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 . Распространенным источником является изотоп водорода тритий . В отличие от большинства ядерных источников энергии, которые используют ядерное излучение для генерации тепла, которое затем используется для генерации электроэнергии, бетавольтаические устройства используют нетермический процесс преобразования, преобразуя пары электрон-дырка, созданные ионизационным следом бета-частиц, проходящих через полупроводник. [1]
Бета-вольтаические источники питания (и связанная с ними технология альфа-вольтаических источников питания [2] ) особенно хорошо подходят для маломощных электрических приложений , где требуется длительный срок службы источника энергии, например, для имплантируемых медицинских устройств или военных и космических приложений. [1]
Бетавольтаика была изобретена в 1970-х годах. [3] Некоторые кардиостимуляторы в 1970-х годах использовали бетавольтаику на основе прометия , [4] но были сняты с производства, поскольку были разработаны более дешевые литиевые батареи. [1]
Ранние полупроводниковые материалы не были эффективны в преобразовании электронов из бета-распада в пригодный для использования ток, поэтому использовались более высокоэнергетические, более дорогие и потенциально опасные изотопы . Более эффективные полупроводниковые материалы, используемые с 2019 года [5], могут быть объединены с относительно безопасными изотопами, такими как тритий, которые производят меньше радиации. [1][обновлять]
Бетацель , разработанный Ларри С. Олсеном , был одним из первых и наиболее успешных коммерческих бета-вольтаических аккумуляторов и впоследствии лег в основу конструкции современных бета-вольтаических устройств, таких как нанотритиевые аккумуляторы .
Основное применение бета-вольтаики — это удаленное и долгосрочное использование, например, космические аппараты , которым требуется электропитание в течение десятилетия или двух. Недавний прогресс побудил некоторых предложить использовать бета-вольтаику для подзарядки обычных батарей в потребительских устройствах, таких как сотовые телефоны и ноутбуки . [6] [ ненадежный источник? ] Еще в 1973 году бета-вольтаику предлагали использовать в долгосрочных медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы . [4]
В 2018 году была представлена российская разработка на основе пластин никеля-63 толщиной 2 мкм , зажатых между слоями алмаза толщиной 10 мкм. Она выдавала выходную мощность около 1 мкВт при плотности мощности 10 мкВт /см3 . Плотность энергии составляла 3,3 кВт·ч/кг. Период полураспада никеля-63 составляет 100 лет. [7] [8] [9]
В статье 2019 года была указана жизнеспособность бета-вольтаических устройств в высокотемпературных средах, превышающих 733 К (460 °C; 860 °F), таких как поверхность 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 предлагает нетепловое преобразование. [11]
Прототип бета-вольтаической батареи, анонсированный в начале 2024 года китайской компанией Betavolt , содержит тонкую пластину, обеспечивающую источник бета-частиц электронов ( углерода-14 или никеля-63 ), зажатую между двумя тонкими кристаллографическими слоями алмазного полупроводника. [12] [13] Китайский стартап утверждает, что миниатюрное устройство находится на стадии пилотных испытаний. [14] Представленное в январе 2024 года, оно, как утверждается, генерирует 100 микроватт мощности и напряжение 3 В и имеет срок службы 50 лет без какой-либо необходимости в зарядке или обслуживании. [14] Betavolt утверждает, что это первое такое миниатюрное устройство, когда-либо разработанное. [14] Оно получает свою энергию от листа никеля-63, расположенного в модуле размером с очень маленькую монету. [12] [14] Изотоп распадается на стабильный, нерадиоактивный Cu-63 , который не представляет дополнительной угрозы для окружающей среды.
Поскольку радиоактивный материал испускает радиацию, его активность медленно снижается (см. период полураспада ). Таким образом, со временем бета-вольтаическое устройство будет вырабатывать меньше энергии. 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 начальные свойства учитывают желаемый срок службы.
Ответственность, связанная с экологическими законами и воздействием трития и его бета-распада на человека , также должна приниматься во внимание при оценке риска и разработке продукта . Естественно, это увеличивает как время выхода на рынок , так и и без того высокую стоимость, связанную с тритием. В отчете Консультативной группы по ионизирующему излучению Агентства по охране здоровья правительства Великобритании за 2007 год было заявлено, что риски для здоровья от воздействия трития в два раза превышают ранее установленные Международной комиссией по радиологической защите, расположенной в Швеции. [15]
Поскольку радиоактивный распад невозможно остановить, ускорить или замедлить, нет способа «выключить» батарею или отрегулировать ее выходную мощность. Для некоторых приложений это не имеет значения, но для других потребуется резервная химическая батарея для хранения энергии, когда она не нужна, для тех случаев, когда она нужна. Это снижает преимущество высокой плотности мощности.
Бетавольтаические ядерные батареи можно приобрести в коммерческих целях. Устройства, доступные по состоянию на 2012 год, включали 100 мкВт тритийное устройство весом 20 граммов [16]
Хотя бета-вольтаика использует радиоактивный материал в качестве источника энергии, бета-частицы имеют низкую энергию и легко останавливаются несколькими миллиметрами экранирования . При правильной конструкции устройства (то есть надлежащем экранировании и сдерживании) бета-вольтаическое устройство не будет испускать опасное излучение. Утечка закрытого материала может создать риски для здоровья, так же как утечка материалов в других типах батарей (таких как литий , кадмий и свинец ) приводит к значительным проблемам со здоровьем и окружающей средой. [17] Безопасность может быть дополнительно повышена путем преобразования используемого радиоизотопа в химически инертную и механически стабильную форму, что снижает риск рассеивания или биоаккумуляции в случае утечки.
Из-за высокой плотности энергии радиоизотопов (радиоизотопы имеют на порядки большую плотность энергии, чем химические источники энергии, но гораздо меньшую плотность мощности. Плотность мощности радиоизотопа обратно пропорциональна его периоду полураспада. Более короткий период полураспада = более высокая плотность мощности.) и необходимости обеспечения надежности прежде всего во многих приложениях бета-вольтаики, сравнительно низкая эффективность приемлема. Современные технологии допускают однозначные проценты эффективности преобразования энергии из входных бета-частиц в выходную электроэнергию, но исследования по повышению эффективности продолжаются. [18] [19] Для сравнения, тепловой КПД в диапазоне 30% считается относительно низким для новых крупных тепловых электростанций, а современные электростанции с комбинированным циклом достигают 60% и более эффективности, если измерять выход электроэнергии на единицу подводимого тепла. [20] Если бета-вольтаическое устройство используется как радиоизотопный нагревательный блок, оно фактически является установкой когенерации и достигает гораздо более высокой общей эффективности, поскольку большая часть отходящего тепла полезна. Подобно фотоэлектрическим устройствам , предел Шокли-Квайссера также накладывает абсолютный предел на бета-электрические устройства с одной запрещенной зоной . [21]
Поскольку наибольшая энергия, которую можно извлечь из одной ЭДП, равна энергии запрещенной зоны, конечную эффективность бета-батареи можно оценить как:
где и - ширина запрещенной зоны полупроводника и энергия создания пары электрон-дырка соответственно. Известно, что энергия для создания одной EHP бета-частицей линейно масштабируется с шириной запрещенной зоны, как и с A и B, в зависимости от характеристик полупроводника. [22]
