Ядерная батарейка своими руками

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 19.09.2024

Забудьте о наборах, из которых можно собрать программируемых роботов. Забудьте о радиоуправляемых автомобилях, дирижаблях и даже миниатюрных вертолетах. Детям XXI века нужны другие игрушки. Теперь каждый школьник может почувствовать себя Курчатовым, собрав на столе самый настоящий ядерный реактор!

Кадры решают все

Грамотность с пеленок

«Наша компания родом из Обнинска- города, где атомная энергия знакома и привычна людям чуть ли не с детского сада, — объясняет "ПМ" научный руководитель НПП "Экоатомконверсия" Андрей Выхаданко. — И все понимают, что бояться ее совершенно не надо. Ведь по-настоящему страшна лишь неизвестная опасность. Поэтому мы и решили выпустить этот набор для школьников, который позволит им вдоволь поэкспериментировать и изучить принципы работы атомных реакторов, не подвергая себя и окружающих серьезному риску. Как известно, знания, полученные в детстве, самые прочные, так что выпуском этого набора мы надеемся значительно понизить вероятность повторения Чернобыля или

Ненужный плутоний

Что в сундучке

Все материалы добавляются пользователями. При копировании необходимо указывать ссылку на источник.

На данный момент наука прогрессирует и развивается. На сегодняшний день уже изобретена ядерная батарейка. Прослужить такой источник энергии может до 50, а иногда и до 100 лет. Здесь все зависит от размера и какое радиоактивное вещество используется.

В первые заявление об производстве атомной батарейки прозвучало от Росатома. В 2017 году этой компанией на выставке был представлен опытный образец.

Исследователям удалось выполнить оптимизацию слоев ядерной батарейки, которая для выработки электричества использует бета распад изотопа никеля 63.

1 грамм такого вещества содержит 3300 милливатт часов.

Принцип работы атомной батарейки

Получение энергии основывается на химической реакции с использованием разных типов изотопов. Вовремя бета распада создается электрический потенциал. А это дает ток.

Опасны ли ядерные батарейки?

Разработчики утверждают, что подобные элементы питания для обычных граждан являются полностью безопасными. А все потому что конструкция корпуса выполнена добротно.

Известно, что бета излучение вредит организму. Но в созданной ядерной батарейке оно мягкое и будет поглощаться внутри энергетического элемента.

Медицина.
Космическая отрасль.
Промышленность.
Транспорт.

Так же по мимо этим сферам новые долговечные источники энергии можно использовать и в других.

Плюсы ядерной батарейки

Выделяют ряд положительных качеств:

Долговечность. Смогут проработать до 100 000 лет.
Способность переносить критические температуры.
Маленький размер позволит их сделать портативными и использовать в компактной технике.

Минусы ядреной батарейки

Сложность производства.
Присутствует опасность облучения. Особенно при повреждении корпуса.
Дороговизна. Одна ядерная батарейка может стоить от 500 000 до 4 500 000 рублей.
Доступны узкому кругу людей.
Небольшой ассортимент.

Исследованием и разработкой ядерных батарей занимаются не только большие компании, но и обычные студенты. Так в Томске студент разработал свой аккумулятор, на ядерной энергетике, который может проработать без подзарядки порядка 12 лет. Работа изобретения основана на распаде трития. Такая батарейка не меняет своих характеристик с течением времени.

Ядерная батарейка для смартфона

На 2019 год выпускают атомные источники энергии для телефонов. Выглядят они так как показано на картинке ниже.

Напоминают некую микросхему, которая вставляется в специальные разъемы в мобильнике. Такая батарея способна проработать 20 лет. Причем все это время ее не нужно заряжать. Подобное возможно за счет процесса ядерного деления. Правда многих такой источник энергии может испугать. Ведь всем известно, что радиация вредна и разрушает организм. И таскать такой телефон рядом с собой на протяжение суток мало кому понравится.

Но как утверждают ученые такая ядерная батарея полностью безопасна. Так как в качестве активного вещества задействован тритий. Его излучение, появляющееся при распаде, является без вредным. Посмотреть работу трития можно на светящихся в темноте кварцевых часах. Выдерживает батарейка мороз в минус 50 градусов. Так же стабильно функционирует при плюс 150 C 0 . При этом ни каких колебаний в ее работе отмечено не было.

Неплохо под рукой иметь такой аккумулятор хотя бы для того чтобы подзарядить телефон на обычной АКБ.

Напряжение такой батареи колеблется от 0,8 – 2,4 вольт. Так же она генерирует от 50 до 300 нано ампер. И все это происходит на протяжение 20 лет.

Емкость рассчитана следующим образом: C = 0,000001W * 50 лет * 365 дней * 24 часа / 2V = 219mA

На данный момент АКБ оценивается 1 122 доллара. Если перевести на рубли по нынешнему курсу (65,42), то это выйдет 73 400 рублей.

Где используются ядерные батарейки?

Область применения практически такая же, как и у обычных элементов питания. Применяют их в:

Микроэлектронике.
Датчиках давления и температуры.
Имплантантах.
В качестве повербанков для литиевых элементов.
Системах идентификации.
Часах.
SRAM памяти.
Для питания процессоров малой мощности, например, FPGA, ASIC.

Это не единственные устройства в будущем их список заметно расширится.

Ядерная батарейка на никеле 63 и ее характеристики

Данный атомный источник энергии, выполненный на 63 изотопе может прослужить до 50 лет. Работает она за счет бета вольтоического эффекта. Он практически похож на фото электрический эффект. В нем электронно дырочные пары в кристаллической решетке полупроводника создаются под действием быстрых электронов или бета частиц. А при фотоэлектрическом эффекте они появляются под воздействием фотонов.

Атомная батарейка на никеле 63 производится за счет процесса облучения в реакторе мишеней из никеля 62. Исследователь Гаврилов утверждает, что на это уходит около 1 года. Нужные мишени уже имеются в Железногорске.

Если сравнивать новые российские ядерные батарейки на никеле 63 с литий-ионными элементами питания, то они будут в 30 раз меньше.

Специалисты утверждают, что эти энергетические источники безопасны для человека так как выделяют слабые бета лучи. К тому же они не выходят наружу, а остаются внутри устройства.

Такой источник питания на данный момент отлично подойдет для медицинских кардиостимуляторов. Но вот о стоимости разработчики не говорят. Но можно подсчитать ее и без них. 1 грамм Ni-63 на данный момент стоит примерно 4000$. От сюда можно сделать вывод что на полноценную батарею потребуется очень много денег.

Состав ядерной батарейки

Никель 63 добывают из алмазов. Но чтобы получить данный изотоп потребовалось создать новую технологию по нарезке прочного алмазного материала.

Вообще ядерная батарея состоит из излучателя и отделенного с помощью специальной пленки коллектора. Когда идет распад радиоактивный элемент выпускает бета излучение. В итоге происходит его положительный заряд. В это время коллектор заряжается отрицательно. После чего появляется разность потенциалов и образуется электрический ток.

По сути наш атомный элемент питания представляет из себя слоистый пирог. Промеж 200-т алмазных полупроводников стоят 200 источников энергии, выполненных из никеля 63. Высота источника энергии составляет около 4 мм. Его вес равен 250 миллиграмм. Маленький размер — это большой плюс для Российской атомной батарейки.

Сложно отыскать нужные габариты. Большая толщина изотопа не даст появившимся в нем электронам выйти. Маленькая толщина не выгодна, так как снижается количество бета распадов в единицу времени. То же самое и с толщиной полупроводника. Лучше всего батарейка функционирует при толщине изотопа около 2-х микрон. А алмазного полупроводника 10 микрон.

Но то что удалось достигнуть ученым на данный момент не является пределом. Выхлоп можно повысить еще минимум в три раза. А это значит, что ядерную батарейку можно сделать в 3-и раза дешевле.

Ядерная батарейка на углероде 14 работающая 100 лет

У данной атомной батарейке по сравнению с другими радиационными источниками энергии имеются следующие преимущества:

Дешевизна.
Экологическая чистота.
Долгий срок работы до 100 лет.
Низкая токсичность.
Безопасность.
Способна работать в экстремальных температурных условиях.

Радио активный изотоп углерод 14 имеет период полураспада 5700 лет. Он абсолютно не токсичен и имеет низкую стоимость.

Активную работу по модернизации ядерной батарейки ведут не только США и Россия, но и другие страны! Исследователи научились наращивать пленку на карбидной подложке. В результате чего подложка подешевела в целых 100 раз. Такая структура устойчива к радиации, а это делает данный энергетический источник безопасным и долговечным. Применяя карбид кремния в ядерные батареи можно добиться ее работы при температуре в 350 градусов Цельсия.

Российские ученые научились обогащать радиоизотоп никель-63 до максимально возможного уровня и создали на его основе миниатюрный источник питания. Энергия этой батарейки на несколько порядков превосходит запас в обычных химических.

Два лица атомной батарейки

Батарейки и аккумуляторы повсюду — в мобильных телефонах, ноутбуках и планшетах, в часах, фонариках, фотоаппаратах, пультах управления, игрушках, зубных щетках и т. д. Потребитель не хочет быть привязанным к розетке, ему нужны легкие гаджеты с длительной автономностью, а обычные элементы питания хоть и совершенствуются, увеличивая емкость и уменьшаясь в размерах, но все равно требуют регулярной подзарядки или замены. И если в часах переставить батарейку секундное дело, то, например, в кардиостимуляторе — хирургическая операция.

Ученые много лет ищут, на чем батарейка могла бы работать если не вечно, то хотя бы несколько десятилетий. Один из вариантов — радиоизотопы. Источники на их основе условно делят на две большие группы: термоэлектрические преобразователи, РИТЭГи, и бета-вольтаические, больше известные как ядерные батарейки.

Источник питания в кардиостимуляторе Medtronic — 238Pu

Принцип работы первых основан на альфа-излучении. Оно нагревает подложку почти до 1,5 тыс. °C, затем тепло преобразуется в электрический ток. РИТЭГи — громоздкие конструкции весом до 2,5 т: помимо самого источника альфа-излучения им требуется радиационная защита.

В ядерной батарейке в электрический ток преобразуется энергия бета-распада. Для этого на излучатель, испускающий электроны, накладывают полупроводник, замыкая электрическую цепь. Первый радиоизотопный источник энергии представил в 1913 году английский физик Генри Мозли. В центре посеребренного изнутри стеклянного шара на изолированном электроде располагался радиевый источник. Электроны, испускаемые при бета-распаде, создавали разность потенциалов между серебряным слоем сферы и электродом и генерировали ток. Однако ток был слабый, эксперимент не пошел дальше лаборатории.

Первые успехи

В 1953 году американец Пол Раппапорт предложил использовать для преобразования энергии бета-распада радиоактивных элементов полупроводниковую структуру. Его схема напоминает сэндвич: слои бета-излучателя, испускающие электроны, чередуются со слоями полупроводника, который их улавливает.

В 1970-е американец Ларри Олсен создал батарейку Betacel на основе прометия-147. Это был первый коммерчески успешный бета-вольтаический источник. Для своего времени он стал революционным продуктом: около кубического дюйма в объеме, мог работать до 10 лет. Betacel использовали для питания кардиостимуляторов, в 1970-е в США устройства с радиоизотопным источником получили более 20 тыс. пациентов.

— Человечество скоро поймет, что запасенную в радиоизотопах колоссальную энергию можно и нужно использовать для решения разнообразных задач. Эта энергия превышает на единицу массы энергию всех имеющихся на сегодня источников питания. В техническом плане потенциально российские атомные батарейки на никеле-63 могут стать лучшими в мире. Единственное, что пока сдерживает массовое производство, — их высокая стоимость. Когда на такие источники энергии появится устойчивый спрос, мы сможем масштабировать производство, и батарейки станут доступнее для широкого потребителя.

Однако позднее исследования показали, что использовать такие батарейки опасно: помимо бета-излучения, которое можно блокировать тонким слоем алюминия, радиоизотоп испускает гамма-излучение, повреждающее ткани и органы. Производители кардиостимуляторов переключились на литиевые батареи, а ученые начали поиски более безопасного кандидата.

В Советском Союзе работа по созданию ядерной батарейки тоже велась. Так, в марте 1975 года советские хирурги имплантировали первый отечественный кардиостимулятор РЭКС-А1 с плутониевым источником питания. Однако плутоний стоил дорого, и использовать новые модели литиевых батарей с длительным сроком службы было выгоднее.

Лучшие в мире

Впрочем, от идеи сделать вечную батарейку наши ученые не отказались и сконцентрировали исследования на другом радиоизотопе — никеле-63, период полураспада которого 100 лет. В 2007 году в НИИАР создали первые макеты ядерной батарейки. Радиоизотоп наработали, облучая стабильный никель-62 в исследовательском высокопоточном реакторе СМ-3.

Советский кардиостимулятор РЭКС-А1

Однако активность изотопа была довольно низкой — 15 Ки/г. Увеличить ее в три-четыре раза можно было, обогатив никель-63 до предельных значений — порядка 80 Ки/г. Для этого в Радиевом институте совместно с ГХК и ЭХЗ разработали и запатентовали уникальную технологию и обогатили никель-63 на центрифугах практически в два раза — до 27 Ки/г. Затем по той же технологии ЭХЗ совместно с ГХК произвел дообогащение, получив самый высокообогащенный никель-63 в мире — 70 Ки/г. В этом году специалисты ЭХЗ планируют добиться максимума — 80 Ки/г. Исходный никель-62 для этого сейчас облучается в реакторе РБМК-1000 на Ленинградской АЭС.

Вторая составляющая ядерной батарейки — полупроводник. На роль приемника электронов рассматривали германий, кремний и его оксид, но у этих материалов слишком низкий КПД. На помощь пришел Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ), специалисты которого начали делать полупроводники высокой энергетической проводимости из искусственных алмазов. Сотрудники ТИСНУМ и МФТИ разработали уникальную технологию синтеза и отщепления тонких, всего 10 мк, алмазных пластин от многоразовых алмазных подложек.

Энергия в миниатюре

Образец российской ядерной батарейки похож на слоеный пирог: 200 алмазных полупроводников чередуются с 200 слоями никеля-63. Размеры образца — 5×5 мм. Это в разы меньше всех аналогов, компактность — один из плюсов российской разработки. Другой — энергоемкость: 300 ватт-часов на грамм. Не сравнить с другими ядерными батарейками и тем более с химическими элементами питания.

В перспективе ядерные батарейки на никеле-63 можно использовать в микроэлектронике и медицине — в кардио- и нейростимуляторах, ушных и глазных имплантатах, биоэлектрических протезах. Миниатюрные источники пригодятся при перевозке грузов, особенно в космосе, где транспортировка каждого килограмма обходится минимум в 20 тыс. долларов.

Читайте также: