Мощность ядерной батарейки увеличена на порядок. Ядерные источники питания

Наконец на нашей аккумуляторной поляне засветился Росатом, показав на форуме «Атомэкспо-2017» ядерную батарейку со сроком службы не менее 50 лет. Пользуясь этим знаменательным поводом, рассмотрим перспективы использования мирного атома для мобильных устройств.

Атомный (ядерный) аккумулятор - это все-таки батарейка, а не аккумулятор, так как - это по определению одноразовый источник электрического тока, без возможности перезаряда. Несмотря на это, воображение публики активно будоражит перспектива использования атомных аккумуляторов в мобильных устройствах. Но обо всем по порядку.

Что именно представил Росатом на форуме? Генеральный директор ФГУП «НИИ НПО Луч», Павел Зайцев заявил, что представленный источник, работающий на изотопе Ni63, способен в течение 50 лет выдавать 1mkW с напряжением 2V. Павел Зайцев вполне откровенно говорит про скромные вольт-амперные характеристики, делая основной упор на длительный срок службы. Наверно, исключительно из личной скромности, Генеральный директор ФГУП «НИИ НПО Луч» указал в технических характеристиках только мощность, а не общепринятую ёмкость. Но мы не будем придавать этому большое значение и просто рассчитаем ёмкость:

C = 0,000001W * 50 лет * 365 дней * 24 часа / 2V = 219mA

Получается, что ёмкость ядерной батарейки, размером с небольшой универсальный аккумулятор , всего лишь как у литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора для блютуз наушников! Павел Зайцев предполагает использование своей ядерной батарейки в кардиологии, что вызывает большие сомнения при столь огромных размерах. Возможно эта ядерная батарея может рассматриваться как некий прототип получения электричества из изотопов, но Росатому потребуется уменьшить батарею в тысячи раз, чтобы соответствовать современным электрокардиостимуляторам.

Совсем не порадовала стоимость ядерного аккумулятора - директор государственного унитарного предприятия объявил цену изотопа никеля в долларах (!) 4000USD/грамм. Означает ли это, что основной компонент будет приобретаться за границей России? А сколько грамм необходимо на изготовление одного аккумулятора? Одновременно с этим было замечено, что потребуются также алмазные элементы (также не ясно сколько?), но стоимость которых (уже в рублях) колеблется от 10 000 до 100 000 рублей за штуку. Какова же будет полная стоимость такой батарейки? Электрокардиостимуляторы в России устанавливаются по полису ОМС бесплатно в экстренных случаях или при наличии квоты. При недостаточности квоты и за электрокардиостимуляторы иностранного производства больным приходится оплачивать самостоятельно. Будут ли ядерные батареи устанавливаться за счет бюджета ОМС или пожилые люди должны будут приобретать их отдельно? Если бы руководство Росатома впомнило, что российские пенсионеры живут в режиме "день простоять и ночь продержаться", то, наверно, осознало бы тот нелепый диссонанс между космическим сроком службы и стоимостью. Это наталкивает на мысль, что уважаемый Павел Зайцев активно осваивает средства, выделенные на НИОКР, ничуть не задумываясь о конечных пользователях. Аналогичную оценку "изобретения" Росатома дают пользователи социальных сетей:

Едва ли ее где-нибудь получится использовать. Я более чем уверен, что бюджет как всегда освоили, часть его потратили на презентацию, а само изделие никто никогда не увидит:)

Заявленный срок службы (50 лет), как мы догадались - это как раз половина периода полураспада Ni 63 (100лет). Такую же логику используют ученые Бристольского университета в концептуальном ролике. В отличие от батарейки Росатома, бристольская атомная батарейка использует изотоп C 14 и может работать 5730 лет! В Бристольском университете правда забыли поделить на 2, но и 2865 лет слишком много для кардиостимулятора. Уникальность бристольской концепции заключается в том, что проблема ядерных отходов решается путем переработки их в ядерные батарейки .

Если внимательно прослушать и перевести текст этого ролика, то открывается гораздо больше интересной информации. Сначала подробно рассказывается о происхождении изотопа С 14

С 1940 Англия сделала много ядерных реакторов научного, военного и гражданского назначения. Все эти реакторы используют уран как топливо, а внутри реактор сделан из графитовых блоков. Эти графитовые блоки используются в процессе ядерного расщепления, позволяя контролировать цепную реакцию, которая даёт постоянный источник тепла. Это тепло потом используется, чтобы превратить воду в пар, которое потом крутит турбины, чтобы сделать электричество. Ядерные электростанции производят ядерные отходы, которые необходимо безопасно утилизировать. Надо просто подождать, чтобы эти отходы перестали быть радиоактивными. К сожалению, это занимает тысячи и миллионы лет. Это также требует очень много денег, чтобы контролировать безопасность в течение этих многих лет. Так как мы используем графитовые реакторы, Англия создала 95000 тон графитовых блоков содержащих радиацию. Этот графит только один из форм углерода, простой и стабильный элемент, но если положить эти блоки в высоко радиоактивное место, то тогда часть углерода превращается в углерод 14 . Углерод 14 может превратиться обратно в обычный углерод 12 когда её дополнительная энергия уйдет. Но это очень долгий процесс потому что период полураспада углерода 14 составляет 5730 лет.

Недавно ученные из университета Bristol"s Cabot Institute продемонстрировали, что углерод 14 концентрируется в блоках радиацией снаружи. Это значит, что возможно убрать большинство радиации нагревая их - большинство радиации выходит как газ, который потом может быть собран. Оставшиеся графитовые блоки все-равно радиоактивны, но не так сильно, это значит, что утилизировать их будет проще и дешевле. Радиоактивный углерод 14 в форме газа, может быт переделан при низких давлениях и высоких температурах в алмаз - это еще одна форма углерода. Искусственные алмазы, сделанные из радиоактивного углерода, излучают поток бета-излучения, которое может создать электрический ток. Это дает нам ядерную энергию алмазной батареи. Чтобы она была безопасной для нашего использования она покрывается слоем не радиоактивного алмаза, который полностью поглощает всю радиацию и превращает её в электричество почти на 100%. Там нет движущейся частей, ее не надо обслуживать, алмаз просто производит электричество. Так как алмаз самое твердое вещество на свете, то ни какое другое вещество не может дать такую защиту для радиоактивного углерода 14 . Поэтому снаружи можно обнаружить очень маленькое количество радиации. Но это почти то же самое количество радиации, сколько выделяет банан, так что оно совсем безопасно. Как мы уже сказали только половина углерода 14 распадается через каждый 5730 лет, это значит что наша батарея-бриллиант имеет удивительное время жизни - она разрядится на 50% только в 7746 году. Эти бриллиантовые батареи будут лучше всего использованы там, где нельзя менять обычные батарей. Например в спутниках для космических исследований или для имплантированных устройств, таких как кардиостимуляторы.

Мы просим всех отправлять свои предложения на #diamondbattery. Разработка этой новой технологии решила бы много проблем, например: ядерного мусора, чистого электричества и увеличения срока службы батарей. Это перенесет нас в "бриллиантовый век" производства энергии.

Очень красивая концепция ученых из Бристоля 2016 года и очень скромная коробочка Росатома возможно (?) когда-нибудь будут доработаны до алмазных электростанций, но никак не ядерных батареек для мобильных устройств. Сложно будет уговорить людей ходить с Фукусимой в кармане, даже если за это начнут доплачивать.

Использование атома в мирных целях - это один из спорных вопросов современности, если учесть, что энергетика - это наиболее монополизированная отрасль экономики, когда в цене KW электроэнергии более 90% составляют налоги и сборы. Эффективность мирного атома вызывают сомнения, так как в цену условно дешевой атомной энергии не включается стоимость техногенных последствий. Поэтому некоторые страны, в том числе Германия и Япония приняли решение полностью отказаться от использования атома в энергетике. Ведь развивая возобновляемые источники энергии, можно не только полностью отказаться от атомной энергии, но и создать высокотехнологическую отрасль с миллионами высококвалифицированных рабочих мест.

Подводя итог, мы, скорее всего, имеем очередную технодурилку типа "Супераккумулятор ", а не прорывное "изобретение" бриллиантового века. Другими словами, применять мирный атом в микроэнергетике - это что свинью брить - визгу много, а шерсти мало!

Еще в 50-е годы прошлого столетия, бетавольтика – технология извлечения энергии бета-излучения – рассматривалась учеными как основа для создания в будущем новых источников питания. Сегодня же есть реальные основания уверенно утверждать, что использование контролируемых ядерных реакций по своей природе является безопасным. Десятки ядерных технологий уже используются людьми в повседневной жизни, примером могут служить радиоизотопные детекторы дыма.

И вот, в марте 2014 года, ученые Чже Квон и Бек Ким, работающие в университете Миссури, Колумбия, США, воспроизвели первый в мире рабочий прототип компактного источника питания на основе стронция-90 и воды. В данном случае роль воды - энергетический буфер, что будет пояснено ниже.

Ядерная батарейка будет работать годами без обслуживания, и сможет производить электрический ток за счет процесса разложения молекул воды при их взаимодействии с бета-частицами и прочими продуктами распада радиоактивного стронция-90.

Мощности такой батарейки должно целиком хватить для питания электромобилей и даже космических аппаратов. Секрет нового продукта в объединении бетавольтаики и достаточно нового физического веяния - плазмонных резонаторов.

Плазмоны активно используются в последние несколько лет при разработке специфических оптических устройств, в числе которых сверхэффективные солнечные батареи, совершенно плоские линзы и специальная краска для печати с разрешением, во много раз превосходящим чувствительность наших глаз. Плазмонные резонаторы – это особые структуры, способные как поглощать, так и испускать энергию в виде световых волн и в виде других форм электромагнитного излучения.

Сегодня уже существуют радиоизотопные источники питания, которые преобразуют энергию распада атомов в электрическую, но это происходит не напрямую, а через цепочку промежуточных физических взаимодействий.

Вначале таблетки радиоактивных веществ нагревают корпус контейнера, в котором расположены, затем уже это тепло преобразуется в электричество посредством термопар.

На каждом этапе преобразования теряется огромное количество энергии, от этого КПД таких радиоизотопных батареек не превышает 7%. Бетавольтика же долгое время не использовалась на практике из-за весьма быстрого разрушения частей батареек от радиации.

В конце концов, ученые нашли способ, как напрямую преобразовывать энергию, высвобождаемую вместе с продуктами распада нестабильных атомов. Выяснилось, что бета-частицы (электроны, скорость которых при распаде атома достаточно высока) способны разлагать молекулы воды на водород, гидроксил-радикал и прочие ионы.

Исследования показали, что эти, полученные в результате разложения, части молекул воды, можно использовать для прямого извлечения энергии, поглощенной ими в результате столкновения с бета-частицами.

Для того, чтобы водная ядерная батарейка заработала, необходима особая структура из сотен микроскопических столбиков оксида титана, покрытых пленкой из платины, похожая по форме на расческу. В ее зубьях и на поверхности платиновой оболочки расположено множество микро пор, через которые названные продукты распада воды смогут проникать внутрь устройства. Так в процессе работы батарейки в «расческе» протекает ряд химических реакций - происходит разложение и формирование молекул воды, при этом возникают и захватываются свободные электроны.

Выделяемая во время всех названных реакций энергия, поглощается «иголками» и преобразуется в электричество. Благодаря возникающим на поверхности столбиков плазмонам, обладающим особыми физическими свойствами, такая водно-ядерная батарейка достигает максимального КПД, который может составить 54%, а это почти десятикратно превосходит классические радиоизотопные источники тока.

Используемый здесь ионный раствор очень сложно заморозить даже при достаточно низких температурах окружающей среды, что позволяет применять батареи, изготовленные по новой технологии, для питания электромобилей, а при правильной упаковке, - и в космических летательных аппаратах для различных целей.

Период полураспада радиоактивного стронция-90 составляет примерно 28 лет, поэтому ядерная батарейка Квона и Кима сможет проработать без существенной потери в мощности в течение нескольких десятилетий, причем снижение мощности составит всего 2% за год. Такие параметры, считают ученые, открывают ясную перспективу для повсеместного распространения электромобилей.

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию частиц, испускаемых изотопами, в электрический ток, и может быть использовано в качестве элемента питания в различных электронных устройствах, потребляющих небольшой ток, но вынужденных работать без замены источников питания в течение десятка лет. Сущность изобретения заключается в том, что ядерная батарейка содержит корпус, наполненный материалом изотопа, куда помещен, по крайней мере, один полупроводниковый детектор, у которого в объеме созданы колодцы, причем все размеры колодцев меньше длины свободного пробега частиц, испускаемых газообразным изотопом, при этом детектор выполнен в виде чередующихся слоев n + , i (либо ν, либо π) и p + -типов проводимостей в такой последовательности n + -i-p + -i-…-n + -i-p + , причем эти слои лежат в плоскостях, перпендикулярных стенкам колодцев; к слоям n+-типа созданы омические контакты, электрически соединенные между собой, такие же контакты созданы и к слоям p + -типа, которые тоже соединены. Технический результат - упрощение технологии изготовления полупроводникового детектора, преобразующего энергию бета-частиц в электрический ток. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию частиц, испускаемых изотопами, в электрический ток, и может быть использовано в качестве элемента питания в различных электронных устройствах, потребляющих небольшой ток, но вынужденных работать без замены источников питания в течение десятка лет, например в кардиостимуляторах, или в глубоководных датчиках, или в приборах, запущенных в космос, либо в приборах, установленных в труднодоступных местах.

Известны ядерные батарейки, принцип действия которых основан на конверсии энергии частиц, возникающих при радиоактивном распаде изотопов, в электрический ток при прохождении через полупроводниковый детектор, работающий в бета- или фотовольтаическом режиме. Известные батарейки используют газообразные, жидкие и твердотельные изотопы, испускающие альфа-, бета-частицы, а также гаммакванты .

Известно устройство , которое содержит корпус, в котором помещен полупроводниковый детектор из аморфного кремния, представляющий p-i-n-структуру, а внутренность корпуса наполнена тритием (3 H), который испускает электроны. Время полураспада трития примерно 12 лет. В рабочем режиме каждая бета-частица, достигшая поверхности детектора, влетает в детектор и создает в нем более одной тысячи электронно-дырочных пар. Возникшие дырки и электроны разделяются внутренним полем p-i-n-структуры, что приводит к формированию напряжения на контактах детектора и появлению электрического тока при подключении нагрузки. Недостатком такой батарейки являются малые значения тока, пропорциональные площади только одной поверхности плоского детектора.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является батарейка на изотопах, предложенная в американском патенте (Patent US 6774531) . В прототипе существенно увеличена эффективность детектора за счет специальной конструкции 3D-кремниевого детектора.

Известная батарейка содержит корпус, наполненный газообразным тритием, куда помещен бетавольтаический детектор из кремния n-типа. В объеме детектора созданы колодцы для трития, на стенках которых сформирован слой p + -типа проводимости, причем все размеры колодцев не превышают длину свободного пробега электронов в тритии.

Недостатком известного устройства является то, что реализация детектора, содержащего в объеме полупроводника глубокие колодцы, на стенках которых сформирован p-n-переход, является очень сложной технической задачей, решенной пока только для кремния. Для других полупроводников, имеющих более высокую плотность, чем у кремния, известная конструкция детектора вообще малоэффективна. Действительно, при средней энергии электронов Е=6 кэВ, испускаемых тритием, электрон сможет проникнуть в детектор только на глубину 0.1-0.2 мкм, а при наличии слоя p-типа на стенках колодцев значительная часть заряда, порожденная электронами, рекомбинирует в нем, не достигнув p-n-перехода.

Технический результат, на который направлено заявляемое решение, состоит в устранении указанных недостатков.

Этот результат достигается тем, что ядерная батарейка на радиоактивных изотопах, содержащая корпус, наполненный материалом изотопа, куда помещен, по крайней мере, один полупроводниковый детектор, у которого в объеме созданы колодцы, причем все размеры колодцев меньше длины свободного пробега частиц, испускаемых газообразным изотопом, отличается тем, что в объеме детектора созданы чередующиеся слои n + , i (либо ν, либо π) и p + -типов проводимостей в такой последовательности: n + -i-p + -i-…-n + -i-р + , причем эти слои лежат в плоскостях, перпендикулярных стенкам колодцев, к слоям n+-типа созданы омические контакты, электрически соединенные между собой, такие же контакты созданы и к слоям p + -типа и тоже соединены.

В предлагаемом устройстве конструкция детектора исключает необходимость формирования на стенках колодцев p-n-переходов. Поэтому детектор может быть изготовлен не только из кремния, но и из других полупроводников, например из арсенида галлия.

На фиг.1 схематично представлено сечение одной из возможных конструкций предлагаемой батарейки. Батарейка содержит корпус 1 с электродами 2 и 3. Корпус наполнен материалом радиоактивного изотопа 4. В корпус помещены два детектора 5 и 6 из арсенида галлия. Детекторы выполнены из эпитаксиального материала, содержащего последовательность слоев n + 7, i 8, p + 9, высоколегированным слоям n + 7, p + 9 созданы омические контакты соответственно 10 и 11, соединенные проволочками с электродами 2 и 3 корпуса. Перпендикулярно плоскостям, в которых выращены слои n + , i, p + в объеме детектора сформированы колодцы 12.

Пример практического исполнения. В герметичный металлический корпус 1, имеющий электроды 2 и 3, электрически развязанные с корпусом за счет диэлектрических вставок, были установлены два идентичных детектора 5 и 6. При этом внутренность корпуса была заполнена радиоактивным тритием, испускающим бета-частицы. Детекторы изготавливались из арсенида галлия, выращенного с помощью газофазовой эпитаксии. На проводящей подложке n + -типа последовательно были выращены слои: n + -слой 7 толщиной 10 мкм, i-слой 8, компенсированный хромом в процессе эпитаксии, толщиной 30 мкм, p + -слой 9 толщиной 10 мкм, затем i-слой 8 толщиной 30 мкм, n + -слой 7 толщиной 10 мкм и затем снова i-слой 8 толщиной 30 мкм, p + -слой 9 толщиной 10 мкм. С использованием стандартных методов фотолитографии, химического травления и вакуумного напыления формировались омические контакты 10 и 11 к высоколегированным слоям. С использованием реактивно-ионного травления и кратковременного химического травления в детекторах формировались колодцы 12 с диаметром верхнего отверстия 80 мкм и шагом 100 мкм. В результате была получена ядерная батарейка новой конструкции.

В рабочем режиме при размерах детекторов 5×5 см 2 общий объем колодцев, заполненных тритием, составляет 0.25 см 3 . При этом радиоактивность указанного объема с тритием равна 10 10 Бк. Поскольку 70% электронов, испущенных в результате радиоактивного распада трития, попадают в активные области детектора т.е. в полуизолирующие области 8 (часть попадает в высоколегированные слои) и каждый электрон порождает примерно 1700 электронно-дырочных пар, то максимальная величина тока от данной батарейки составит 2.5 мкА.

Таким образом, предложена ядерная батарейка с новой конструкцией бетавольтаического детектора. Реализация детектора не требует создания p-n-переходов на стенках колодцев, сформированных в объеме детектора, поэтому для создания полупроводникового детектора можно использовать не только кремниевые структуры.

Источники информации

1. Kherani N.P., Shmayda W.T., Zukotynski S. /Nuclear batteries/ Patent US 5606213, 1997.

2. Chu F.Y., Mannik L., Peralta S.B., Ruda H.E. /Radioisotope-powered semiconductor battery/ Patent US 5859484, 1999.

3. Gadeken L. /Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of radioactive material/ Patent US 6774531, 2004.

Ядерная батарейка, содержащая корпус, наполненный материалом изотопа, куда помещен, по крайней мере, один полупроводниковый детектор, у которого в объеме созданы колодцы, причем все размеры колодцев меньше длины свободного пробега частиц, испускаемых газообразным изотопом, отличающаяся тем, что детектор выполнен в виде чередующихся слоев n + , i (либо ν либо π) и p + -типов проводимостей в такой последовательности n + -i-p + -i-…-n + -i-p + , причем эти слои лежат в плоскостях, перпендикулярных стенкам колодцев; к слоям n + -типа, созданы омические контакты, электрически соединенные между собой, такие же контакты созданы и к слоям p + -типа, которые тоже соединены.

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству плазменного осаждения из паровой фазы для получения кремниевых тонкопленочных модулей солнечного элемента, к способу получения тонкопленочных модулей и к кремниевым тонкопленочным фотогальваническим панелям.

Изобретение относится к применению пластикового композита, содержащего материал-носитель, выбранный из группы полиэтилентерефталата (PET), полиэтиленнафтената (PEN) или сополимера этилена с тетрафторэтиленом (ETFE), а также слои полиамида-12, граничащие с материалом-носителем по обеим сторонам, для получения фотоэлектрических модулей.

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФП) солнечного излучения в электрический ток и может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов.

Тема сегодняшней статьи - радиоизотопные термоэлектрические генераторы , или проще - ядерные батарейки. Те самые штуковины, которые используют на севере в необслуживаемых навигационных маяках, в космических зондах и даже в искусственных сердцах! Вещь распространенная, однако слухов и страхов вокруг нее больше, чем фактов. Рассмотрим подробней, что же на самом деле представляет из себя такая «батарейка» со сроком службы в 10-20 лет.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ, РИТЕГ, англ. - radioisotope thermoelectric generator, RTG) является ядерным электрическим генератором, который конвертирует энергию радиоактивного распада в электрическую энергию. Правда, не на прямую, а опосредованно - сначала энергия распада преобразуется в тепловую, а та, в свою очередь, преобразуется в электрическую при помощи так называемых термопар. Остановимся на этом процессе детальней.

Начнем с термопар . Они представляют из себя соединение двух (как правило - металлических) проводников, разница в температуре которых генерирует слабый электрический ток. Это явление называется эффектом Зеебека . Наиболее распространенная и простая для представления термопара - соединение медного и алюминиевого проводов. Если один конец соединения такой пары нагреть, а другой наоборот - охладить, на холодном проводнике начнут скапливаться электроны, что и приведет к возникновению электрического тока. Чем выше разница в температуре проводников в месте соединения, площадь соединения и толщина самих проводников, тем лучше.

Понятно, что большие сплавы проводников сложно нагревать и охлаждать, они тяжелы и требуют много места, поэтому термопары в электрогенераторах, основанных на этом принципе, выполняют в виде последовательностей большого количества небольших соединений. Такие блоки термопар соединяют между собой для получения необходимых силы тока и напряжения. Хорошим показателем для одной термопары является напряжение порядка 40 микровольт на 1 кельвин температурной разницы.

Из этой мизерной величины, думаю, становится понятно, что КПД такого термоэлектрического генератора будет очень низок. Даже с применением современных дорогих полупроводников в качестве основы термопар на практике он не превышает 3-7% от затраченной тепловой энергии. Поэтому, говорить о какой-то феноменальной мощности РТГ не приходится.

Вернемся к нашим ядерным «батарейкам». Описанные последовательности термопар нагреваются в таком генераторе при помощи тепла, образующегося при распаде радиоактивного материала. Как известно, радиоактивный распад сопровождается выделением тепла. Чем быстрее радиоактивный материал распадается, тем больше при этом выделится тепла. Таким образом, в РТГ радиоактивное топливо, распадаясь, образует радиоактивное излучение, которое конвертируется в тепло. Тепло, в свою очередь, конвертируется в электроэнергию.

Конструктивно это реализовано так: термопары в самом генераторе обращены горячей стороной (проводником, имеющим положительный заряд) вовнутрь, а холодной стороной (проводником, имеющим отрицательный заряд) к оболочке генератора и соединены с радиатором теплоотвода, чтобы обеспечивать максимальную разницу температуры. Все особенности устройства того или иного типа радиоизотопного термоэлектрогенератора сводятся к тому, чтобы увеличить долговечность и повысить КПД устройства.

Отсюда следуют требования к «топливу», тому самому радиоактивному материалу, который будет распадаться и обеспечивать нас «теплом»:

Плутоний 238, раскаленный собственным распадом

1. Период полураспада должен одновременно быть длительным, чтобы обеспечивать батарею теплом, но в то же время таким, чтобы при распад шел достаточно интенсивно и сопровождался выделением большого количества радиоактивного излучения. Здесь приходится выбирать между мощностью батареи и ее «сроком службы». Чем короче период полураспада, тем радиоактивней вещество и выше тепловая энергия, выделяемая при распаде, тем выше «мощность» батареи. И наоборот, чем менее радиоактивно вещество (дольше период полураспада), тем меньше мы получим тепла и тем слабее будет наша батарея, но прослужит дольше. Как правило, выбирают изотопы с периодом полураспада в 80-90 лет со сроком службы в 10-50 лет, однако специализированные мощные батареи могут иметь срок службы и в полгода. Ценой сами знаете чего.

2. Топливо должно производить большее количество тепла на единицу массы и объема. Тонна плутония 239 (используется в ядерном оружии и АЭС) будет таким же радиоактивным, как примерно 3,6 килограмма плутония 238 и производить такое же количество тепла. Тонны урановой руды под поверхностью Земли, к примеру, согревают жизнь бактериям на глубине в несколько километров. Однако, ключевое слово здесь - тонны. Чем радиоактивней топливо, тем меньшая масса нужна для получения нужного эффекта.

3. Радиоактивное излучение, образуемое в результате распада, должно легко преобразовываться в тепло. Оно так же не должно быть проникающим. Нейтронное и гамма-излучение по этим причинам не подходят. Лучше всего подойдет альфа-излучение, так как почти не требует экранирования. Бета-излучение и рентгеновское уже требуют защитную свинцовую оболочку, что ведет к увеличению веса установки. Это не критично для стационарных наземных генераторов, но играет большую роль в случае использования в космических аппаратах, удорожая стоимость их запуска.

В настоящее время, самым распространенным топливом для РТГ является плутоний 238 - он обладает периодом полураспада в 87,7 лет, относительно низкую составляющую гамма и нейтронного излучения, и, в связи с этим, практически не требует защитного экранирования, в большинстве случае достаточно толщины самого корпуса генератора.

В Советском Союзе для питания РТГ удаленных необслуживаемых маяков также широко применялся стронций 90, который имея меньший период полураспада, значительную составляющую гамма-излучения (и, как следствие - меньше получаемого тепла на единицу массы) был дешевле. Экономика должна быть экономной!

В настоящее время ведутся активные исследования по применению в качестве топлива америция 241 , который лучше плутония 238 периодом полураспада - 432 года. Даже не смотря на то, что «энергоемкость» его в 4 раза ниже плутония, а доля нежелательного проникающего излучения выше, перспектива питать устройства столетиями выглядит заманчиво. В любом случае по всем параметрам такого рода топлива это второе лучшее после плутония 238 решение.

Теперь остановимся на сроке службы «генераторов». Как уже можно было догадаться, он зависит от типа выбранного топлива и для плутония 238 составляет -0.87% от исходной мощности за год работы. Однако и здесь не все так просто. Не забываем, что наши термопары тоже имеют свой срок службы и со временем, под воздействием постоянного радиоактивного излучения и высокой температуры деградируют. Быстрее, чем распадается топливо. К примеру, батарея зонда Voyager -1, запущенного в космос в 1977 году, к 2001 году имела 315 Ватт мощности вместо проектных 420 Ватт. Реальное уменьшение мощности за 24 года работы составило 25%.

КПД по преобразованию тепла в электричество, как уже сообщалось, у генераторов, использующих принцип Зеебека, весьма не высок и на практике редко превышает 5%. Так что, серьезным источником РТГ никем никогда не считались, до мощи, ассоциируемой с ядерной энергетикой, им — как часовым батарейкам до дизельных электрогенераторов. Однако, и здесь ведутся работы по улучшению. Правда, от оригинальной конструкции в перспективной разработке NASA осталось только преобразование радиоактивного излучения в тепло.

Речь идет о совмещении теплового двигателя Стирлинга (работающего как раз за счет разницы температур), генератора и, собственно, радиоактивного изотопа. Напомню коротко принцип работы двигателя Стирлинга: рабочее тело (газ) расширяясь и сжимаясь в холодном и горячем цилиндрах (либо в разных частях одного цилиндра) двигает поршень посредством теплового расширения либо теплового сжатия.

Сам газ не покидает двигателя, постоянно циркулируя внутри него. Такие двигатели еще называют двигателями внешнего сгорания (по аналогии с двигателями внутреннего), так как, тепло для нагревания газа необходимо брать извне. КПД и мощность двигателя Стирлинга зависит от все той же разницы температур холодного и горячего отсеков (силы сжатия и расширения газа). А теперь представим себе безграничные возможности для охлаждения в космосе и постоянный источник тепла в виде теплового стержня радиоизотопного топлива. По расчетам специалистов NASA, такой генератор будет иметь КПД в 20% — 25%, что уже намного лучше 3%-5% для РТГ.

И, напоследок, поговорим о самом животрепещущем вопросе - радиационной безопасности наших ядерных батареек. Пожалуй, самой знаменитой является фотография «занедбаних та спаплюжених» советских «маячных» генераторов на стронции 90, валяющихся на какой-то прибрежной свалке. Смотрите мол, вот к чему это все ведет, разобранные вандалами на металлолом, источники радиационного загрязнения окружающей среды валяются тут и там, излучая излучение, отравляя радиоактивной отравой все живое и как бы призывая террористов сделать из них «грязную бомбу ». На заднем плане не хватает гигантских крыс-мутантов.

В реальности все немного не так. Документированных случаев акта вандализма по отношению к отслужившим свое генераторам зафиксировано не было. Правда, в основном потому, что эти генераторы, якобы, особо не документировались. Вы верите в то, что в СССР могли без учета разбрасывать ядерные технологии? Я — нет. В интернете так же есть информация о каких-то грузинских пастухах, проспавших возле заброшенного РТГ холодной ночью, чтобы согреться. Их потом доставили в больницу с радиационными ожогами, а РТГ забрали. Кто, когда, куда, где? Ничего.

Страшные истории про радиоизотопные генераторы на этом заканчиваются, дальше идет вполне себе положительная и хорошо документированная статистика. Из 33 американских миссий с использованием плутониевых РТГ, 5 окончились аварией при запуске, либо вхождении в атмосферу . При этом, из 5 аварий только одна привела к повреждению контейнера с топливом РТГ при его сгорании в атмосфере, что привело появлению следов плутония 238 в атмосфере над Мадагаскаром через несколько месяцев после аварии. Судя по тому, что массового радиационного отравления не произошло и даже снят мультфильм, последствий этот выброс не возымел.

Советские спутники с РТГ на борту проблем не имели вообще никогда. Страшилки про падающие в океан военные и метеорологические зонды, доверху наполненные радиоактивной радиацией касаются аппаратов , оснащенных полноценными бортовыми ядерными реакторами, которые изначально проектировались так, чтобы упасть, а радиоактивная часть - сгореть в атмосфере.

Также успокою тех, кто боится, что с помощью топлива РТГ террористы смогу сделать атомную бомбу. Ни со стронцием 90 из советских РТГ ни с плутонием 238 из американских ядерной бомбы не получится . Эти изотопы слишком нестабильны, чтобы достичь критической массы и в дальнейшем поддерживать цепную реакцию деления ядер. Более того, добавление подобного изотопа в компоненты нормальной ядерной бомбы приведет к уменьшению силы взрыва , так, как своей высокой активностью этот компонент вызовет преждевременное начало ядерной реакции до того, как будут достигнуты оптимальные условия критической массы заряда.

Что касается грязной бомбы,

то и здесь для террористов все плохо. Топливо в том виде, в котором его можно снять с РТГ, во-первых, слишком горячее (рабочая температура тепловой головки 500-600 градусов Цельсия), во-вторых, таки да, радиоактивная, излучение действительно может быть очень вредным, на столько, что приготовить из этого всего рабочую бомбу можно не успеть. Ну и в-третьих, живет недолго по сравнению с радиоактивными отходами АЭС, достать которые значительно проще. В итоге, делать бомбу из постоянно очень горячих, опасных для самого подрывника элементов, по радиационному воздействию на единицу веса сравнимых с урановой рудой, не очень выгодно. Разве что, моральный эффект от использования плутония (ужос!ужос!) в бомбе выгодно отличал бы новостные заголовки от расплывчатого «радиоактивные отходы».

Подводя итоги, хочу сказать, что данный вид получения электроэнергии безусловно интересен, прежде всего, своей автономностью. Например, в США известны случаи, когда в пепле кремированных граждан находили рабочие радиоизотопные термоэлектрогенераторы, которые забыли удалить при подготовке к похоронам. Даже в таких малых корпусах, достаточных для работы кардиостимуляторов, генераторы сохраняли работоспособность, пережив кремацию носителя. Оба Вояджера своей длительной работой также обязаны установленным на них РТГ, как и энергетические установки американской лунной программы Apollo. Прогнозы погоды от Гидрометцентра России мы тоже получаем, в том числе, благодаря ядерным батарейкам. И даже камчатских крабов едим при их опосредованном участии. Так что, не пугайтесь, если услышите в новостях страшное «спутник с радиоизотопным генератором».

p align=»center»>Чадящий дизелем КамАз на ближайшей стройке гораздо вредней.

Старые электронные часы могли работать более года, используя одну маленькую батарейку. Но современные электронные устройства настолько многофункциональны, что проблема малой ёмкости современных аккумуляторов стоит в полный рост. Если смартфоны и планшеты имеют достаточно много места в корпусе, то компактная электроника вроде «умных» часов страдает от нехватки ёмкости особенно сильно, что существенно сдерживает рост её популярности. С другой стороны, футурологи пятидесятых — шестидесятых годов вовсю рисовали картины «светлого атомного будущего», где автомобили не нуждаются в заправке, а аккумуляторы — в зарядке.

Возможно, это будущее не совсем потеряно. Учёным из Университета Миссури удалось достичь существенного прогресса в области создания «атомных батареек». Не стоит пугаться, речь вовсе не идёт о карманном ядерном реакторе. Создание такого реактора на данном этапе развития технологий невозможно. Принципом действия батарея, созданная в стенах университета, очень напоминает обычные солнечные панели, но если процесс, протекающий в последних, называется «фотовольтаикой», то в описываемой разработке имеет место «бетавольтаика», то есть поглощение полупроводниковым устройством бета-излучения.

Нельзя сказать, что бета-излучение безвредно, но, в отличие от гамма-излучения, оно представляет собой поток заряженных частиц и имеет сравнительно небольшой пробег, около двух метров в воздухе и порядка десяти миллиметров в тканях тела. Но достаточно двух-трёх миллиметров алюминия или пары сантиметров органического стекла, чтобы полностью экранировать такой поток. В конструкции «атомной батарейки» используется электрод из диоксида титана, покрытый слоем платины, вода и источник бета-излучения. В качестве последнего используется изотоп стронций-90 с периодом полураспада около 29 лет. В процессе распада он испускает электрон (пресловутое бета-излучение), антинейтрино, а побочным эффектом реакции является иттрий-90. Последний имеет период полураспада всего 64 часа, также испускает электроны и антинейтрино, а в конце превращается в стабильный нерадиоактивный цирконий. Гамма-излучение в этих реакциях практически отсутствует.

Идея батарей, использующих процесс бетавольтаики, не нова, однако команде учёных Миссурийского Университета удалось существенно повысить их эффективность использованием… простой воды. Да, это не опечатка. Вода очень хорошо поглощает бета-излучение, предохраняет полупроводниковый приёмник от разрушения, а само излучение расщепляет молекулы воды, позволяя извлечь дополнительную порцию электроэнергии, а значит, повысить коэффициент полезного действия бета-батареи. Как заявил один из разработчиков, их решение слабо подвержено действию низких температур и может использоваться в самых различных сценариях, от автомобильных аккумуляторов до источников питания космических аппаратов.

Разумеется, нет никаких теоретических ограничений на использование этой технологии и в носимой электронике. Однако радиофобия очень широко распространена в наши дни, большинство людей незнакомы даже с азами ядерной физики и будут воспринимать любое упоминание «радиации» в штыки. Напуганные случаями возгорания обычных литий-ионных аккумуляторов, пользователи и слышать не захотят об «атомных батарейках», несмотря на их «вечность», хотя для безопасного использования бета-батареи достаточно прочного экранирующего корпуса и соблюдения элементарных правил техники безопасности. Литий-ионные аккумуляторы тоже не рекомендуется вскрывать и пробовать на зуб.

Но описанная технология непременно будет доведена до совершенства и найдёт себе применение в военной и космической отраслях, да и везде, где продолжительность жизни источника питания является критической характеристикой, перевешивающей все возможные риски. А там, кто знает — возможно, наши потомки преодолеют иррациональный страх перед атомными технологиями и будут безопасно и с удовольствием пользоваться их плодами.