Атомната батерия в съвременния свят

Науката в момента напредва и се развива. Вече е изобретена ядрена батерия. Такъв източник на енергия може да издържи до 50, а понякога и до 100 години. Всичко зависи от размера и използваното радиоактивно вещество.

„Росатом“ беше първата компания, която обяви производството на ядрена батерия. През 2017 г. компанията представи прототип на изложение.

Изследователи са успели да оптимизират слоевете на ядрена батерия, която използва бета-разпадането на изотопа никел-63 за генериране на електричество.

1 грам от това вещество съдържа 3300 миливатчаса.

Как работи атомната батерия

Атомната батерия, известна още като радиоизотопни генератори на топлина (RIHG), е източник на енергия, който използва процеса на разпад на радиоактивни изотопи, за да генерира топлина и от своя страна да я преобразува в електрическа енергия.

Принципът на действие на атомната батерия се основава на радиоактивен разпад, при който ядрата на атомите се разпадат, отделяйки частици и енергия. Един от най-разпространените материали, използвани в атомните батерии, е плутоний-238, който има дълъг период на полуразпад. Плутоний-238 се разпада на уран-234, отделяйки алфа частици. Тези частици съдържат висока енергия, която се преобразува в топлина при взаимодействие с околната среда.

Генерирането на топлина е ключова стъпка в работата на атомната батерия. Топлината се предава през топлообменник към термоелектрически преобразувател. Този преобразувател съдържа материали, способни да генерират електрически ток при температурна разлика. По този начин топлината от радиоактивното разпадане на плутоний-238 се пренася към едната страна на термоелектрическия преобразувател, създавайки температурна разлика между двете му страни. Тази температурна разлика позволява генерирането на електрическа енергия, използвайки термоелектричния ефект на Зеебек.

Електрическата енергия, генерирана от термоелектрически преобразувател, се използва за захранване на електрически устройства. Основното предимство на атомните батерии е, че те осигуряват стабилен, дълготраен източник на енергия, който не изисква подмяна или презареждане в продължение на много години. Въпреки това, поради използването на радиоактивни материали, атомните батерии носят определени рискове и изискват специални предпазни мерки по време на употреба и работа.

 

Опасни ли са ядрените батерии?

Разработчиците твърдят, че тези батерии са напълно безопасни за обикновените хора. Това е така, защото корпусът е добре проектиран.

Известно е, че бета лъчението е вредно за организма. Но в новосъздадената ядрена батерия то е меко и ще се абсорбира в енергийната клетка.

В момента експертите идентифицират няколко индустрии, в които се планира да се използва руската ядрена батерия А123:

1. Лекарство.
2. Космическата индустрия.
3. Промишленост.
4. Транспорт.

Освен в тези области, нови дълготрайни енергийни източници могат да се използват и в други.

Предимства на ядрената батерия

Открояват се редица положителни качества:

• Издръжливост. Те могат да издържат до 100 000 години.
• Способност да издържа на критични температури.
• Малкият им размер позволява да бъдат преносими и използвани в компактно оборудване.

Недостатъци на ядрената батерия

• Сложност на производството.
• Съществува риск от излагане на радиация, особено ако корпусът е повреден.
• Скъпо. Една ядрена батерия може да струва между 500 000 и 4 500 000 рубли.
• Достъпно за ограничен кръг от хора.
• Малък избор.

Изследванията и разработването на ядрени батерии се извършват не само от големи компании, но и от обикновени студенти. Студент в Томск например е разработил своя собствена ядрена батерия, която може да работи приблизително 12 години без презареждане. Изобретението се основава на разпадането на тритий. Характеристиките на тази батерия остават непроменени с течение на времето.

Ядрена батерия за смартфони

Към 2019 г. се произвеждат ядрени източници на енергия за телефони. Те изглеждат като показания на снимката по-долу.

Те приличат на микрочип, който се поставя в специални слотове в мобилен телефон. Такава батерия може да издържи 20 години и не е необходимо да се зарежда през това време. Това е възможно благодарение на процеса на ядрено делене. Този източник на енергия обаче може да е тревожен за мнозина. В края на краищата, всеки знае, че радиацията е вредна и пагубна за организма. И малко хора биха се радвали да носят такъв телефон по цял ден.

Но учените твърдят, че тази ядрена батерия е напълно безопасна. Като активно вещество се използва тритий. Радиацията, излъчвана по време на разпадането ѝ, е безвредна. Можете да видите трития в действие на светещ в тъмното кварцов часовник. Батерията може да издържи на температури до -50°C и работи надеждно при температури до 150°C.⁰В същото време не са наблюдавани колебания в работата му.

Би било хубаво да имате такава батерия под ръка, поне за да презареждате телефона си с обикновена батерия.

Напрежението на такава батерия варира между 0,8 и 2,4 волта. Тя също така генерира между 50 и 300 наноампера. И всичко това се случва в продължение на 20 години.

Капацитетът се изчислява, както следва: C = 0,000001W * 50 години * 365 дни * 24 часа / 2V = 219mA

Батерията в момента се оценява на 1122 долара. Преобразувано в рубли по текущия обменен курс (65,42), това би било 73 400 рубли.

Къде се използват ядрени батерии?

Обхватът на приложение е практически същият като този на конвенционалните батерии. Те се използват в:

• Микроелектроника.
• Сензори за налягане и температура.
• Импланти.
• Като външни батерии (power bank) за литиеви батерии.
• Системи за идентификация.
• Часове.
• SRAM памет.
• За захранване на процесори с ниска консумация на енергия, като FPGA, ASIC.

Това не са единствените устройства; списъкът им ще се разшири значително в бъдеще.

Никел-63 ядрена батерия и нейните характеристики

Този ядрен източник на енергия, базиран на изотопа 63, може да издържи до 50 години. Той работи чрез бета-волтаичен ефект. Той е почти идентичен с фотоелектричния ефект. При този ефект, електрон-дупковите двойки в кристалната решетка на полупроводника се създават от действието на бързи електрони или бета частици. При фотоелектричния ефект те се създават от действието на фотони.

Никел-63 атомна батерия се произвежда чрез облъчване на никел-62 мишени в реактор. Изследователят Гаврилов твърди, че този процес отнема около година. Необходимите мишени вече са налични в Железногорск.

Ако сравним новите руски никел-63 ядрени батерии с литиево-йонните батерии, те ще бъдат 30 пъти по-малки.

Експертите твърдят, че тези енергийни източници са безопасни за хората, защото излъчват слаби бета лъчи. Освен това те не се освобождават външно, а остават вътре в устройството.

Този източник на захранване е идеален за медицински пейсмейкъри. Разработчиците обаче не са разкрили цената. Тя може да се изчисли и без тях. Един грам Ni-63 в момента струва приблизително 4000 долара. Следователно, една напълно функционална батерия би изисквала значителна инвестиция.

Състав на ядрена батерия

Никел-63 се извлича от диаманти. Получаването на този изотоп обаче изискваше разработването на нова технология за рязане на издръжливия диамантен материал.

Ядрената батерия се състои от емитер и колектор, разделени от специален филм. При разпадането на радиоактивния елемент той излъчва бета-лъчение. Това води до неговия положителен заряд. В същото време колекторът се зарежда отрицателно. Това създава потенциална разлика, генерираща електрически ток.

По същество нашата атомна енергийна клетка е многослоен пай. 200 никел-63 източника на енергия са разположени между 200 диамантени полупроводника. Източникът на енергия е висок приблизително 4 мм и тежи 250 милиграма. Малкият му размер е основно предимство за руската атомна батерия.

Намирането на правилните размери е трудно. Дебелият изотоп ще предотврати излизането на произведените от него електрони. Тънкият изотоп е недостатък, тъй като намалява броя на бета-разпадите за единица време. Същото важи и за дебелината на полупроводника. Батерията се представя най-добре с дебелина на изотопа от около 2 микрона, докато диамантеният полупроводник изисква 10 микрона.

Но постигнатото досега от учените не е границата. Емисиите на отработени газове биха могли да се увеличат поне три пъти. Това означава, че ядрената батерия може да бъде направена три пъти по-евтина.

Ядрена батерия с въглерод-14, която издържа 100 години.

Тази атомна батерия има следните предимства пред други източници на радиационна енергия:

1. Евтиност.
2. Екологично чист.
3. Дълъг експлоатационен живот до 100 години.
4. Ниска токсичност.
5. Безопасност.
6. Способен за работа при екстремни температурни условия.

Радиоактивният изотоп въглерод-14 има период на полуразпад от 5700 години. Той е напълно нетоксичен и евтин.

Не само САЩ и Русия, но и други страни работят активно за модернизиране на ядрените батерии! Изследователи са се научили да отглеждат филм върху карбидния субстрат. В резултат на това цената на субстрата е намаляла 100 пъти. Тази структура е устойчива на радиация, което прави този енергиен източник безопасен и издръжлив. Чрез използването на силициев карбид в ядрените батерии е възможно да се постигне работа при температури от 350 градуса по Целзий.

Така учените успяха да създадат атомна батерия със собствените си ръце!