stringtranslate.com

Атомная батарея

Атомная батарея , ядерная батарея , радиоизотопная батарея или радиоизотопный генератор — это устройство, которое использует энергию распада радиоактивного изотопа для выработки электроэнергии . Как и ядерные реакторы , они генерируют электроэнергию из ядерной энергии, но отличаются тем, что не используют цепную реакцию . Хотя их обычно называют батареями , технически они не являются электрохимическими и их нельзя заряжать или перезаряжать. Они очень дороги, но имеют чрезвычайно долгий срок службы и высокую плотность энергии , поэтому их обычно используют в качестве источников питания для оборудования, которое должно работать без присмотра в течение длительных периодов времени, такого как космические корабли , кардиостимуляторы , подводные системы и автоматизированные научные станции в космосе. отдаленные уголки мира. [1] [2] [3]

Технология ядерных батарей началась в 1913 году, когда Генри Мозли впервые продемонстрировал ток, генерируемый излучением заряженных частиц. В 1950-х и 1960-х годах эта область уделяла значительное внимание исследованиям приложений, требующих долговечных источников энергии для космических нужд. В 1954 году RCA исследовала небольшую атомную батарею для небольших радиоприемников и слуховых аппаратов. [4] С момента первых исследований и разработок RCA в начале 1950-х годов было разработано множество типов и методов для извлечения электрической энергии из ядерных источников. Научные принципы хорошо известны, но современные нанотехнологии и новые широкозонные полупроводники создали новые устройства и интересные свойства материалов, ранее недоступные.

Ядерные батареи можно разделить по технологии преобразования энергии на две основные группы: термопреобразователи и нетепловые преобразователи . Тепловые типы преобразуют часть тепла, выделяемого при ядерном распаде, в электричество. Наиболее ярким примером является радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ), часто используемый в космических кораблях. Нетепловые преобразователи извлекают энергию непосредственно из излучаемого излучения, прежде чем оно преобразуется в тепло. Их легче миниатюризировать, и для их работы не требуется температурный градиент, поэтому они подходят для использования в небольших масштабах. Наиболее ярким примером является бета-вольтаический элемент .

Атомные батареи обычно имеют КПД 0,1–5%. Высокоэффективные бетавольтаические устройства могут достигать КПД 6–8%. [5]

Термическое преобразование

Термоэмиссионное преобразование

Термоэмиссионный преобразователь состоит из горячего электрода, который термоэмиссионно излучает электроны через барьер пространственного заряда к более холодному электроду, производя полезную выходную мощность. Пары цезия используются для оптимизации рабочих функций электрода и обеспечения подачи ионов (путем поверхностной ионизации ) для нейтрализации пространственного заряда электронов . [6]

Термоэлектрическое преобразование

Кардиостимулятор с радиоизотопным приводом, разрабатываемый Комиссией по атомной энергии, призван стимулировать пульсацию работающего со сбоями сердца. Примерно 1967 год.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор ( РТГ) использует термопары . Каждая термопара состоит из двух проволок из разных металлов (или других материалов). Градиент температуры по длине каждого провода создает градиент напряжения от одного конца провода к другому; но разные материалы производят разное напряжение на градус разницы температур. При соединении проводов на одном конце, нагревании этого конца и охлаждении другого конца между несоединенными концами проводов генерируется полезное, но небольшое (милливольты) напряжение. На практике многие из них подключаются последовательно (или параллельно) для генерации большего напряжения (или тока) от одного и того же источника тепла, поскольку тепло течет от горячих концов к холодным. Металлические термопары имеют низкий термический и электрический КПД. Однако в полупроводниковых материалах, таких как теллурид висмута и кремний-германий, можно регулировать плотность носителей и заряд, чтобы достичь гораздо более высокой эффективности преобразования. [7]

Термофотоэлектрическое преобразование

Термофотоэлектрические элементы (TPV) работают по тем же принципам, что и фотоэлектрические элементы , за исключением того, что они преобразуют инфракрасный свет (а не видимый свет ), излучаемый горячей поверхностью, в электричество. Термофотоэлектрические элементы имеют эффективность немного выше, чем термоэлектрические пары, и их можно накладывать на термоэлектрические пары, что потенциально увеличивает эффективность вдвое. Усилия по разработке технологии преобразования радиоизотопной энергии TPV Университета Хьюстона направлены на объединение термофотоэлектрических элементов одновременно с термопарами , чтобы обеспечить 3-4-кратное повышение эффективности системы по сравнению с современными термоэлектрическими генераторами радиоизотопов. [ нужна цитата ]

Генераторы Стирлинга

Радиоизотопный генератор Стирлинга — это двигатель Стирлинга, приводимый в движение разницей температур, создаваемой радиоизотопом. Более эффективная версия, усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга , находилась в стадии разработки НАСА , но была отменена в 2013 году из-за масштабного перерасхода средств. [8]

Нетермическое преобразование

Нетепловые преобразователи извлекают энергию из излучаемого излучения до того, как оно преобразуется в тепло. В отличие от термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей их мощность не зависит от разницы температур. Нетепловые генераторы можно классифицировать по типу используемых частиц и механизму преобразования их энергии.

Электростатическое преобразование

Энергию можно извлечь из испускаемых заряженных частиц , когда их заряд накапливается в проводнике , создавая таким образом электростатический потенциал . Без режима диссипации напряжение может возрастать до энергии излучаемых частиц, которая может составлять от нескольких киловольт (для бета-излучения) до мегавольт (альфа-излучение). Накопленную электростатическую энергию можно превратить в полезную электроэнергию одним из следующих способов.

Генератор прямой зарядки

Генератор прямой зарядки состоит из конденсатора , заряжаемого током заряженных частиц из радиоактивного слоя, нанесенного на один из электродов. Расстояние может быть вакуумным или диэлектрическим . Могут быть использованы отрицательно заряженные бета-частицы или положительно заряженные альфа-частицы , позитроны или осколки деления . Хотя эта форма ядерно-электрического генератора возникла в 1913 году, в прошлом было найдено мало применений чрезвычайно малых токов и неудобно высоких напряжений, обеспечиваемых генераторами прямой зарядки. Системы генераторов/трансформаторов используются для снижения напряжения, затем выпрямители используются для преобразования мощности переменного тока обратно в постоянный ток.

Английский физик Х. Дж. Мозли построил первый из них. Аппарат Мозли представлял собой посеребрённый внутри стеклянный шар с излучателем радия, установленным на кончике проволоки в центре. Заряженные частицы радия создавали поток электричества, быстро перемещаясь от радия к внутренней поверхности сферы. Еще в 1945 году модель Мозли послужила основой для других усилий по созданию экспериментальных батарей, вырабатывающих электричество за счет выбросов радиоактивных элементов.

Электромеханическое преобразование

Электромеханические атомные батареи используют накопление заряда между двумя пластинами, чтобы притягивать одну сгибаемую пластину к другой до тех пор, пока две пластины не соприкоснутся, не разрядятся, уравнивая накопление электростатического заряда, и не отпружинят. Создаваемое механическое движение можно использовать для производства электричества посредством изгиба пьезоэлектрического материала или с помощью линейного генератора. Милливатты мощности производятся импульсами в зависимости от скорости зарядки, в некоторых случаях несколько раз в секунду (35 Гц). [9]

Радиоэлектрическое преобразование

Радиоэлектрическое (РВ) устройство преобразует энергию ионизирующего излучения непосредственно в электричество с помощью полупроводникового перехода , аналогично преобразованию фотонов в электричество в фотоэлектрическом элементе . В зависимости от типа целевого излучения эти устройства называются альфавольтаическими (АВ, αV), бета-вольтаическими (БВ, βV) и/или гамма-вольтаическими (ГВ, γV). Бетавольтаике традиционно уделялось наибольшее внимание, поскольку (низкоэнергетические) бета-излучатели вызывают наименьший радиационный ущерб, что обеспечивает более длительный срок службы и меньшую защиту. Интерес к альфа- и (в последнее время) гамма-вольтаическим устройствам обусловлен их потенциально более высоким КПД.

Альфавольтаическое преобразование

Альфавольтаические устройства используют полупроводниковый переход для производства электрической энергии из энергичных альфа-частиц . [10] [11]

Бетавольтаическое преобразование

Бетавольтаические устройства используют полупроводниковый переход для производства электрической энергии из энергичных бета-частиц ( электронов ). Обычно используемым источником является изотоп водорода тритий .

Бетавольтаические устройства особенно хорошо подходят для маломощных электрических устройств, где необходим длительный срок службы источника энергии, таких как имплантируемые медицинские устройства или военные и космические приложения. [12]

В январе 2024 года китайский стартап Betavolt заявил, что миниатюрное устройство находится на стадии пилотных испытаний. [13] Утверждается, что он генерирует мощность 100 микроватт и напряжение 3 В и имеет срок службы 50 лет без необходимости зарядки или обслуживания. [13] Бетавольт утверждает, что это первое подобное миниатюрное устройство, когда-либо разработанное. [13] Он получает энергию от изотопа никеля-63, расположенного в модуле размером с очень маленькую монету. [14] По мере потребления никель-63 распадается на стабильные, нерадиоактивные изотопы меди, которые не представляют никакой угрозы для окружающей среды. [14] Он содержит тонкую пластину никеля-63, обеспечивающую электроны бета-частиц , зажатую между двумя тонкими кристаллографическими слоями полупроводника алмаза. [15] [16]

Гаммавольтаическое преобразование

Гаммавольтаические устройства используют полупроводниковый переход для производства электрической энергии из энергичных гамма-частиц ( фотонов высокой энергии ). Они рассматривались только в 2010-х годах [17] [18] [19] [20] , но были предложены еще в 1981 году. [21]

Сообщалось о гамма-вольтаическом эффекте в перовскитных солнечных элементах . [17] Другая запатентованная конструкция предполагает рассеяние гамма-частицы до тех пор, пока ее энергия не уменьшится настолько, чтобы она могла быть поглощена обычным фотоэлектрическим элементом. [18] Гаммавольтаические конструкции с использованием алмазных диодов и диодов Шоттки также исследуются. [19] [20]

Радиофотоэлектрическое (оптоэлектрическое) преобразование

В радиофотоэлектрическом (RPV) устройстве преобразование энергии является косвенным: испускаемые частицы сначала преобразуются в свет с помощью радиолюминесцентного материала ( сцинтиллятора или люминофора ), а затем свет преобразуется в электричество с помощью фотоэлектрического элемента . В зависимости от типа целевых частиц тип преобразования может быть более точно определен как альфа-фотоэлектрический (APV или α-PV), [22] бета-фотоэлектрический (BPV или β-PV) [23] или гамма-фотоэлектрический (GPV или γ-PV). [24]

Радиофотоэлектрическое преобразование можно комбинировать с радиоэлектрическим преобразованием для повышения эффективности преобразования. [25]

Кардиостимуляторы

Компании Medtronic и Alcatel разработали кардиостимулятор Numec NU-5, работающий на плутонии , с энергией 2,5 Ки из плутония-238, впервые имплантированный пациенту-человеку в 1970 году. Ожидается, что 139 ядерных кардиостимуляторов Numec NU-5, имплантированных в 1970-х годах, будут никогда не требуют замены, что является преимуществом перед неядерными кардиостимуляторами, которые требуют хирургической замены батарей каждые 5–10 лет. Ожидается, что плутониевые «батарейки» будут производить достаточно энергии, чтобы обеспечить работу схемы дольше, чем период полураспада плутония, составляющий 88 лет. [26] [27] [28] [29] Бетавольтаические батареи также рассматриваются как долговечные источники питания для бессвинцовых кардиостимуляторов. [30]

Используемые радиоизотопы

В атомных батареях используются радиоизотопы, которые производят бета-частицы низкой энергии, а иногда и альфа-частицы различной энергии. Бета-частицы низкой энергии необходимы для предотвращения образования проникающего тормозного излучения высокой энергии, которое потребует мощной защиты. Были протестированы радиоизотопы, такие как тритий , никель -63, прометий -147 и технеций -99. Использовались плутоний -238, кюрий -242, кюрий -244 и стронций -90. [31] Помимо ядерных свойств используемого изотопа, существуют также вопросы химических свойств и доступности. Продукт, преднамеренно полученный с помощью нейтронного облучения или в ускорителе частиц, получить труднее, чем продукт деления, который легко извлечь из отработанного ядерного топлива .

Плутоний-238 должен быть намеренно произведен путем нейтронного облучения нептуния-237, но его можно легко превратить в стабильную керамику на основе оксида плутония. Стронций-90 легко извлекается из отработанного ядерного топлива, но его необходимо преобразовать в перовскитную форму титаната стронция , чтобы уменьшить его химическую подвижность, сокращая удельную мощность вдвое. Цезий-137, еще один продукт ядерного деления с высоким выходом, редко используется в атомных батареях, поскольку его трудно преобразовать в химически инертные вещества. Еще одним нежелательным свойством Cs-137, извлеченного из отработавшего ядерного топлива, является то, что он загрязнен другими изотопами цезия, что еще больше снижает удельную мощность.

Микробатарейки

В области микроэлектромеханических систем ( МЭМС ) инженеры-ядерщики из Университета Висконсина в Мэдисоне исследовали возможности производства миниатюрных батарей, которые используют радиоактивные ядра таких веществ, как полоний или кюрий, для производства электрической энергии. [ нужна цитата ] В качестве примера интегрированного приложения с автономным питанием исследователи создали колеблющуюся консольную балку, которая способна совершать последовательные периодические колебания в течение очень длительных периодов времени без необходимости дозаправки. Продолжающиеся работы показывают, что этот кантилевер способен передавать радиочастоты, позволяя устройствам MEMS взаимодействовать друг с другом по беспроводной сети.

Эти микробатарейки очень легкие и обеспечивают достаточно энергии, чтобы функционировать в качестве источника питания для использования в устройствах MEMS, а также для питания наноустройств. [32]

Высвобождаемая энергия излучения преобразуется в электрическую энергию, которая ограничена областью устройства, содержащего процессор и микробатарею, снабжающую его энергией. [33] : 180–181. 

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Ядерная батарея размером и толщиной с копейку» . Гизмаг , 9 октября 2009 г.
  2. ^ «Представлены крошечные« ядерные батареи »» . BBC News , четверг, 8 октября 2009 г.
  3. ^ «Технология аккумуляторов NanoTritium™». Городские лаборатории . Проверено 25 мая 2023 г.
  4. ^ «Атомная батарея преобразует радиоактивность непосредственно в электричество». «Популярная механика» , апрель 1954 г., с. 87.
  5. ^ «Термоэлектрические генераторы». электронный автобус.com . Архивировано из оригинала 10 января 2016 года . Проверено 23 февраля 2015 г.
  6. ↑ Фитцпатрик, GO (19 мая 1987 г.). «Термоэмиссионный преобразователь». Управление научно-технической информации . ОСТИ  6377296.
  7. ^ Маккой, JC (октябрь 1995 г.). Обзор программы системы транспортировки радиоизотопных термоэлектрических генераторов . STAIF 96: международный форум космических технологий и применений, Альбукерке, Нью-Мексико (США), 7–11 января 1996 г. OSTI  168371.
  8. ^ Отмена ASRG в контексте будущих планетарных исследований
  9. ^ Лал, Амит; Раджеш Дуггирала; Хуэй Ли (2005). «Всепроникающая сила: пьезоэлектрический генератор на радиоизотопном питании» (PDF) . Повсеместные вычисления IEEE . 4 : 53–61. дои :10.1109/MPRV.2005.21. S2CID  18891519. Архивировано из оригинала (PDF) 21 июня 2007 года.
  10. ^ Исследовательский центр Гленна НАСА, Альфа- и бета-вольтаика. Архивировано 18 октября 2011 г. в Wayback Machine (по состоянию на 4 октября 2011 г.).
  11. ^ Шейла Г. Бейли, Дэвид М. Уилт, Райн П. Рафаэль и Стефани Л. Кастро, Исследование конструкции альфа-вольтаического источника энергии. Архивировано 16 июля 2010 г. в Wayback Machine , Research and Technology 2005, NASA TM-2006-214016, (по состоянию на 4 октября 2011 г.)
  12. ^ «Тритиевые батареи как источник ядерной энергии». Городские лаборатории . Проверено 25 мая 2023 г.
  13. ↑ abc Энтони Катбертсон (12 января 2024 г.). «Ядерная батарея производит энергию в течение 50 лет без необходимости подзарядки». Независимый . Проверено 14 января 2024 г.
  14. ↑ ab Марк Тайсон (13 января 2024 г.). «Ядерная батарея китайской разработки имеет срок службы 50 лет — Betavolt BV100, построенная из изотопа никеля-63 и алмазного полупроводникового материала». Аппаратное обеспечение Тома . Проверено 17 января 2024 г.
  15. ^ "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.
  16. ^ «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.
  17. ^ аб Хироши Сегава; Людмила Кожокару; Сатоши Учида (7 ноября 2016 г.). «Гаммавольтаические свойства перовскитного солнечного элемента - на пути к новой атомной энергетике». Материалы международной конференции Азиатско-Тихоокеанская гибридная и органическая фотоэлектрическая энергия . Проверено 1 сентября 2020 г.
  18. ^ ab 20180350482, Райан, Майкл Дойл, «Гамма-вольтова ячейка», выпущено 6 декабря 2018 г. 
  19. ^ Аб Маккензи, Гордон (октябрь 2017 г.). «Алмазная гамма-вольтаическая ячейка». Британские исследования и инновации .
  20. ↑ Аб Маккензи, Робби (19 июня 2020 г.). «Алмазные гаммавольтаические элементы для бессмещенной гамма-дозиметрии». Юго-западный ядерный узел . Проверено 1 сентября 2020 г.
  21. ^ «Популярная наука». Январь 1981 года.
  22. ^ Пурбандари, Десси; Фердиансья, Фердиансья; Суджитно, Тджипто (2019). «Оптимизация альфа-энергии, нанесенной в тонкую радиолюминесцентную пленку для альфа-фотоэлектрических приложений». Продолжается Международная конференция по науке и технике . 2 : 41–44. дои : 10.14421/icse.v2.52 . S2CID  141390756.
  23. ^ Берман, Вероника; Литц, Марк Стюарт; Руссо, Джонни (2018). «Исследование ухудшения электрической мощности в бета-фотоэлектрических (βPV) и бета-вольтаических (βV) источниках питания с использованием 63Ni и 147Pm». Центр оборонной технической информации . S2CID  139545450.
  24. ^ ЛИАКОС, Джон К. (1 декабря 2011 г.). «Фотоэлектрические элементы, управляемые гамма-излучением, через интерфейс сцинтиллятора». Журнал ядерной науки и технологий . 48 (12): 1428–1436. дои : 10.1080/18811248.2011.9711836 . ISSN  0022-3131. S2CID  98136174.
  25. ^ Го, Сяо; Лю, Юньпэн; Сюй, Чжихэн; Цзинь, Чжанган; Лю, Кай; Юань, Цзычэн; Гонг, Пин; Тан, Сяобинь (1 июня 2018 г.). «Многоуровневые радиоизотопные батареи на основе γ-источника 60Co и двойного радиовольтаического/радиофотоэлектрического эффекта». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 275 : 119–128. дои :10.1016/j.sna.2018.04.010. ISSN  0924-4247. S2CID  117568424.
  26. ^ «Мемуары о медицинских технологиях: Кардиостимулятор на плутонии».
  27. ^ «Ядерный кардиостимулятор все еще находится под напряжением спустя 34 года» .
  28. ^ RL Shoup. «Ядерные кардиостимуляторы».
  29. ^ Crystal Phend. «Дополнительное время автономной работы не всегда является плюсом для атомного кардиостимулятора».
  30. ^ «Батарейки кардиостимуляторов для безвыводных кардиостимуляторов». Городские лаборатории . Проверено 25 мая 2023 г.
  31. ^ Бинду, KC; Хармон, Фрэнк; Старовойтова Валерия; Стоунер, Джон; Уэллс, Дуглас (2013). «Оптимизация промышленного фотоядерного производства радиоизотопов». Материалы конференции AIP . 1525 (1): 407–411. Бибкод : 2013AIPC.1525..407B. дои : 10.1063/1.4802359 .
  32. ^ Вальднер, Жан-Батист (2007). Изобретатель ординатора XXI века . Лондон: Гермес Сайенс. п. 172. ИСБН 978-2-7462-1516-0.
  33. ^ Вальднер, Жан-Батист (2008). Нанокомпьютеры и роевой интеллект . Лондон: ISTE John Wiley & Sons . ISBN  978-1-84704-002-2. радиоактивные ядра высвобождают электроны, которые стреляют в отрицательный полюс батареи.

Внешние ссылки