования, компактность, надёжность.
Радиоизотопы и их использование
С развитием и ростом ядерной энергетики цены на важнейшие генераторные изотопы
быстро падают, а производство изотопов быстро возрастает. В то же время
стоимость изотопов, получаемых облучением (U-232, Pu-238, Po-210,
Cm-242 и др.), снижается незначительно. В связи с чем изыскиваются способы более рациональных схем облучения мишеней,
более тщательной переработки облучённого топлива. Большие надежды на
расширение производства синтетических изотопов связаны с ростом сектора реакторов
на быстрых нейтронах. В частности, именно реакторы на быстрых
нейтронах с использованием значительных количеств тория позволяют
надеяться на получение больших промышленных количеств урана-232.
При использовании изотопов во многом разрешается проблема утилизации
отработанного ядерного топлива, и радиоактивные
отходы из опасного мусора
превращаются не только в дополнительный источник энергии, но и в источник
значительного дохода. Практически полная переработка облучённого топлива
способна приносить денежные средства, сопоставимые со стоимостью энергии,
выработанной при делении ядер урана, плутония и других элементов.
Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами. Кроме них их в технологии и медицине используют еще около 30 радиоактивных изотопов.
| Изотоп | Получение (источник) | Удельная мощность для чистого изотопа. Вт/г | T 1 / 2 |
|---|---|---|---|
| 60 Со | Облучение в реакторе | 2.9 | 5.271 года |
| 238 Pu | атомный реактор | 0.568 | 87.7 лет |
| 90 Sr | осколки деления | ~2.3 | 28.8 лет |
| 144 Ce | осколки деления | 2.6 | 285 дней |
| 242 Cm | атомный реактор | 121 | 162 дня |
| 147 Pm | осколки деления | 0.37 | 2.64 года |
| 137 Cs | осколки деления | 0.27 | 33 года |
| 210 Po | облучение висмута | 142 | 138 дней |
| 244 Cm | атомный реактор | 2.8 | 18.1 года |
| 232 U | облучение тория | 8.097 | 68.9 лет |
| 106 Ru | осколки деления | 29.8 | ~371.63сут |
238 Pu
У 238 Pu период полураспада 87.7 года
(потеря мощности
0.78 % в год), удельная мощность для чистого изотопа
0.568 Вт/г и исключительно низкие уровни гамма- и нейтронного
излучения. 238 Pu имеет самые низкие требования к экранированию.
Требуется менее 25 мм свинцового экранирования для
блокирования излучения 238 Pu. 238 Pu стал наиболее широко
используемым топливом для РИТЭГов, в форме оксида плутония (PuO 2).
В середине прошлого века 236 Pu и 238 Pu
применялись для изготовления радиоизотопных электрических батареек для питания
кардиостимуляторов срок службы которых достигал 5 и более лет. Однако вскоре
вместо них стали применять нерадиоактивные литиевые батарейки, срок службы
которых доходит до 17 лет.
238 Pu должен быть специально синтезирован; его мало (~1%
- 2%) в ядерных отходах, изотопное его выделение затруднительно. Чистый 238 Pu
может быть получен, например, с помощью облучения
нейтронами 237 Np.
Кюрий.
Два изотопа 242 Cm и 244 Cm являются альфа-излучателями
(энергия 6 МэВ); Они имеют относительно короткие периоды полураспада 162.8 дней и 18.1 года и производят до
120 Вт/г и
2.83 Вт/г тепловой энергии соответственно. Кюрий-242 в виде окиси
применяется для производства компактных и чрезвычайно мощных радиоизотопных
источников энергии. Однако 242 Cm очень дорог (около 2000 долларов США
за грамм). В последнее время все большую популярность приобретает более тяжелый
изотоп кюрия − 244 Cm. Так как оба эти изотопы практически чистые
альфа-излучатели, проблема радиационной защиты остро не стоит.
90 Sr.
90 Sr β-излучатель с
незначительной γ-эмиссией. Его период полураспада в 28.8
лет намного короче, чем у 238 Pu, Цепочка из двух β-распадов (90 Sr
→ 90 Y→ 90 Zr) дает суммарную энергию 2.8 МэВ (один
грамм дает ~0.46 Вт). Поскольку выход энергии ниже, он
достигает более низких температур, чем 238 Pu, что приводит к снижению
эффективности термоэлектрического преобразования. 90 Sr
– продукт
деления ядер и доступен в больших количествах по низкой цене.
Стронций является источником ионизирующего излучения высокой проницаемости, что
предъявляет относительно высокие требования к биологической защите.
210
Po.
210 Po имеет период полураспада всего 138 дней при огромном начальном
тепловыделении в 142 Вт/г. Это практический чистый альфа-излучатель. Из-за
малого периода полураспада 210 Po плохо подходит для РИТЭГов, а
используется для создания мощных и компактных источников тепла (Половина грамма
полония может нагреться до 500 °C). Стандартные источники с тепловой мощностью
10 Вт были установлены в космических аппаратах типа «Космос» и на «Луноходах» в
качестве источника тепла для поддержания нормального функционирования аппаратуры
в приборном отсеке.
210 Po также широко используется там, где нужна активная
антистатика. Из-за малого периода полураспада утилизация отработанных устройств
с 210 Po
не требует никаких особых мер. В США допустимо выбрасывать их на помойку общего
назначения.
При
использовании альфа-активных изотопов с большим удельным энерговыделением часто необходимо разбавить рабочий изотоп для уменьшения
тепловыделения. Кроме того, полоний весьма летуч, и требуется создание прочного химического соединения с каким-либо
элементом. В качестве таких элементов предпочтительны свинец, иттрий, золото, так как
они образуют тугоплавкие и прочные полониды.
241 Am.
В связи с дефицитом 238 Pu, альтернативой ему в
качестве топлива для РИТЭГов может стать 241 Am. У 241 Am
период полураспада 432 года. Он практически чистый
альфа-излучатель. 241 Am находится в ядерных отходах и почти изотопически
чист. Однако удельная мощность 241 Am составляет только 1/4 от
удельной мощности 238 Pu. Кроме того от продуктов распада 241 Am
исходит более проникающее излучение и необходимо лучшее экранирование. Впрочем,
требования к экранированию излучения для 241 Am не намного более
строги чем в случае с 238 Pu.
241 Am широко используется в детекторах дыма. В
ионизационном детекторе дыма используется крошечный кусочек америция-241. Заполненное воздухом пространство
между двумя электродами создает камеру, которая позволяет течению небольшого
постоянного тока между электродами. Если дым или тепло поступают в камеру,
электрический ток между электродами прерывается и срабатывает сигнал тревоги.
Эта дымовая сигнализация является менее дорогостоящей, чем другие
устройства.
63 Ni.
63 Ni
чистый β − -излучатель. Максимальная энергия электронов 67 кэВ,
период полураспада 100.1 л.
В начале двухтысячных годов в США и России были разработаны элементы питания, основой которых является
63 Ni.
Срок работы устройств более 50 лет, а размеры меньше одного кубического
миллиметра. Для получения электроэнергии используется бета-вольтаический эффект.
Также ведутся работы по созданию пьезоэлектрического радиоизотопного генератра. Подобные батареи могут быть использованы в
нейро- и кардиостимуляторах.
144 Ce.
Источник тепла – 144 Ce.
144 Ce чистый β − -излучатель.
Период полураспада 144 Ce 285 суток,
Удельная мощность для чистого изотопа
2.6 Вт/г. РИТЭГ предназначается для питания радиопередатчиков и
автоматических метеостанций. Стандартная мощность 200 Вт.
Радиоизотопы широко применяются в смеси с фосфором для
обеспечения постоянного свечения в контрольных приборах на борту транспортных
средств, в часах, фонарях на полярных аэродромах и в навигационных знаках и даже
в ёлочных игрушках. Раньше чаще всего для этого применялся 226 Ra,
период полураспада которого 1620 лет. Однако из соображений радиационной
безопасности после 1970-х годов радий в этих целях не используется. В наши дни
для этих целей чаще всего используют мягкими бета излучателями:
прометием (147 Pm
Т 1/2 = 2.64 года), криптоном (85 Kr
Т 1/2 = 10.8 лет) и тритием (3 H
Т 1/2 = 12.3 года). Конечно, периоды их
полураспада маловаты, зато их ионизирующее излучение не проникает за оболочки
устройств.