Бетавольтаическое устройство

Тип ядерной батареи, генерирующей электрический ток

Бетавольтаическое устройство ( бетавольтаический элемент или бетавольтаическая батарея ) — это тип ядерной батареи , которая генерирует электрический ток из бета-частиц ( электронов ), испускаемых радиоактивным источником, с использованием полупроводниковых переходов . Обычно используемым источником является изотоп водорода тритий . В отличие от большинства источников ядерной энергии , которые используют ядерное излучение для выработки тепла, которое затем используется для выработки электроэнергии, бета-вольтаические устройства используют процесс нетеплового преобразования, преобразуя электронно-дырочные пары , образующиеся в результате ионизации бета-частиц, проходящих через полупроводник. ^[1]

Бетавольтаические источники энергии (и соответствующая технология альфаэлектрических источников энергии ^[2] ) особенно хорошо подходят для маломощных электрических устройств, где требуется длительный срок службы источника энергии, таких как имплантируемые медицинские устройства или военные и космические приложения. ^[1]

История

Бетавольтаика была изобретена в 1970-х годах. ^[3] В некоторых кардиостимуляторах в 1970-х годах использовались бетавольтаические устройства на основе прометия , ^[4] но их использование было прекращено по мере разработки более дешевых литиевых батарей. ^[1]

Ранние полупроводниковые материалы были неэффективны при преобразовании электронов от бета-распада в полезный ток, поэтому использовались более высокоэнергетические, более дорогие и потенциально опасные изотопы . Более эффективные полупроводниковые материалы, используемые с 2019 года ^[5], могут сочетаться с относительно безопасными изотопами, такими как тритий, которые производят меньше радиации. ^{[1][обновлять]}

Betacel считался первой успешно коммерциализированной бетаэлектрической батареей .

Предложения

Бетавольтаика в основном используется для удаленного и долгосрочного использования, например, в космических кораблях , которым требуется электроэнергия в течение десятилетия или двух. Недавний прогресс побудил некоторых предложить использовать бета-вольтаику для подзарядки обычных аккумуляторов в потребительских устройствах, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры . ^{[6] [ ненадежный источник? ]} Еще в 1973 году бета-вольтаику было предложено использовать в медицинских устройствах длительного действия, таких как кардиостимуляторы . ^[4]

В 2018 году была представлена ​​российская конструкция на основе пластин никеля-63 толщиной 2 микрона, зажатых между слоями алмаза толщиной 10 микрон. Он производил выходную мощность около 1 мкВт при плотности мощности 10  мкВт /см ³ . Его плотность энергии составила 3,3 кВтч/кг. Период полураспада никеля-63 составляет 100 лет. ^{[7] [8] [9]}

В 2019 году в документе была указана жизнеспособность бета-вольтаических устройств в средах с высокими температурами, превышающими 733 К (460 ° C; 860 ° F), например, на поверхности Венеры . ^[10]

Бетавольтаика напрямую преобразует кинетическую энергию бета-частиц в электрическую энергию с помощью полупроводниковых переходов. В отличие от традиционных ядерных реакторов, которые генерируют тепло, а затем преобразуют его в электричество, бетавольтаика обеспечивает нетепловое преобразование. ^[11]

Прототип бета-вольтаической батареи, анонсированный в начале 2024 года китайской компанией Betavolt , содержит тонкую пластину, обеспечивающую источник электронов бета-частиц (либо углерода-14 , либо никеля-63 ), зажатую между двумя тонкими кристаллографическими алмазными полупроводниковыми слоями. ^{[12] [13]} Китайский стартап утверждает, что миниатюрное устройство находится на стадии пилотного тестирования. ^[14] Представленный в январе 2024 года, он предположительно генерирует мощность 100 микроватт и напряжение 3 В и имеет срок службы 50 лет без необходимости зарядки или обслуживания. ^[14] Бетавольт утверждает, что это первое подобное миниатюрное устройство, когда-либо разработанное. ^[14] Он получает энергию от листа никеля-63, расположенного в модуле размером с очень маленькую монету. ^{[12] [14]} По истечении периода распада изотопы превращаются в стабильные, нерадиоактивные изотопы меди , которые не представляют никакой угрозы для окружающей среды. ^[14]

Недостатки

Поскольку радиоактивный материал испускает радиацию, его активность медленно снижается (см. период полураспада ). Таким образом, со временем бета-вольтаическое устройство будет обеспечивать меньшую мощность. Для практических устройств это снижение происходит в течение многих лет. Для тритиевых устройств период полураспада составляет 12,32 года. При проектировании устройства необходимо учитывать, какие характеристики батареи требуются в конце срока службы, и гарантировать, что свойства начала срока службы учитывают желаемый срок службы.

Ответственность, связанная с экологическим законодательством и воздействием на человека трития и его бета-распада, также должна учитываться при оценке риска и разработке продукции . Естественно, это увеличивает как время выхода на рынок, так и и без того высокую стоимость трития. В отчете Консультативной группы по ионизирующему излучению Агентства по охране здоровья правительства Великобритании за 2007 год говорится, что риски для здоровья, связанные с воздействием трития, вдвое превышают те, которые ранее были установлены Международной комиссией по радиологической защите, расположенной в Швеции. ^[15]

Поскольку радиоактивный распад невозможно легко остановить, ускорить или замедлить, невозможно «выключить» батарею или отрегулировать ее выходную мощность. Для некоторых приложений это не имеет значения, но другим потребуется резервная химическая батарея для хранения энергии, когда она не нужна и когда она нужна. Это снижает преимущество высокой удельной мощности.

Доступность

Бетавольтаические ядерные батареи можно приобрести в коммерческих целях. Среди устройств, доступных по состоянию на 2012 год, было устройство с тритиевым питанием мощностью 100 мкВт и весом 20 граммов ^[16].

Безопасность

Хотя бета-вольтаика использует радиоактивный материал в качестве источника энергии, бета-частицы имеют низкую энергию и их легко остановить с помощью защиты всего в несколько миллиметров . При правильной конструкции устройства (то есть надлежащей защите и локализации) бета-вольтаическое устройство не будет излучать опасное излучение. Утечка заключенного материала может создать угрозу для здоровья, так же как утечка материалов в других типах батарей (таких как литиевые , кадмиевые и свинцовые ) приводит к серьезным проблемам со здоровьем и окружающей средой. ^[17] Безопасность можно еще больше повысить за счет преобразования используемого радиоизотопа в химически инертную и механически стабильную форму, что снижает риск рассеивания или бионакопления в случае утечки.

Эффективность

Из-за высокой плотности мощности радиоизотопов и необходимости обеспечения надежности, прежде всего, во многих применениях бетавольтаики приемлемы сравнительно низкие КПД. Современные технологии позволяют добиться однозначного процента эффективности преобразования энергии от поступления бета-частиц в выработку электроэнергии, но исследования в области более высокой эффективности продолжаются. ^{[18] [19]} Для сравнения, тепловой КПД в диапазоне 30% считается относительно низким для новых крупных тепловых электростанций, а передовые электростанции с комбинированным циклом достигают КПД 60% и более, если измерять его по выработке электроэнергии на единицу введенного тепла. ^[20] Если бета-вольтаическое устройство выполняет функцию радиоизотопного нагревателя, оно по сути представляет собой когенерационную установку и достигает гораздо более высокого общего КПД, поскольку большая часть отработанного тепла используется. Подобно фотогальванике , предел Шокли-Кейсера также накладывает абсолютный предел для бета-вольтаического устройства с одной запрещенной зоной . ^[21]

Максимальная эффективность

Поскольку наибольшая энергия, которую можно извлечь из одной ЭДП, — это энергия запрещенной зоны, предельную эффективность бета-батареи можно оценить как:

${\displaystyle \eta _{max}={E_{g} \over E_{EHP}}}$

где и – ширина запрещенной зоны полупроводника и энергия образования электронно-дырочной пары соответственно. Известно, что энергия для генерации одной ЭДП бета-частицей линейно зависит от ширины запрещенной зоны, как и в случае A и B, в зависимости от характеристик полупроводника. ^[22] ${\textstyle E_{g}}$ ${\textstyle E_{EHP}}$ ${\textstyle E_{EHP}=AE_{g}+B}$

Смотрите также

• Атомная батарея
• Алмазная батарея
• Оптоэлектрическая ядерная батарея
• Технология изготовления тонких пленок из поливинилиденфторида (ПВДФ).
• Радиоизотопный термоэлектрический генератор
• Радиоизотопный пьезоэлектрический генератор
• Список типов батарей

Рекомендации

1. Кэтрин Бурзак (17 ноября 2009 г.). «25-летняя батарея: долгоживущие ядерные батареи, работающие на изотопах водорода, проходят испытания для военного применения». Обзор технологий . Массачусетский технологический институт. Архивировано из оригинала 19 января 2012 г.
2. Исследовательский центр Гленна НАСА, Альфа- и бета-вольтаика. Архивировано 18 октября 2011 г. в Wayback Machine (по состоянию на 4 октября 2011 г.).
3. «Обзор и обзор технологии ядерных батарей». big.stanford.edu . Проверено 30 сентября 2018 г.
4. Олсен, LC (декабрь 1973 г.). «Бетавольтаическое преобразование энергии». Преобразование энергии . 13 (4). ООО «Эльзевир»: 117–124, IN1, 125–127. дои : 10.1016/0013-7480(73)90010-7.
5. Максименко, Сергей И.; Мур, Джим Э.; Аффуда, Чафра А.; Дженкинс, Филип П. (декабрь 2019 г.). «Оптимальные полупроводники для бетавольтаики 3H и 63Ni». Научные отчеты . 9 (1): 10892. Бибкод : 2019НатСР...910892М. дои : 10.1038/s41598-019-47371-6. ISSN  2045-2322. ПМК 6659775 . ПМИД  31350532. 
6. "betavoltaic.co.uk" . Архивировано из оригинала 31 декабря 2019 года . Проверено 21 февраля 2016 г.
7. Бормашов, В.С.; Трошиев С.Ю.; Тарелкин, С.А.; Волков А.П.; Тетерук, Д.В.; Голованов А.В.; Кузнецов, М.С.; Корнилов, Н.В.; Терентьев С.А.; Бланк, В.Д. (апрель 2018 г.). «Прототип ядерной батареи высокой плотности на основе алмазных диодов Шоттки». Алмаз и родственные материалы . 84 : 41–47. Бибкод : 2018DRM....84...41B. дои : 10.1016/j.diamond.2018.03.006 .
8. «Прототип ядерной батареи имеет в 10 раз большую мощность» . Московский физико-технический институт . Архивировано из оригинала 27 октября 2020 г. Проверено 1 сентября 2020 г.
9. Ирвинг, Майкл (3 июня 2018 г.). «Российские ученые вложили больше мощности в прототип ядерной батареи» . newatlas.com . Проверено 14 июня 2018 г.
10. О'Коннор, Эндрю; Мануэль, Мишель В.; Шоу, Гарри (ноябрь 2019 г.). «Модель объемного источника с расширенной температурой для производства бетавольтаической энергии». Труды Американского ядерного общества . 121 : 542–545. дои : 10.13182/T30591. ПМЦ 8269951 . ПМИД  34248155. 
11. Рана, Суман (10 февраля 2024 г.). «Ядерная батарея Бетавольта: революционный источник энергии будущего». Трендовая Vista . Проверено 24 апреля 2024 г.
12. «Бетавольт заявляет, что ее алмазная ядерная батарея может питать устройства в течение 50 лет» . Дэвид Сонди для New Atlas, 16 января 2024 г. По состоянию на 17 января 2024 г.
13. «贝塔伏特公司成功研制民用原子能电池» («Бетавольт успешно разрабатывает атомную батарею для гражданского использования»), на веб-сайте Betavolt (на китайском языке). По состоянию на 17 января 2024 г.
14. Энтони Катбертсон (12 января 2024 г.). «Ядерная батарея производит энергию в течение 50 лет без необходимости подзарядки». Независимый . Проверено 14 января 2024 г.
15. Эдвардс, Роб (29 ноября 2007 г.). «Рейтинг опасности трития« следует удвоить »». НовыйУченый .
16. «Коммерчески доступная нанотритиевая батарея может питать микроэлектронику более 20 лет» . Новый Атлас . 16 августа 2012 г. Проверено 1 сентября 2020 г.
17. Махер, Джордж (октябрь 1991 г.). «Основы работы с аккумуляторами». Комиссии округов, Государственный университет Северной Дакоты и Министерство сельского хозяйства США . Государственный университет Северной Дакоты . Проверено 29 августа 2011 г.
18. «Бетавольтаические устройства».
19. Саченко, А.В.; Шкребтий, А.И.; Коркишко Р.М.; Костылев, В.П.; Кулиш, М.Р.; Соколовский, И.О. (1 сентября 2015 г.). «Анализ эффективности бетавольтаических элементов». Твердотельная электроника . 111 : 147–152. arXiv : 1412.7826 . Бибкод : 2015SSEle.111..147S. дои : 10.1016/j.sse.2015.05.042. S2CID  94359293.
20. «Самые эффективные тепловые электростанции в Америке».
21. Максименко, Сергей И.; Мур, Джим Э.; Аффуда, Чафра А.; Дженкинс, Филип П. (26 июля 2019 г.). «Оптимальные полупроводники для бетавольтаики 3H и 63Ni». Научные отчеты . 9 (1): 10892. Бибкод : 2019НатСР...910892М. дои : 10.1038/s41598-019-47371-6. ПМЦ 6659775 . ПМИД  31350532. 
22. Евстигнеев, Михаил; Афкани, Мохаммед; Соколовский, Игорь (ноябрь 2023 г.). «Предельный КПД кремниевой бетавольтаической батареи с источником трития». Микромашины . 14 (11): 2015. doi : 10.3390/mi14112015 . ISSN  2072-666X. ПМЦ 10673167 . ПМИД  38004872. 

Внешние ссылки

• Пресс-релиз Рочестерского университета
• Городские лаборатории
• Видетроникс
• Армандо Антониацци. «Рассвет ядерных батарей». Блог.kinectrics.com. Архивировано из оригинала 21 марта 2012 г. Проверено 22 августа 2012 г.
• «Коммерчески доступная нанотритиевая батарея может питать микроэлектронику более 20 лет». Gizmag.com. 16 августа 2012 г. Проверено 22 августа 2012 г.