stringtranslate.com

Атомная батарея

Атомная батарея , ядерная батарея , радиоизотопная батарея или радиоизотопный генератор использует энергию распада радиоактивного изотопа для выработки электроэнергии . Как и ядерный реактор , он вырабатывает электроэнергию из ядерной энергии, но отличается тем, что не использует цепную реакцию . Хотя их обычно называют батареями , атомные батареи технически не являются электрохимическими и не могут заряжаться или перезаряжаться. Хотя они очень дороги, они 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 длительного времени, такого как космические корабли , кардиостимуляторы , подводные системы и автоматизированные научные станции в отдаленных частях мира. [1] [2] [3]

Ядерные батареи появились в 1913 году, когда Генри Мозли впервые продемонстрировал ток, генерируемый излучением заряженных частиц. В 1950-х и 1960-х годах эта область исследований привлекла большое внимание из-за приложений, требующих долговечных источников питания для космических аппаратов. В 1954 году RCA исследовала небольшую атомную батарею для небольших радиоприемников и слуховых аппаратов. [4] Со времени первых исследований и разработок RCA в начале 1950-х годов было разработано много типов и методов для извлечения электрической энергии из ядерных источников. Научные принципы хорошо известны, но современная нанотехнология и новые широкозонные полупроводники позволили создать новые устройства и интересные свойства материалов, которые ранее были недоступны.

Ядерные батареи можно классифицировать по способу преобразования энергии на две основные группы: тепловые преобразователи и нетепловые преобразователи . Тепловые типы преобразуют часть тепла, выделяемого при ядерном распаде, в электричество; примером является радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), часто используемый в космических аппаратах. Нетепловые преобразователи, такие как бета-вольтаические элементы , извлекают энергию непосредственно из испускаемого излучения, прежде чем она преобразуется в тепло; их легче миниатюризировать, и для их работы не требуется температурный градиент, поэтому их можно использовать в небольших машинах.

Атомные батареи обычно имеют эффективность 0,1–5%. Высокоэффективные бета-вольтаические устройства могут достигать эффективности 6–8%. [5]

Термическое преобразование

Термоионное преобразование

Термоионный преобразователь состоит из горячего электрода, который термоионно испускает электроны через барьер пространственного заряда на более холодный электрод, производя полезную выходную мощность. Пары цезия используются для оптимизации рабочих функций электрода и обеспечивают подачу ионов (путем поверхностной ионизации ) для нейтрализации электронного пространственного заряда . [6]

Термоэлектрическое преобразование

Радиоизотопный кардиостимулятор, разрабатываемый Комиссией по атомной энергии, около 1967 года.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) использует термопары . Каждая термопара образована из двух проводов из разных металлов (или других материалов). Температурный градиент по длине каждого провода создает градиент напряжения от одного конца провода к другому; но разные материалы создают разные напряжения на градус разницы температур. Соединяя провода на одном конце, нагревая этот конец, но охлаждая другой, между несоединенными концами провода создается полезное, но небольшое (милливольты) напряжение. На практике многие из них соединены 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 низкую теплоэлектрическую эффективность. Однако плотность носителей и заряд можно регулировать в полупроводниковых материалах, таких как теллурид висмута и кремний-германий, для достижения гораздо более высокой эффективности преобразования. [7]

Термофотоэлектрическое преобразование

Термофотоэлектрические (TPV) элементы 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 могут быть наложены на термоэлектрические пары, потенциально удваивая эффективность. Усилия по разработке технологии преобразования энергии радиоизотопов TPV в Университете Хьюстона направлены на объединение термофотоэлектрических элементов одновременно с термопарами для обеспечения 3-4-кратного улучшения эффективности системы по сравнению с текущими термоэлектрическими радиоизотопными генераторами. [ необходима цитата ]

Генераторы Стирлинга

Радиоизотопный генератор Стирлинга — это двигатель Стирлинга , работающий за счет разницы температур, создаваемой радиоизотопом. Более эффективная версия, усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга , разрабатывалась NASA , но была отменена в 2013 году из-за масштабного перерасхода средств. [8]

Нетермическое преобразование

Нетепловые преобразователи извлекают энергию из испускаемого излучения до того, как она преобразуется в тепло. В отличие от термоэлектрических и термоионных преобразователей их выход не зависит от разницы температур. Нетепловые генераторы можно классифицировать по типу используемых частиц и по механизму, посредством которого преобразуется их энергия.

Электростатическое преобразование

Энергия может быть извлечена из испускаемых заряженных частиц , когда их заряд накапливается в проводнике , создавая таким образом электростатический потенциал . Без режима рассеивания напряжение может увеличиваться до энергии излучаемых частиц, которая может варьироваться от нескольких киловольт (для бета-излучения) до мегавольт (альфа-излучение). Накопленная электростатическая энергия может быть превращена в полезное электричество 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. Пространство может быть как вакуумным, так и диэлектрическим . Могут использоваться отрицательно заряженные бета-частицы или положительно заряженные альфа-частицы , позитроны или осколки деления . Хотя эта форма ядерно-электрического генератора восходит к 1913 году, в прошлом было найдено мало применений для чрезвычайно низких токов и неудобно высоких напряжений, обеспечиваемых генераторами прямой зарядки. Системы осциллятора/трансформатора используются для снижения напряжений, затем выпрямители используются для преобразования переменного тока обратно в постоянный ток.

Английский физик Х. Г. Дж. Мозели построил первый из них. Аппарат Мозели состоял из стеклянного шара, посеребренного изнутри, с радиевым излучателем, установленным на конце проволоки в центре. Заряженные частицы из радия создавали поток электричества, поскольку они быстро двигались от радия к внутренней поверхности сферы. Еще в 1945 году модель Мозели направляла другие усилия по созданию экспериментальных батарей, вырабатывающих электричество из выбросов радиоактивных элементов.

Электромеханическое преобразование

Электромеханические атомные батареи используют накопление заряда между двумя пластинами, чтобы притянуть одну сгибаемую пластину к другой, пока две пластины не соприкоснутся, не разрядятся, не уравновесят накопление электростатического заряда и не отскочат назад. Производимое механическое движение может быть использовано для производства электроэнергии путем изгибания пьезоэлектрического материала или через линейный генератор. Милливатт мощности вырабатывается импульсами в зависимости от скорости заряда, в некоторых случаях несколько раз в секунду (35 Гц). [9]

Радиоэлектрическое преобразование

Радиовольтаическое (RV) 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 (AV, αV), бетавольтаическими (BV, βV) и/или гаммавольтаическими (GV, γV). Бетавольтаика традиционно привлекала наибольшее внимание, поскольку (низкоэнергетические) бета-излучатели вызывают наименьшее количество радиационных повреждений, что обеспечивает более длительный срок службы и меньшее экранирование. Интерес к альфавольтаическим и (в последнее время) гаммавольтаическим устройствам обусловлен их потенциально более высокой эффективностью.

Альфа-вольтаическое преобразование

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

Бетавольтаическое преобразование

Бетавольтаические устройства используют полупроводниковый переход для производства электроэнергии из энергичных бета-частиц ( электронов ). Обычно используемый источник - изотоп водорода тритий , который используется в батареях NanoTritium от City Labs .

Бетавольтаические устройства особенно хорошо подходят для маломощных электрических приложений, где требуется длительный срок службы источника энергии, например, для имплантируемых медицинских устройств или военных и космических приложений. [12]

Китайский стартап Betavolt заявил в январе 2024 года, что у него есть миниатюрное устройство на стадии пилотного тестирования. [13] Оно якобы генерирует 100 микроватт мощности и напряжение 3 В и имеет срок службы 50 лет без какой-либо необходимости в зарядке или обслуживании. [13] Betavolt утверждает, что это первое такое миниатюрное устройство, когда-либо разработанное. [13] Оно получает свою энергию от изотопа никеля-63 , который содержится 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 электроэнергии из энергичных гамма-частиц (высокоэнергетических фотонов ). Они были рассмотрены только в 2010-х годах [17] [18] [19] [20], но были предложены еще в 1981 году. [21]

Гамма-вольтаический эффект был зарегистрирован в перовскитных солнечных элементах . [17] Другая запатентованная конструкция включает в себя рассеивание гамма-частицы до тех пор, пока ее энергия не уменьшится достаточно для поглощения в обычном фотоэлектрическом элементе. [18] Также исследуются гамма-вольтаические конструкции с использованием алмаза и диодов Шоттки . [19] [20]

Радиофотоэлектрическое (оптоэлектрическое) преобразование

В радиофотоэлектрическом (RPV) устройстве преобразование энергии происходит косвенно: испускаемые частицы сначала преобразуются в свет с помощью радиолюминесцентного материала ( сцинтиллятора или фосфора ), а затем свет преобразуется в электричество с помощью фотоэлектрического элемента . В зависимости от типа целевой частицы тип преобразования может быть более точно определен как альфафотоэлектрический (APV или α-PV), [22] бетафотоэлектрический (BPV или β-PV) [23] или гаммафотоэлектрический (GPV или γ-PV). [24]

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

Кардиостимуляторы

Medtronic и Alcatel разработали работающий на плутонии кардиостимулятор Numec NU-5, работающий от 2,5 Ки плутония-238, впервые имплантированного пациенту в 1970 году. Ожидается, что 139 ядерных кардиостимуляторов Numec NU-5, имплантированных в 1970-х годах, никогда не потребуют замены, что является преимуществом по сравнению с неядерными кардиостимуляторами, которые требуют хирургической замены батарей каждые 5–10 лет. Ожидается, что плутониевые «батареи» будут вырабатывать достаточно энергии, чтобы управлять цепью дольше, чем 88-летний период полураспада плутония-238. [26] [27] [28] [29] Последнее из этих устройств было имплантировано в 1988 году, поскольку литиевые кардиостимуляторы, ожидаемый срок службы которых составлял 10 или более лет без недостатков, связанных с радиацией и нормативными препятствиями, сделали эти устройства устаревшими.

Бета-вольтаические батареи также рассматриваются как долговечные источники питания для кардиостимуляторов без свинца. [30]

Радиоизотопы, используемые

Атомные батареи используют радиоизотопы, которые производят низкоэнергетические бета-частицы или иногда альфа-частицы различных энергий. Низкоэнергетические бета-частицы необходимы для предотвращения производства высокоэнергетического проникающего тормозного излучения, которое потребовало бы мощной защиты. Были испытаны такие радиоизотопы, 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 проблемы химических свойств и доступности. Продукт, намеренно произведенный с помощью нейтронного облучения или в ускорителе частиц, сложнее получить, чем продукт деления, легко извлекаемый из отработанного ядерного топлива .

Плутоний-238 должен быть намеренно получен путем нейтронного облучения нептуния-237, но его можно легко преобразовать в стабильную керамику из оксида плутония. Стронций-90 легко извлекается из отработанного ядерного топлива, но его необходимо преобразовать в перовскитную форму титаната стронция, чтобы снизить его химическую подвижность, что вдвое сократит плотность мощности. Цезий-137, еще один высокопродуктивный продукт ядерного деления, редко используется в атомных батареях, поскольку его трудно преобразовать в химически инертные вещества. Еще одним нежелательным свойством Cs-137, извлеченного из отработанного ядерного топлива, является то, что он загрязнен другими изотопами цезия , которые еще больше снижают плотность мощности.

Микро-батареи

В области микроэлектромеханических систем ( MEMS ) инженеры-атомщики из Университета Висконсина в Мэдисоне исследовали возможности производства миниатюрных батарей, которые используют радиоактивные ядра таких веществ, как полоний или кюрий, для производства электроэнергии. [ требуется цитата ] В качестве примера интегрированного, автономного приложения исследователи создали колеблющуюся консольную балку, которая способна совершать последовательные периодические колебания в течение очень длительных периодов времени без необходимости дозаправки. Текущая работа показывает, что эта консоль способна передавать радиочастоты, позволяя устройствам MEMS общаться друг с другом по беспроводной сети.

Эти микробатареи очень легкие и вырабатывают достаточно энергии, чтобы служить источником питания для использования в устройствах MEMS, а также для питания наноустройств. [32]

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ «Ядерная батарея размером и толщиной с пенни». Gizmag , 9 октября 2009 г.
  2. ^ «Представлены крошечные «ядерные батареи». BBC News , четверг, 8 октября 2009 г.
  3. ^ "NanoTritium™ Battery Technology". City Labs . Получено 25 мая 2023 г.
  4. ^ «Атомная батарея преобразует радиоактивность непосредственно в электричество». Popular Mechanics , апрель 1954 г., стр. 87.
  5. ^ "Термоэлектрические генераторы". electronicbus.com . Архивировано из оригинала 10 января 2016 года . Получено 23 февраля 2015 года .
  6. ^ Фицпатрик, ГО (19 мая 1987 г.). "Термоионный преобразователь". Офис научной и технической информации . OSTI  6377296.
  7. ^ Маккой, Дж. К. (октябрь 1995 г.). Обзор программы по транспортной системе радиоизотопного термоэлектрического генератора . STAIF 96: международный форум по космическим технологиям и их применению, 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). «Pervasive Power:A Radioisotope-Powered Piezoelectric Generator» (PDF) . IEEE Pervasive Computing . 4 : 53–61. doi :10.1109/MPRV.2005.21. S2CID  18891519. Архивировано из оригинала (PDF) 21 июня 2007 г.
  10. ^ NASA Glenn Research Center, Alpha- and Beta-voltaics Архивировано 18 октября 2011 г. на Wayback Machine (дата обращения 4 октября 2011 г.)
  11. ^ Шейла Г. Бейли, Дэвид М. Уилт, Райн П. Раффаэль и Стефани Л. Кастро, Исследования конструкций источников питания альфа-вольтаического типа. Архивировано 16 июля 2010 г. в Wayback Machine , Исследования и технологии 2005 г., NASA TM-2006-214016 (дата обращения 4 октября 2011 г.)
  12. ^ "Тритиевые батареи как источник ядерной энергии". City Labs . Получено 25 мая 2023 г.
  13. ^ abc Энтони Катбертсон (12 января 2024 г.). «Ядерная батарея вырабатывает энергию в течение 50 лет без необходимости зарядки». The Independent . Получено 14 января 2024 г. .
  14. ^ ab Mark Tyson (13 января 2024 г.). «Китайская ядерная батарея имеет срок службы 50 лет — Betavolt BV100, изготовленный из изотопа никеля-63 и алмазного полупроводникового материала». Tom's Hardware . Получено 17 января 2024 г.
  15. ^ «Betavolt утверждает, что ее алмазная ядерная батарея может питать устройства в течение 50 лет». Дэвид Зонди для New Atlas, 16 января 2024 г. Доступ 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. ^ ab Хироши Сегава; Людмила Кожокару; Сатоши Учида (7 ноября 2016 г.). «Гаммавольтаические свойства перовскитных солнечных элементов — на пути к новому ядерному производству энергии». Труды Международной конференции по гибридной и органической фотовольтаике в Азиатско-Тихоокеанском регионе . Получено 1 сентября 2020 г.
  18. ^ ab 20180350482, Райан, Майкл Дойл, "Гамма-вольтаический элемент", выпущено 2018-12-06 
  19. ^ ab MacKenzie, Gordon (октябрь 2017 г.). "Алмазная гамма-вольтаическая ячейка". UK Research and Innovation .
  20. ^ ab Mackenzie, Robbie (19 июня 2020 г.). «Алмазные гамма-вольтаические ячейки для безсмещенной гамма-дозиметрии». South West Nuclear Hub . Получено 1 сентября 2020 г.
  21. ^ "Популярная наука". Январь 1981.
  22. ^ Purbandari, Dessy; Ferdiansjah, Ferdiansjah; Sujitno, Tjipto (2019). «Оптимизация альфа-энергии, депонированной в тонкой пленке радиолюминесценции для альфа-фотоэлектрического применения». Труды Международной конференции по науке и технике . 2 : 41–44. doi : 10.14421/icse.v2.52 . S2CID  141390756.
  23. ^ Берман, Вероника; Литц, Марк Стюарт; Руссо, Джонни (2018). «Исследование деградации электрической мощности в источниках питания бета-фотоэлектрических (βPV) и бета-вольтаических (βV) с использованием 63Ni и 147Pm». Центр технической информации Министерства обороны . S2CID  139545450.
  24. ^ LIAKOS, John K. (1 декабря 2011 г.). «Управляемые гамма-лучами фотоэлектрические ячейки через сцинтилляционный интерфейс». Журнал ядерной науки и технологий . 48 (12): 1428–1436. doi : 10.1080/18811248.2011.9711836 . ISSN  0022-3131. S2CID  98136174.
  25. ^ Го, Сяо; Лю, Юньпэн; Сюй, Чжихэн; Цзинь, Чжанган; Лю, Кай; Юань, Цзычэн; Гун, Пин; Тан, Сяобинь (1 июня 2018 г.). «Многоуровневые радиоизотопные батареи на основе источника γ 60Co и радиоэлектрические/радиофотоэлектрические двойные эффекты». Датчики и приводы A: Физические . 275 : 119–128. doi :10.1016/j.sna.2018.04.010. ISSN  0924-4247. S2CID  117568424.
  26. ^ «Мемуары MedTech: Кардиостимулятор на основе плутония».
  27. ^ «Ядерный кардиостимулятор все еще активен спустя 34 года».
  28. ^ RL Shoup. «Ядерные кардиостимуляторы».
  29. ^ Crystal Phend. «Дополнительный срок службы батареи не всегда является плюсом для кардиостимулятора на ядерном топливе».
  30. ^ "Батареи для кардиостимуляторов без выводов". City Labs . Получено 25 мая 2023 г.
  31. ^ Bindu, KC; Harmon, Frank; Starovoitova, Valeriia; Stoner, Jon; Wells, Douglas (2013). «Оптимизация коммерческого фотоядерного производства радиоизотопов». Труды конференции AIP . 1525 (1): 407–411. Bibcode : 2013AIPC.1525..407B. doi : 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 выстреливают в отрицательный полюс батареи.

Внешние ссылки