«Ядерная батарейка» впервые разработана в России, передает РИА «Новости». Такая атомная батарейка будет экологически безопасна и безвредна для человека за счёт производимого мягкого бета-излучения (и отсутствия опасной гаммы).
Неоружейный плутоний: российские ученые создали уникальную ядерную батарейку
атомная батарейка. Батарейку можно применять в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах. Как будто концепции ядерных батарей недостаточно, есть и более эксцентричная идея — создавать батареи из искусственных наноалмазов. Такая атомная батарейка будет экологически безопасна и безвредна для человека за счёт производимого мягкого бета-излучения (и отсутствия опасной гаммы). Про супер-долгую атомную батарейку с повышенной в 10 раз мощностью".
Американский стартап показал «вечную» ядерную батарейку
Эта система является относительно простой с точки зрения экспериментальной реализации и представляет собой ансамбль плотно упакованных нанокластеров никеля с градиентным распределением наночастиц по размеру, осажденных на поверхности широкополосного диэлектрика — оксида кремния. Ключевая особенность системы основана на том, что вследствие размерной зависимости энергии Ферми наличие пространственно неоднородного распределения металлических наночастиц по размерам приводит к пространственному перераспределению заряда в такой системе. Это означает, что в электропроводящей системе соприкасающихся друг с другом металлических наночастиц, средний размер которых монотонно изменяется в выделенном направлении, в этом же направлении должна регистрироваться разность потенциалов. Таким образом, формирование нанокластерных пленок никеля-63 с градиентным распределением наночастиц по размерам открывает уникальную возможность и позволяет совместить сразу два важных процесса: во-первых, формировать покрытия с фиксированной разностью потенциалов определяется разницей размеров наночастиц в выделенном направлении ; во-вторых, осуществлять преобразование энергии бета-распада 63Ni в ток электронов без использования дополнительных сложных для реализации полупроводниковых систем. Главным вопросом, которому посвящена разработка НИЯУ МИФИ, является исследование электрофизических свойств формируемой нанокластерной пленки никеля и подбор оптимальных параметров эксперимента для создания эффективного преобразователя энергии бета-распада 63Ni в электричество. Первичные результаты, подтверждающие возможность реализации такой системы, ранее были опубликованы коллективом авторов в престижном журнале Applied Physics Letters. Однако оказалось, что данные наноструктурированные пленки могут использоваться в качестве селективного фотоэмиттера — системы с перераспределенным спектром излучения в заданном спектральном диапазоне. Как показали проведенные эксперименты, процесс окисления данной пленки приводит к образованию оксидной оболочки поверх металлического ядра нанокластера.
Это обеспечивает возможность эмиссии фотонов заданной длины волны при нагреве и дает возможность «настройки» спектра излучения системы под требуемый диапазон. Это, в свою очередь, выводит энергоэффективность источника электроэнергии на новый уровень. Схема преобразования Превращение батарейки в селективно излучающую систему в инфракрасном диапазоне, позволяет увеличить эффективность работы источников питания, часть энергии которых обычно безвозвратно тратиться на тепло, что и было экспериментально продемонстрировано учеными НИЯУ МИФИ в рамках опытно-конструкторской работы по договору с ЧУ «Наука и инновации» Госкорпорации «Росатом». Также было проведено исследование технических характеристик прототипа, разработан полный комплект конструкторской документации для масштабирования, отработана технология преобразования тепловой энергии ядерного распада в электричество с помощью термофотовольтаических преобразователей. Разработка термофотовольтаических преобразователей в настоящее время активно ведется в США и Европе с целью увеличить эффективность РИТЭГ для использования в космических аппаратах. На текущий момент, основной путь создания высокоэффективных радиоизотопных источников энергии — поиск новых или модифицированных материалов, например, нано- материалов, которые могли бы по своим полупроводниковым свойствам заменить кремний, германий и другие узкозонные полупроводники. Идея, предложенная учеными НИЯУ МИФИ — это оригинальный альтернативный подход к решению проблемы преобразования энергии ядерного распада в электричество. Её реализация позволила использовать процесс преобразования энергии во всем объеме материала, что увеличивает эффективность преобразования и открывает широкие возможности масштабирования данных элементов для получения как больших мощностей, так и миниатюризации.
От ядерных реакторов они отличаются тем, что в них не используется цепная реакция. Технически радиоизотопные генераторы не являются батареями, поскольку в отличие от электрохимических аккумуляторов их нельзя заряжать или перезаряжать. Фото: Betavolt Фото: Betavolt Ученые Советского Союза и США смогли разработать технологию для использования в космических кораблях, подводных системах и удаленных научных станциях, однако существующие радиоизотопные генераторы являются дорогостоящими и громоздкими. Наиболее известным примером являются РИТЕГи, которые используют тепловую энергию, выделяющуюся при распаде изотопов, и преобразуют ее в электрическую за счет термоэлектрогенератора. Кроме того, существуют нетепловые преобразователи. Попытки миниатюризации и коммерциализации ядерных батарей были предприняты в рамках 14-го пятилетнего плана Китая, призванного укрепить экономику страны в период с 2021 по 2025 год. Исследовательские институты в США и Европе также работают над разработкой компактных радиоизотопных генераторов.
Но это лишь тепло; в начале миссии установка выделяла 292 Ватта электроэнергии. Большую эффективность при меньшем размере. Нет, период полураспада никуда не делся, но с ним проще «работать», если можно с легкостью рассчитать батарею для космического аппарата с серьезным запасом мощности на пару десятилетий, а то и больше. В батарейке МИФИ несколько иной принцип действия — изотоп в вакуумной камере нагревается до 1500 градусов Цельсия и начинает светиться. Вся поверхность капсулы усеяна наносферами из вольфрама — одного из самых тугоплавких материалов в мире напылять его приходится около 100 часов, чтобы обработать капсулу размером с обычное ведро. Это несколько изменяет спектр излучения в нужном направлении и повышает эффективность изобретения. Вокруг капсулы еще одна камера, вся поверхность которой покрыта фотоэлементами. Они схожи по своей природе с солнечными батареями, но рассчитаны на длительную работу при высокой температуре и высокой интенсивности излучения. Внутренняя камера нужна для «сдерживания» радиоактивного плутония — она раскаляется до 1500 градусов Цельсия видимый человеческим глазом спектр свечения начинается уже после 527 градусов. Изотоп находится там в вакуумном состоянии. Внешняя камера изнутри усеяна светопоглотителями. Петр Борисюк считает, что при нынешних конфигурациях батарея проработает 10 лет без проблем. А далее могут быть нужны замены элементов, окружающих светящуюся капсулу, проводков, электроники и так далее. По сути, капсулу можно поместить в новый контейнер, и она продолжит работу в новой системе. Ученые представили установку, которая дает электричество за счет энергии полураспада изотопа плутония. Этакая мини-АЭС, способная работать без подзарядки 87 лет. Мощность батареи — до 500 Вт. Этого хватает, чтобы запитать, например, метеостанцию в Арктике. Да что там, это вдвое больше, чем мощность «Кассини-Гюйгенс», при меньшем размере. Аппаратура на бортах космических аппаратов всегда зависит от мощности энергоустановок. Больше мощности дает возможность поставить аппаратуру получше. Пока что прототип вышел размером с микроволновку.
Российские ученые создали уникальную атомную батарейку
Стенки капсулы под воздействием радиации нагреваются до температуры в 1500 градусов по Кельвину. Капсула становится настолько горячей, что её стенки светятся. Этот свет улавливают фотоэлементы, расположенные вокруг капсулы, и преобразуют в электричество. Похоже на солнечные батареи, но вместо Солнца светится капсула с изотопом. А ещё плутоний даёт намного большие мощности: одна батарейка может выдавать несколько сотен ватт. Хотя есть и свои сложности. Альфа-излучение довольно интенсивное и чаще всего сопровождается гамма-излучением. Под его воздействием понемногу разрушаются узлы батарейки: провода, преобразователи энергии и другие комплектующие.
Со временем их понадобится заменять. Например, в плутониевых батарейках оборудование способно «прожить» около 20 лет, хотя период полураспада самого изотопа куда больше — 87 лет. К тому же преобразование тут двойное: тепло превращается в свет, а потом в электричество, и по пути часть энергии теряется. Существуют и другие способы преобразовывать альфа-излучение в электрический ток: нестандартные конструкции батареек, использование неравномерной эмиссии электронов. Но таких разработок меньше, и продвигаются они медленно из-за дороговизны комплектующих. По какой технологии создают ядерные батарейки Технологический процесс делится на несколько этапов. В зависимости от вида батарейки этапы могут различаться — для примера покажем процесс на основе современных тритиевых батареек с сэндвич-структурой.
Подготавливают радиоактивные изотопы. Изотопы не берутся из ниоткуда, их получают с помощью долгих и сложных реакций обогащения в специальных центрифугах. Процесс создания изотопа может занимать несколько лет. Чаще всего производители ядерных батареек не готовят изотопы самостоятельно, а закупают — в России их подготовкой занимаются предприятия «Росатома». Разрабатывают полупроводниковый элемент. Для создания полупроводников могут использовать кремний, арсенид галлия, германий и другие элементы — тут всё зависит от потребностей. Фактически производитель батарейки создаёт полупроводниковый диод на основе нужного материала.
Запускают в конструкцию изотоп. Тритий — это газ, который закачивают внутрь рабочей камеры. Там он вступает в реакцию со специальной подложкой и начинает излучать бета-частицы. Твёрдые элементы вроде никеля-63 наносят на полупроводник с помощью напыления или приклеивают в виде фольги, хотя это менее эффективно. Потом из батарейки откачивают воздух, чтобы частицы не сталкивались и полезное излучение не уходило в никуда. Помещают батарейку в защитный корпус. Одна пара «изотоп — полупроводник» даёт довольно низкую энергию.
Поэтому, чтобы достигнуть нужной мощности, обычно в батарейке размещают несколько десятков или даже сотен таких пар. Потом конструкция помещается в герметичный защитный корпус, который не выпускает наружу радиационное излучение и защищает саму батарейку от внешних воздействий.
В настоящий момент разработчики завершают процедуру международного патентования изобретения, а само устройство уже признано зарубежными экспертами.
После распада 63 изотопа превращаются в стабильный изотоп меди, который нерадиоактивен и не представляет никакой угрозы. США и Европа также работают над созданием миниатюрных ядерных батарей Ядерные батареи или радиоизотопные генераторы — это устройство, в которых энергия распада радиоактивного изотопа преобразуется в электрическую энергию. От ядерных реакторов они отличаются тем, что в них не используется цепная реакция.
Технически радиоизотопные генераторы не являются батареями, поскольку в отличие от электрохимических аккумуляторов их нельзя заряжать или перезаряжать. Фото: Betavolt Фото: Betavolt Ученые Советского Союза и США смогли разработать технологию для использования в космических кораблях, подводных системах и удаленных научных станциях, однако существующие радиоизотопные генераторы являются дорогостоящими и громоздкими. Наиболее известным примером являются РИТЕГи, которые используют тепловую энергию, выделяющуюся при распаде изотопов, и преобразуют ее в электрическую за счет термоэлектрогенератора. Кроме того, существуют нетепловые преобразователи.
Плюс на борту имелось по девять нагревателей RHU их может быть и больше, они устанавливаются точечно в рассчитанных местах. Инженерам приходилось решать проблемы с нагревом в тысячи градусов как в случае с новой системой, так и в прошлом и будущем Спустя пару лет после запуска «Вояджеров» США временно вышли из гонки, а СССР, напротив, наращивал количество запущенных спутников — это были аппараты серии УС-А. Но на них устанавливали ядерные энергетические установки БЭС-5 «Бук», работавшие на уране. Их электрическая мощность составляла 3 кВт при тепловой мощности 100 кВт, что заметно превосходило показатели американских систем, работавших по несколько иному принципу. Фото: Los Alamos National Laboratory Срок работы спутников с «Буками» был заметно меньше: он составлял около полугода потом аппарат становился мусором, который летает вокруг Земли до сих пор , и это при более высоком весе ядерного топлива. Поэтому требовались регулярные запуски, с которыми то и дело не ладилось. На смену БЭС-5 пришли ядерные установки «Топаз», которые были мощнее предшественников более чем в два раза. Однако новые системы получили лишь два спутника, и один из них был уничтожен. Фото: kerbalspaceprogram. Однако какого-то значительного шага вперед с точки зрения эффективности сделано не было. Новые «атомные батарейки» устанавливали в автоматическую межпланетную станцию АМС «Улисс», изучавшую Солнце и Юпитер; в спускаемый зонд «Галилео» для исследования атмосферы Юпитера; в станцию «Кассини-Гюйгенс», которая исследовала Сатурн, его кольца и спутники; в АМС «Новые горизонты», выполняющую программу исследования объектов Солнечной системы. АМС «Улиcс». Китай также предпринял попытки использовать технологию — в АМС «Чанъэ-3» и вездеходе «Юйту», прибывшем на Луну тем же «рейсом». Точно не известно, были это источники питания или обогреватели, так как данные разнятся. Что дальше? В рамках него планируется разработать систему, которая позволит активнее путешествовать по Солнечной системе. Правда, это уже не «атомные батарейки», а стационарная система на обогащенном уране. Рендер реактора Kilopower с рассеивающим тепло «зонтом». В 2019 году сообщалось о выделении средств — может, в 2024-м появится демонстрационная модель. Плутоний как топливный элемент Что касается «атомных батареек», то самые эффективные их образцы пока можно найти лишь в научной фантастике. В последнее время плутоний, уран и другие элементы таблицы Менделеева в качестве источников питания практически не рассматриваются.
День, когда появилась атомные батарейки с зарядом на 20 лет
| В России создана миниатюрная и долговечная атомная батарейка | В России создали прототип атомной батареи, которая может работать без подзарядки 80 лет. |
| В Красноярском крае разработана атомная батарейка, работающая 50 лет | В итоге атомная батарейка способна проработать не менее 50 лет. |
| Неоружейный плутоний: российские ученые создали уникальную ядерную батарейку | Китайский стартап Betavolt представил ядерную батарейку BV100, которая может генерировать электроэнергию в течение 50 лет без необходимости зарядки и обслуживания. |
| Ядрена батарейка | В России разработана атомная батарейка. Эта батарейка будет полувечной: новости из мира энергетики будущего. |
| В России создали «ядерную батарейку» для космоса и авиации - Телеканал "Наука" | Ядерные батарейки способны бесперебойно питать элементы годами, пока не достигнут периода полураспада радиоактивного изотопа. |
Российские ученые оценили созданную в Китае ядерную батарейку
| Гамулятор • Новый вариант атомной батарейки или "РИТЭГ второго поколения" (с) | Атомная термоэлектрическая станция (АТСТ) малой мощности "Елена-М", разработанная в Национальном исследовательском центре "Курчатовский институт", и РИА Новости. |
| Компания Betavolt Technology создала атомную батарейку для смартфонов, способную работать 50 лет | «Сердце ядерной батарейки — вакуумная капсула с радиоактивным изотопом. Благодаря энергии ядерного распада она нагревается до 1500°C и начинает светиться. |
| Российская «атомная батарейка» способна проработать 20 лет! | Как устроена батарейка на ядерном топливе, и насколько она безопасна? Многоствольные скорострельные пулемёты. |
| «Это совершенно безопасно» — в Китае создали ядерную батарейку размером меньше монеты | Ядерные батарейки способны бесперебойно питать элементы годами, пока не достигнут периода полураспада радиоактивного изотопа. |
| В МИФИ создали прототип плутониевой батарейки | В Китае изобрели атомную батарейку BV100, которая может работать до 50 лет без подзарядки. |
В НИЯУ МИФИ создали прототип ядерной батарейки
"Росатом" изготовил первую опытную партию компактных ядерных батареек. Китайские ученые создали «вечную» ядерную батарею, которая может производить энергию до 50 лет без подзарядки. Конструкция ядерной батареи BV100. Ядерный аккумулятор BV100 очень маленький — его габариты составляют 15x15x5 миллиметров. Изотоп никель-63 (63Ni) давно привлекает внимание инженеров как перспективный энергоисточник для атомных батареек. На заводе «Элемаш» в Электростали делают батарейки для ядерных реакторов, которые используют по всему миру.
«Ядерные батарейки» для космической техники
На заводе «Элемаш» в Электростали делают батарейки для ядерных реакторов, которые используют по всему миру. Мощность ядерной батарейки Betavolt на данном этапе составляет 100 микроватт, а напряжение — 3 Вольта. Атомную батарейку, которая эффективно сможет работать десятки лет, продлевая работоспособность космических и глубоководных приборов, создали ученые НИТУ «МИСиС».