Новость, которая никого не оставила равнодушной, а многие научные паблики, да и просто СМИ, растиражировали это как невиданный прорыв, некоторые даже предположили, что такие батарейки вскоре появятся в смартфонах, которые больше никогда не нужно будет разряжать... АГА!
Чтобы полностью понять тему, обязательно прочитайте первую часть материала:
ЧАСТЬ 2.
В начале 2024 года громко о создании прорывной атомной батарейки заявил о себе молодой китайский стартап «Betavolt» 2021 года регистрации.
Узрите: создана самая мощная ядерная батарейка на основе никеля-63 мощностью аж в 100 микроватт (в 100 раз больше, чем российский аналог).
Новость, которая никого не оставила равнодушной, а многие научные паблики, да и просто СМИ, растиражировали это как невиданный прорыв, некоторые даже предположили, что такие батарейки вскоре появятся в смартфонах, которые больше никогда не нужно будет разряжать.
Но в чем подвох? Габариты китайской чудо-батарейки составляют 15 × 15 × 5 миллиметров, при этом каким-то образом они смогли снять с неё 100 микроватт, что в 100 раз больше, чем у российского аналога, продемонстрированного в 2017 году.
100 микроватт — до сих пор недостижимая величина для компактных бета-изотопных источников излучения, мировой лидер в области тритиевых ядерных батареек, американская компания City Labs, уже 6 лет пытается разработать микроваттные устройства.
И это на тритии, удельная активность потока частиц которого в 12,5 раза превосходит активность изотопа никеля-63. Даже с учетом всех поправок на энергетический коэффициент и то, что City Labs добилась только максимум 400 Кюри на грамм (у российского аналога 1000 Кюри на грамм), тритиевый источник выдаст в 2,5-3 раза больше энергии, чем радиоактивный распад изотопа никеля-63 той же массы.
Как тогда никому не известной китайской компании, которой всего 3 года, удалось просто на порядок превзойти самые передовые разработки США и России в вопросе ядерных батареек?
Для того, чтобы детальнее разобраться в этой революции, посетим сайт этой компании и посмотрим на первоисточник.
Да, массогабаритные характеристики и мощность соответствуют ранее заявленным в СМИ.
Но меня сразу смутил посыл, где в самом начале описания говорится, что разработка этой атомной батарейки — «это свидетельство того, что Китай одновременно добился прорывных инноваций в двух высокотехнологичных областях — аккумуляторах для атомной энергии и алмазных полупроводниках четвертого поколения, „намного опередив“ европейские и американские научно-исследовательские институты и предприятия».
После этой фразы сразу понятно, что эта батарейка фейк, но разберемся более подробно.
Производитель указывает, что батарейка состоит из множества слоёв пластин изотопа никеля-63 и алмазного полупроводника.
Что-то уж больно знакомое, алмазные полупроводники для применения в ядерной батарейке с никелем-63 были разработаны ТИСНУМ и МФТИ в 2015–2016 годах, и это как бы российское ноу-хау, о чем я писал в первой части материала: «Атомные батарейки: правда и вымысел».
Так, китайский алмазный полупроводник невероятно похож на российский, более того, указанные характеристики — длина и ширина алмазного полупроводникового преобразователя составляют от 3 до 20 мм, а толщина — 10 мкм.
У российского алмазного проводника, который используется в никелевой ядерной батарейке, размеры — 5×5 мм и толщина 10 мкм.
В разделе о самой батарее есть более подробное описание характеристик пленок никеля-63:
И снова дежавю. Написано, что батарея представляет собой алмазный полупроводниковый преобразователь и пленку никеля-63 толщиной 2 мкм, уложенный слоями. Батарея модульная.
А что там у российской разработки?
Более того, представленная на «Атомэкспо-2017» специалистами НПО «Луч» российская никелевая батарея тоже была модульной: 200 алмазных полупроводников чередуются с 200 слоями никеля-63. Размеры образца — 5×5 мм.
Более того, вот так выглядит российская сборка из 200 слоёв алмазных и 200 никелевых пленок:
А вот сборка компьютерной графики китайкой батарейки:
Думаю, вы уже поняли, это просто компьютерная копия российской технологии, причем до микрона, 1 в 1.
Есть еще один момент, где поясняется, что китайская батарейка будет лучше работать при более чистом никеле-63, так сказать, на перспективу.
Однако, что значит более чистом? В российском выставочном экземпляре чистота никеля-63 была 20%, в последнем, как я писал в первой части, удалось добиться чистоты свыше 80%, что обеспечило теоретический максимум радиоактивности в 80 Кюри на 1 грамм.
Больше в мире никто таких показателей не достиг, и причина тому банальна: только в России существуют мощности по обогащению никеля-62, из которого в реакторах типа РБМК-1000, которые тоже остались только в России, можно относительно быстро и дешево получить необходимое количество никеля-63, которое нужно еще обогатить до 80%. И опять, технология переработки радиоактивных отходов и обогащения радиоактивных изотопов есть в России и Франции.
Но в «Росатоме» в 2020 году подсчитали, что если создать, ну, просто идеальную батарейку на никеле-63, то её мощность будет порядка 50 микроватт, и под это дело был представлен доклад на Международной конференции «ЯДРО — 2020. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Ядерно-физические технологии».
Ну, и самое главное — выводы:
А теперь обратимся к первоисточнику, китайскому, разумеется, который «втирает» буквально следующее:
Перевод: Несколько таких батареек могут использоваться последовательно и параллельно. Компания планирует выпустить аккумулятор мощностью 1 Ватт в 2025 году. Дроны, которые могут летать только в течение 15 минут, смогут летать постоянно… и т. п. и т. д.
Хм, 1 Ватт на изотопе никеля-63? Так, допустим, что китайская чудо-батарейка реально выдаёт 100 микроватт (ну, опередили они всё человечество на 30 лет, допустим). Для мощности в 1 Ватт нужно будет связать 10 тысяч таких батареек либо их компонентов в единую цепь.
1 ватт равен 1 000 000 микроватт.
То есть, даже если разработать специализированный ядерный реактор, который будет заточен только на производство никеля-63, пусть это будет реактор СМ, только оптимизированный, где затраты на получение 100 грамм никеля-63 будут снижены с 2,5 млрд рублей до 200 миллионов. Берем по максимуму.
Так вот, такому реактору для создания необходимого количества никеля-63 придется работать 5–10 лет, плюс еще два года выдержки в бассейне с извлеченным никелем-63 вместе облученным топливом, для того чтобы начать его переработку и большее обогащение.
Но китайский стартап сказал, что уже к 2025 году создаст одноваттную ядерную батарейку на никеле-63, и пофиг, что в мире в ближайшие 10 лет столько никеля-63 в совокупности невозможно произвести.
Ладно, фейк он есть фейк, что только не напридумываешь и какой лапши на уши не навешаешь ради привлечения инвесторов и т. п.
Но фейк занятный, если посмотреть на саму батарейку, то можно увидеть логотип российского «РОСТЕХА» и вот это странное число:
Обычно таким числом обозначается серийный номер, но предположим, что это мощность батареи в ваттах, для простоты счета это будет 0,000000001 ватт или 1 нановатт.
- 1 нановатт на одну слойку из алмазной и никелевой пленки — это уже хоть как-то на реальность может быть похоже, и то это будет очень большая мощность.
Тем не менее, предположим, что мощность составляет 1 нановатт. Такая мощность прекрасно согласуется с площадью подобной сборки, исходя из радиоактивности изотопа никеля-63, который является основным источником энергии.
Но тогда для 100 микроватт нужно 100 тысяч слоёв: 50 тысяч алмазных полупроводников толщиной 10 микрон и 50 тысяч никелевых пленок толщиной 2 микрона, итого этот слоеный пирожок получится высотой в 100 000 мкм (50 000×10 + 50 000×2).
100000 мкм = 100 мм, то есть 10 см, это в 2 раза длиннее, чем пальчиковая батарейка типа «АА». Вот вам и китайский стартап, как он при таких выдумках еще и деньги умудряется получать от инвесторов?
Может быть, там гораздо больше 1 нановатта на слой? Это можно вычислить, исходя из физического предела радиоактивности обогащенного никеля-63.
За базу возьмем известные характеристики реально существующей российской никель-63 батарейки, по которой можно рассчитать минимальные и максимальные теоретические энергетические характеристики китайской компьютерной графики.
Китайцы заявляют, что минимальный размер атомной батарейки составляет 3×3×0,03 мм (она состоит из 2 преобразователей и 1 слоя никеля-63).
- При 20% обогащении никеля-63 такой слой выдаст от 1 до 2,08 нановатта (допустим, они купили у нас этот никель-63).
- При 90% обогащении выход энергии в пересчете на активность в кюри вырастет в 5,6 раза, то есть теоретически до 11,6 нановатта (это в теории при 100% КПД).
Площадь китайского преобразователя 3 мм², российского 5 мм² (реально существующего), то есть конечный результат делим на 1,6 раза.
Итого, при заявленной высоте китайской батарейки 5 миллиметров, в неё поместится 166 таких модуля, и в первом случае (берем по максимуму) энергия будет 166×2,08 / 1,6 = 215,8 нановатта.
Во втором идеальном случае 166×11,6 / 1,6 = 1 203,5 нановатта, или 1,2035 микроватта.
И где тут заявленные 100 микроватт? Их даже в теории быть не может при такой конструкции батарейки.
Думаю я привел исчерпывающие доказательство фейковости этой батарейки.
И еще добавлю, китайская компания не публиковала никакие научные исследования и не показала никакого реального образца батарейки.
Российские ученые, создавая микронные пленки, экспериментируя с никелем-63, публиковали по этой работе научные исследования и первичные результаты, подтверждающие возможность реализации такой системы и впервые в мире такие исследования были опубликованы (внешняя ссылка) в престижном журнале AppliedPhysicsLetters.
Как в такую чушь, как «китайская ядерная батарейка на 100 микроватт», могли поверить научные паблики — это вопрос к их научному редактору, хотя чему я удивляюсь, после вот этого:
Тем не менее, какие вообще существуют реальные технологии атомных батареек класса десяток или даже сотен ватт?
РИТЭГи мы опустим, ибо слишком громоздкие, а вот их дальнейшее совершенствование выглядит многообещающе.
И такая, видимо, появится в обозримом будущем. Сегодня над её созданием работают в НИЯУ «МИФИ».
Это 30-килограммовое устройство является прототипом ядерной батарейки, которая будет работать на изотопе с альфа-распадом, а если конкретнее, на плутонии-238.
Но пытливый читатель заметит: это же обычный РИТЭГ на плутонии-238, технология давно отработана, на нем летают космические зонды и запитываются арктические станции. Штука хоть и мощная, но с малым КПД, габаритная и чрезвычайно дорогая.
Да, это правда. Но, как оказалось, наноструктурированные плёнки, которые применяются в российской никелевой ядерной батарейке, идеально подходят для использования в качестве селективного фотоэмиттера — системы, способной перераспределять спектр излучения в заданном диапазоне.
Грубо говоря, получилась «солнечная панель» для альфа-частиц — положительной заряженной частицы, образованной двумя протонами и двумя нейтронами, то есть ядро атома гелия-4.
Выдержка из исследования, моими словами: «В ходе экспериментов было установлено, что окисление плёнки приводит к образованию оксидной оболочки вокруг металлического ядра нанокластера. Таким образом, при окислении металлической плёнки формируется ансамбль никелевых нанокластеров с оксидной оболочкой. Из-за своих малых размеров (2–15 нанометров) эти нанокластеры проявляют квантовые свойства. В результате ансамбль нанокластеров с оксидной оболочкой превращается в набор полупроводниковых материалов. Это позволяет системе излучать фотоны заданной длины волны при нагреве. Таким образом, можно „настроить“ спектр излучения системы под требуемый диапазон. Это, в свою очередь, значительно повышает энергоэффективность источника энергии».
Проще говоря, если покрыть этими пленками внутреннюю поверхность цилиндра, то альфа-излучение от плутония-238 преобразует радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) в систему, которая будет излучать в инфракрасном диапазоне. Это позволит повысить эффективность работы источников питания, так как часть энергии, которая обычно расходуется на тепло, будет использована как фотовольтаика.
В 2022–2023 году «теория» была экспериментально продемонстрирована учеными НИЯУ МИФИ в рамках опытно-конструкторской работы по договору с ЧУ «Наука и инновации» Госкорпорации «Росатом».
В настоящее время уже создан прототип автономного радиоизотопного источника питания «средней мощности» на основе разработанных полупроводниковых термофотовольтаических материалов.
С ходу КПД преобразования теплового излучения (ближнего инфракрасного диапазона) превысил 15%, что более чем в два раза превосходит КПД самых лучших преобразователей радиоизотопных источников питания, выполненных по технологии радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ).
- В лабораториях получены результаты до 40% КПД, но это, что называется, в стерильных условиях, но тем не менее есть куда стремиться. Чисто теоретически можно добиться и 80% КПД, но давайте вернемся в реальный мир.
Всё это дело обозвали плутониевой батарейкой, которой удалось зажечь лампочку в 5 ватт.
В общем, принцип работы плутониевой батарейки основан на преобразовании энергии ядерного распада в электрическую. Этот процесс называется термофотовольтаическим. Альфа-источник, находящийся в батарейке, окружён вакуумной капсулой. Внешние стенки капсулы покрыты слоем наночастиц. Когда альфа-частицы ионизирующего излучения попадают на стенки капсулы, они нагревают её примерно до 1300 градусов Цельсия. Из-за этого поверхность капсулы начинает светиться.
Этот свет улавливают наноплёнки, окружающие капсулу, и генерируют электрический ток. Они представляют собой фотоэлементы, способные выдерживать экстремальные температуры.
В 2024 году был создан более мощный прототип на 500 Вт, правда, вместо плутония там его имитатор в виде молибденовой нити, разогревающей капсулу, без альфа-излучения.
Ученые НИЯУ МИФИ заявили, что такая технология открывает путь к созданию ядерных батарей киловаттных мощностей.
И это действительно так, когда удастся поднять КПД до 20%, это будет уже революция.
Конечно, плутоний-238 радиоактивен, его полураспад составит 87,7 года, но он чистый альфа-излучатель, а альфа-излучение, такое как у плутония — 5,6 МэВ, экранируется простым листом бумаги.
Даже кожи вполне достаточно, чтобы экранировать это излучение. Не зря плутоний-238 раньше использовали в кардиостимуляторах:
Оперировали и зашивали внутрь пациента, и десятилетиями пациенты жили с плутонием под сердцем.
Разумеется, всегда есть риск разрушения кардиостимулятора и попадания альфа-излучения во внутрь организма, а это уже действительно опасно. Да, и стоил плутоний-238 очень дорого. Как только технология литиевых (не перезаряжаемых) батарей усовершенствовалась до уровня непрерывной работы 15–20 лет, то плутоний-238 был заменен в 10000 раз более дешевыми литиевыми батареями.
Но тем не менее это показывает, что плутониевый источник энергии вполне безопасен и может быть внедрен в повседневную жизнь человечества. Но как именно?
Как насчет электромобиля, где плутониевая батарейка постоянно подзаряжает тяговую литий-ионную батарею. Возможно ли такое и, главное, сколько это будет стоить?
Давайте рассчитаем, томить не буду расчетами, и так статья большая. Так что по-быстрому:
1 грамм плутония-238 генерирует приблизительно 0,567 Вт тепловой мощности, в ядерной батарейке МИФИ при КПД 20% будет генерироваться 0,1134 Вт электрической мощности.
- За час сгенерируется уже 408,24 Ватт*ч электроэнергии, за сутки — это уже будет 9,798 кВт*ч.
В принципе неплохо, такой источник электроэнергии будет заряжать на 10% в сутки 100 КВТ литий-ионную батарею, соответственно, 10 грамм плутония будет полностью за 24 часа заряжать электрокар.
Сегодня цена 1 грамма плутония-238 стоит порядка 350 тысяч рублей, следовательно, подобная ядерная батарейка со всем оборудованием будет стоить порядка 700 тысяч рублей.
Если строить реакторы, целенаправленно производящие изотоп плутония-238, то цена снизится примерно в 3 раза, до 120 тысяч рублей за 1 грамм, да и технологии не стоят на месте, и, скажем, через 25 лет такая ядерная батарейка будет стоить в пределах 200 тысяч рублей по нынешним ценам.
Массогабаритные характеристики ядерной батарейки, в которой 1 грамм и 10 грамм плутония, отличаться практически не будут, следовательно, ядерные батарейки различной мощности можно будет устанавливать штатно в любой электромобиль, предусматривающий эту технологию.
При 40% КПД все характеристики поднимаются в 2 раза, либо плутония нужно будет в 2 раза меньше, что предпочтительнее.
Тогда теоретически 5 грамм плутония-238 (при КПД 40%) будет заряжать 100 КВТ батарею электромобиля на 4,1% в час, то есть при реальном запасе хода с такой батареей в 450 км, благодаря подзарядке, электромобиль проедет уже 540 км, если будет ехать со средней скоростью 90 км/ч. И при полной разрядке ядерный источник за час зарядит батарею на 20 км пути.
Скажем так, в принципе неплохо, но все же овчинка выделки не стоит. Пока стоимость плутония за 1 грамм не опустится до стоимости золота, ядерных батареек в электромобилях не будет.
Тем не менее, в 2014 году была создана план-карта развития глобальных энергетических ядерных технологий, по которой можно судить, какие ядерные источники питания и в какой сфере в скором времени появятся в жизни человечества:
А сегодня совершен довольно неожиданный прорыв в ядерных батарейках. Посмотрим, что будет через 10 лет…
Однако, всё новое — это хорошо забытое старое!
Но не стоит удивляться китайским стартапам выдавать свои копии, часто фейковые, за реальные разработки чужих компаний. Например, на международной авиационной и аэрокосмической выставке в Чжухае, которая проходила в ноябре 2024 года, китайская компания «Да Ханъюэ Цянь», что в переводе означает «Большой скачок в космос», представила изображение своей перспективной многоразовой ракеты-носителя, работающей на метане:
Всё так, они решили просто скопировать разработки SpaceX просто под чистую, даже башню с захватом ракеты манипуляторами, которую Илон Маск называет «Мехазилла», ну, а китайцы — «зажим палочек для еды».
- Правда, даже копировать — это не компьютерную графику рисовать...
Свежие комментарии