Батарейки и аккумуляторы используются повсеместно: в мобильных телефонах и ноутбуках, планшетах и часах, фонариках и фотоаппаратах, пультах управления, игрушках, зубных щётках и так далее. Потребители хотят иметь лёгкие гаджеты с длительным временем автономной работы. Однако обычные элементы питания, несмотря на постоянное совершенствование, увеличение ёмкости и уменьшение размеров, всё равно требуют регулярной подзарядки или замены. Если переставить батарейку в часах —дело несложное, то, например, замена батарейки в кардиостимуляторе уже требует проведения хирургической операции.
Много лет учёные пытаются найти источник питания, который мог бы работать хотя бы несколько десятилетий без перерыва. Один из вариантов — использование радиоизотопов. Источники питания на основе радиоизотопов можно разделить на две большие группы: термоэлектрические преобразователи и бета-вольтаические. Первые больше известны как радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи), а вторые — как те самые ядерные батарейки.
Принцип работы первых основан на альфа-излучении. Оно нагревает подложку почти до 1,5 тысячи °C, затем тепло преобразуется посредством термоэлектрической пары в электрический ток.
В ядерной батарейке энергия бета-распада напрямую через полупроводниковую подложку преобразуется в электрический ток. Для этого на излучатель, который испускает электроны, накладывается полупроводник, что позволяет замкнуть электрическую цепь.
Первый радиоизотопный источник энергии был изобретён и представлен в 1913 году английским физиком Генри Мозли. В центре стеклянного шара, посеребрённого изнутри, на изолированном электроде находился радиевый источник. Электроны, испускаемые радием при бета-распаде, создавали разность потенциалов между серебряным слоем сферы и электродом, генерируя ток. Хотя сила тока была очень маленькой, но измеримой, а эксперимент так и не вышел за пределы лабораторных стен, был наглядно продемонстрирован сам принцип радиоактивного источника питания.
- И да, получается, самой технологии уже более 110 лет.
Если с «РИТЭГами» всё более-менее понятно, и они широко используются в качестве автономного источника питания для космических зондов и арктических станций, а сама технология их производства отработана, то вот с атомной батарейкой, которая использует для преобразования энергии бета-распада радиоактивных элементов полупроводниковую структуру, дело обстоит куда сложнее.
Первыми в этой сфере стали американцы, и это неудивительно. Я уже писал, что после Великой Отечественной Войны, с 1945 по 1970 годы, каждый второй инженер и учёный в мире трудился на благо США. Так, в 1953 году американский учёный Пол Раппапорт предложил использовать полупроводниковую структуру для преобразования энергии бета-распада радиоактивных элементов. Его схема напоминала сэндвич: слои бета-излучателя, испускающего электроны, чередовались со слоями полупроводника, улавливающего эти электроны.
Теоретически каждая полупроводниковая ячейка давала 0,8 микроватта мощности при средней эффективности порядка 0,2% КПД.
В 1970-х годах американский учёный Ларри Олсен создал знаменитую батарейку «Betacel», в основе которой лежал прометий-147. Это был первый коммерчески успешный бета-вольтаический источник энергии. Для своего времени это был революционный продукт: объём батарейки составлял примерно 16 кубических см, а срок службы достигал 10 лет.
«Betacel» использовали для питания кардиостимуляторов. В 1970-х годах в США устройства с изотопным источником получили более 20 тысяч пациентов.
- Период полураспада прометия-147 составляет 2,64 года. Он подвергается бета-распаду, превращаясь в самарий-147. Поскольку при распаде прометия-147 не выделяются гамма-лучи, он считается относительно безопасным.
«Betacel» на практике эффективно работал от 8 до 10 лет.
В кардиостимуляторах, созданных в 1970-х годах, помимо бета-вольтаических элементов питания, использовались компактные источники питания, основанные на альфа-распаде. Эти источники были термоэлектрическими, то есть они использовали тепло, выделяемое при распаде изотопа, для производства электричества.
Обычно при альфа-распаде также происходит гамма-излучение, однако в кардиостимуляторах использовался плутоний-238, который обладал низкой энергией гамма-квантов, что делало применение такого устройства относительно безопасным.
Когда пользователь или пациент умирает, устройство извлекают и отправляют в лабораторию для извлечения плутония.
Правда, позже исследования показали, что использование таких батареек опасно. Помимо бета-излучения, которое можно блокировать тонким слоем алюминия, радиоизотоп испускает гамма-излучение, которое может повредить ткани и органы. В связи с этим производители кардиостимуляторов перешли на литиевые батареи. А учёные начали поиски более безопасного варианта.
- Для понимания, это была не литий-ионная батарея, а литиевый гальванический элемент (неперезаряжаемый), то есть литиевая батарейка.
Пример вам хорошо известен.
Предпринимались попытки создать нетепловые альфа-вольтаические батарейки, в которых энергия альфа-распада напрямую преобразуется в электрический заряд благодаря использованию полупроводников. Однако этот вид батарей не получил широкого распространения, главным образом из-за паразитных эффектов, которые приводили к снижению электрической мощности батареи всего за несколько часов.
В Советском Союзе тоже активно работали над созданием ядерной батарейки. Так, в марте 1975 года советские хирурги имплантировали первый отечественный кардиостимулятор "РЭКС-А1", который работал от плутониевого источника питания. Однако плутоний был дорогим материалом, поэтому использовать новые модели литиевых батареек с более длительным сроком службы было выгоднее.
Но учёные не оставляли идею создания безопасного ядерного источника питания и сосредоточились на изучении различных радиоактивных изотопов, из которых по итогу самыми перспективными стали никель-63 и тритий.
Первый вариант — никель-63 — обладает периодом полураспада около 100лет. Батарейки на основе 63-го изотопа никеля могут работать непрерывно без потери мощности 50 лет, и подходят для долгосрочного питания систем, не требующих больших затрат энергии. Однако никель-63 не встречается в природе. Его получают путём бомбардировки нейтронами природного изотопа никеля-62.
Однако в обычном никеле содержится лишь 3,6% никеля-62, поэтому требуется процесс обогащения до 99,5%, а это дополнительные затраты.
Оказалось, что больше никто в мире не смог наладить промышленное обогащение природного никеля-62 до концентраций более 90%, потому что это сложная и дорогостоящая процедура.
Второй вариант — использовать тритий, тяжёлый изотоп водорода с периодом полураспада 12,32года.
- Этот радиоактивный изотоп относительно дёшев и доступен.
Поскольку энергия бета-частиц у него низкая, вероятность радиационных повреждений структуры батарейки минимальна, как и радиационная опасность конечного потребителя. В компактных батарейках этот изотоп удобно использовать в составе твёрдых соединений, например, тритида титана.
Серийное производство (около 1000-1500 штук в год) тритиевых батареек началось в 2011году американской компанией "City Labs".
Первое поколение тритиевых батарей "NanoTritium" (батарейка EOL20KY15, предназначенная для поверхностного монтажа на печатную плату) выдавало напряжение 3 вольта и ток 16 наноампер, плавно снижающийся к концу срока службы до 5 наноампер. Мощность — 48 нановатт. В серию данный элемент питания не пошёл.
По мнению экспертов компании "Lockheed Martin", эта батарейка может долгое время работать при температуре от -50°C и до +150 °C.
Следующее поколение — NanoTritium-Р100, уже серийное, имело максимальную мощность уже 75 нановатт, а дальнейшее совершенствование батарейки позволило нарастить мощность в пике до 280 нановатт.
Последняя разработка 2018года — "NanoTritium-Р200" — имеет диапазон напряжения от 0,8до 2,4 вольт, силу тока от 52 до 156 микроампер, и максимальную мощностью 125 микроватт.
Сила тока в 156 микроампер соответствует напряжению в 0,8 вольт, а при напряжении в 2,4 вольта сила тока будет не более 52 микроампер.
Однако прошло уже 6 лет, а "NanoTritium-Р200" до сих пор находятся в разработке. Поднять мощность с нановатт до микроватт оказалось трудной задачей даже при использовании трития.
В 2020 году учёными в ВНИИНМ был создан бета-вольтаический источник питания на основе трития, аналог «NanoTritium-Р100», с аналогичной сферой применения: самолёто- и ракетостроение, космос, подпитка маломощных электросистем, микроэлектромеханических схем, датчиков, измерительных приборов и т. д.
Характеристики мощности и цена оказались сопоставимы при соответствующих размерах: диаметр изделия 30 миллиметров, высота - 15 миллиметров, мощность - 200 нановатт, срок службы - 15 лет, цена 360 000 рублей.
Цена «NanoTritium-Р100» на рынке США стартует от 5250 долларов (от 460 тысяч рублей при оптовой закупке).
Кстати, не удивляйтесь, что у российского аналога срок службы всего 15лет, а американцы на свои «NanoTritium-Р100» дают более 20лет. Это всего лишь маркетинговый приём, и они это честно признают, приводя в своей таблице данные по убыванию мощности в зависимости от времени использования.
Стандарты «Росатома» более жёсткие, поэтому срок службы ядерной батарейки заканчивается при 50%-ном падении мощности, то есть по стандартам «Росатома» срок службы «NanoTritium-Р100» составляет 12-14 лет.
Но наше устройство уступает зарубежному по КПД преобразования, главным образом из-за принципиального использования только российских комплектующих. Увы, но полупроводниковых преобразователей такого качества, как в США, на отечественном рынке нет, и китайцы тоже не помогут, потому что у них этого тоже нет.
Лучший результат в России получили с полупроводником на основе искусственного алмаза. Пока его КПД — чуть больше 2%, но в перспективе его можно повысить до 3-5%.
У американской компании "CityLabs" этот показатель составляет невероятные 7,5% (используя полупроводники на основе фосфида галлия-индия), но зато в российской батарейке добились лучших, чем у американцев, мощности источника бета-излучения: мощность американских 0,3−0,4 мкВт на 1см²; мощность источников, произведённых во ВНИИНМe, — около 1 мкВт на 1 см².
- То есть КПД преобразования ниже в 3,75раза, но мощность выше в 2,85 раза. Если взять американские полупроводники и поставить российские тритиевые источники, то конечная мощность батареек могла бы быть в два-три раза выше.
Однако есть и недостатки: энергия распада трития чрезвычайно мала — 5,5 кэВ, да и эффективность тритиевого источника бета-излучения падает на 10% менее чем через два года, в то время как источник на основе никеля-63 потеряет 10% эффективности только через 15 лет.
- Период полураспада трития в 8 раз короче, чем у никеля-63. Излучаемые никелем-63 бета-частицы обладают энергией в 3,5раза выше, чем у трития, хотя удельная активность трития — 1 тысяча кюри на 1 грамм, а у никеля — 80, то есть потоки бета-частиц у трития и никеля различаются кардинально.
Процесс получения чистого никеля-63 является сложным и дорогостоящим, поэтому и цены 1грамма трития и 1 грамма никеля-63 различаются на порядок.
Процессы с использованием трития уже хорошо изучены и отработаны. А вот получение никеля-63 в требуемой концентрации ещё 10 лет назад казалось чем-то фантастическим.
Однако в техническом плане потенциально атомные батарейки на никеле-63 могут стать лучшими в мире. Но как их сделать?
В 2007 году в научно-исследовательском институте атомных реакторов (НИИАР) создали первые в мире работающие прототипы ядерной батарейки на основе никеля-63. Для этого в исследовательском высокопоточном реакторе СМ-3 получили радиоактивный материал путём облучения стабильного никеля-62.
Разумеется, не обошлось без нюансов. Так как содержание изотопа никеля-62 в природном никеле небольшое, его нужно обогащать. Обогащённый до 80% никель-62 поместили в реактор СМ-3, где и получили изотоп никеля-63. Правда, это была смесь изотопов 62 и 63никеля, и её в дальнейшем и применили в прототипе батареек.
- Однако активность изотопа была довольно низкой — 15 Ки/г. Увеличить её в три-четыре раза можно было, обогатив никель-63 до предельных значений — порядка 80 Ки/г.
В 2016 году исследователи из Бристольского университета (Великобритания) заявили, что сконструировали один из этих источников питания на никеле-63. Правда, впоследствии оказалось, что это не батарея как таковая, а лишь зачатки экспериментов, которые должны были подтвердиться на исследовательском ядерном реакторе в Японии. Судя по тому, что прошло уже 8 лет, а никакой новой положительной информации нет, то, видимо, ничего не подтвердилось…
- Ну, «Британские учёные», чего ещё вы хотите?
В России в 2016 году был создан полноценный рабочий прототип, который был показан на «Атомэкспо-2017» специалистами НПО «Луч», но его мощность получилась незначительной из-за низкого 20%обогащения никеля-63. Но тогда это был мировой предел по обогащению.
Образец российской ядерной батарейки похож на слоеный пирог: 200 алмазных полупроводников чередуются с 200 слоями никеля-63. Размеры образца — 5×5 мм и 4×4мм.
Была разработана и запатентована технология создания плёнок никеля-63 толщиной всего 2микрона. А сотрудники ТИСНУМ и МФТИ разработали уникальную технологию синтеза и отщепления тонких, всего 10 микрон, алмазных пластин от многоразовых алмазных подложек.
В 2018 году для этого в Радиевом институте совместно с ГХК и ЭХЗ разработали и запатентовали уникальную технологию по обогащению никеля-63 на центрифугах до 27Ки/г. Затем по той же технологии ЭХЗ совместно с ГХК провёл дообогащение, получив самый высокообогащённый никель-63 в мире — 69%, или 70 Ки/г.
В 2020 году специалисты ЭХЗ добились практического максимума по обогащению — более 80%, или 80 Ки/г. Исходный никель-62 для этого облучался в реакторе РБМК-1000 на Ленинградской АЭС.
Удельная мощность одного грамма обогащённого до 80% никеля-63 уже сможет обеспечить необходимые характеристики батарейки по току и сроку службы, например, в кардиостимуляторе.
1 микроватта будет достаточно для использования батарейки в кардио- или нейростимуляторе. 1 микроватт = 1000 нановатт. Полезная энергоёмкость при этом составит около 3300 милливатт-часов на 1 грамм (3300 Ватт-час на 1 кг), что в десять раз больше, чем в химических батарейках.
В 2023 году учёные НИЯУ МИФИ разработали новые нанокластерные плёнки никеля для создания эффективного преобразователя энергии бета-распада в электричество на основе ранее проведённых исследований, которые были опубликованы (внешняя ссылка) в престижном журнале "Applied Physics Letters" в 2018 году.
В результате эффективная площадь преобразования бета-излучения в электрическую энергию (на основе изотопа никеля-63) по сравнению с аналогами увеличилась в 14 раз.
В начале 2024года о создании прорывной атомной батарейки громко заявил молодой китайский стартап «Betavolt» 2021 года регистрации. Узрите: создана самая мощная ядерная батарейка на основе никеля-63 мощностью аж в 100микроватт (в 100 раз больше, чем российский аналог).
Вот это да! Вот это прорыв!
Вот только при более пристальном рассмотрении этот прорыв оказался украденной в России технологией, которую китайцы попытались выдать за свои гипермегаразработки. Удивительно, что наши научные сообщества, да и не только наши, но и зарубежные тоже, просто слепо поверили в басни молодой китайской компании.
Свежие комментарии