Atominė baterija šiuolaikiniame pasaulyje

Mokslas šiuo metu sparčiai vystosi ir progresuoja. Branduolinė baterija jau išrasta. Toks energijos šaltinis gali tarnauti iki 50, o kartais ir iki 100 metų. Viskas priklauso nuo dydžio ir naudojamos radioaktyviosios medžiagos.

„Rosatom“ pirmoji paskelbė apie branduolinės baterijos gamybą. 2017 m. bendrovė parodoje pristatė prototipą.

Tyrėjams pavyko optimizuoti branduolinės baterijos, kurioje elektrai gaminti naudojamas nikelio-63 izotopo beta skilimas, sluoksnius.

1 grame šios medžiagos yra 3300 milivatvalandžių.

Kaip veikia atominė baterija

Atominė baterija, dar žinoma kaip radioizotopinis šilumos generatorius (RIHG), yra energijos šaltinis, kuris naudoja radioaktyviųjų izotopų skilimo procesą šilumai generuoti ir, savo ruožtu, paverčia ją elektros energija.

Atominės baterijos veikimo principas pagrįstas radioaktyviuoju skilimu, kurio metu atomų branduoliai skyla, išskirdami daleles ir energiją. Viena iš dažniausiai atominėse baterijose naudojamų medžiagų yra plutonis-238, kurio pusėjimo trukmė ilga. Plutonis-238 skyla į uraną-234, išskirdamas alfa daleles. Šios dalelės turi daug energijos, kuri sąveikaudama su aplinka paverčiama šiluma.

Šilumos generavimas yra pagrindinis atominės baterijos veikimo etapas. Šiluma per šilumokaitį perduodama į termoelektrinį keitiklį. Šiame keitiklyje yra medžiagų, galinčių generuoti elektros srovę esant temperatūrų skirtumui. Taigi, šiluma iš plutonio-238 radioaktyvaus skilimo perduodama į vieną termoelektrinio keitiklio pusę, sukuriant temperatūrų skirtumą tarp jo dviejų pusių. Šis temperatūrų skirtumas leidžia generuoti elektros energiją naudojant Seebecko termoelektrinį efektą.

Termoelektrinio keitiklio generuojama elektros energija naudojama elektros prietaisams maitinti. Pagrindinis atominių baterijų privalumas yra tas, kad jos užtikrina stabilų, ilgalaikį energijos šaltinį, kurio daugelį metų nereikia keisti ar įkrauti. Tačiau dėl radioaktyviųjų medžiagų naudojimo atominės baterijos kelia tam tikrą riziką ir reikalauja specialių saugos priemonių naudojimo bei tvarkymo metu.

 

Ar branduolinės baterijos yra pavojingos?

Kūrėjai teigia, kad šios baterijos yra visiškai saugios paprastiems žmonėms. Taip yra dėl gerai suprojektuoto korpuso.

Yra žinoma, kad beta spinduliuotė kenkia organizmui. Tačiau naujai sukurtoje branduolinėje baterijoje ji yra minkšta ir bus absorbuojama energijos elemento.

Šiuo metu ekspertai nustato kelias pramonės šakas, kuriose planuojama naudoti Rusijos A123 branduolinę bateriją:

1. Vaistas.
2. Kosmoso pramonė.
3. Pramonė.
4. Transportas.

Be šių sričių, nauji ilgalaikiai energijos šaltiniai gali būti naudojami ir kitose srityse.

Branduolinės baterijos privalumai

Išskiriamos kelios teigiamos savybės:

• Patvarumas. Jie gali tarnauti iki 100 000 metų.
• Gebėjimas atlaikyti kritines temperatūras.
• Dėl mažo dydžio juos galima nešiotis ir naudoti kompaktiškoje įrangoje.

Branduolinės baterijos trūkumai

• Gamybos sudėtingumas.
• Ypač jei pažeistas korpusas, kyla radiacijos poveikio rizika.
• Brangus. Viena branduolinė baterija gali kainuoti nuo 500 000 iki 4 500 000 rublių.
• Prieinama ribotam asmenų ratui.
• Mažas pasirinkimas.

Branduolinių baterijų tyrimus ir plėtrą vykdo ne tik didelės įmonės, bet ir paprasti studentai. Pavyzdžiui, Tomske studentas sukūrė savo branduolinę bateriją, kuri gali veikti maždaug 12 metų be įkrovimo. Išradimas pagrįstas tričio skilimu. Šios baterijos charakteristikos laikui bėgant išlieka nepakitusios.

Branduolinė baterija išmaniesiems telefonams

Nuo 2019 m. gaminami branduoliniai energijos šaltiniai telefonams. Jie atrodo taip, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.

Jie primena mikroschemą, kuri įstatoma į specialius mobiliojo telefono lizdus. Tokia baterija gali tarnauti 20 metų ir jos nereikia per tą laiką įkrauti. Tai įmanoma dėl branduolio dalijimosi proceso. Tačiau šis energijos šaltinis daugeliui gali kelti nerimą. Juk visi žino, kad radiacija yra kenksminga ir žalinga organizmui. Ir mažai kam patiktų nešiotis tokį telefoną visą dieną.

Tačiau mokslininkai teigia, kad ši branduolinė baterija yra visiškai saugi. Kaip veiklioji medžiaga naudojamas tritis. Jo skilimo metu skleidžiama spinduliuotė yra nekenksminga. Tričio veikimą galite pamatyti ant tamsoje šviečiančio kvarcinio laikrodžio. Baterija gali atlaikyti iki -50 °C temperatūrą ir patikimai veikia net iki 150 °C temperatūroje.⁰Tuo pačiu metu nebuvo pastebėta jokių jo darbo svyravimų.

Būtų malonu turėti tokią bateriją po ranka, bent jau norint įkrauti telefoną įprasta baterija.

Tokios baterijos įtampa svyruoja nuo 0,8 iki 2,4 volto. Ji taip pat generuoja nuo 50 iki 300 nanoamperų. Ir visa tai vyksta per 20 metų laikotarpį.

Talpa apskaičiuojama taip: C = 0,000001 W * 50 metų * 365 dienos * 24 valandos / 2 V = 219 mA

Šiuo metu baterijos vertė siekia 1 122 USD. Konvertavus į rublius pagal dabartinį valiutos kursą (65,42), tai būtų 73 400 rublių.

Kur naudojamos branduolinės baterijos?

Taikymo sritis praktiškai tokia pati kaip įprastų baterijų. Jie naudojami:

• Mikroelektronika.
• Slėgio ir temperatūros jutikliai.
• Implantai.
• Kaip ličio baterijų išorinės baterijos.
• Identifikavimo sistemos.
• Valandos.
• SRAM atmintis.
• Mažos galios procesorių, tokių kaip FPGA, ASIC, maitinimui.

Tai ne vieninteliai įrenginiai; jų sąrašas ateityje gerokai išsiplės.

Nikelio-63 branduolinė baterija ir jos charakteristikos

Šis branduolinis energijos šaltinis, pagrįstas 63 izotopu, gali tarnauti iki 50 metų. Jis veikia beta-voltos efektu. Jis beveik identiškas fotoelektriniam efektui. Šio efekto metu puslaidininkinės kristalinės gardelės elektronų ir skylių poras sukuria greiti elektronai arba beta dalelės. Fotoelektrinio efekto metu jos sukuriamos fotonų veikimu.

Nikelio-63 atominė baterija gaminama apšvitinant nikelio-62 taikinius reaktoriuje. Tyrėjas Gavrilovas teigia, kad šis procesas trunka apie metus. Reikalingi taikiniai jau yra Železnogorske.

Jei palyginsime naujas rusiškas nikelio-63 branduolines baterijas su ličio jonų baterijomis, jos bus 30 kartų mažesnės.

Ekspertai teigia, kad šie energijos šaltiniai yra saugūs žmonėms, nes jie skleidžia silpnus beta spindulius. Be to, jie neišskiriami į išorę, o lieka prietaiso viduje.

Šis maitinimo šaltinis šiuo metu idealiai tinka medicininiams širdies stimuliatoriams. Tačiau kūrėjai neatskleidė kainos. Vis dėlto, ją galima apskaičiuoti ir be jų. Vienas gramas Ni-63 šiuo metu kainuoja maždaug 4000 USD. Todėl pilnai veikiančiai baterijai reikėtų didelių investicijų.

Branduolinės baterijos sudėtis

Nikelis-63 išgaunamas iš deimantų. Tačiau norint gauti šį izotopą, reikėjo sukurti naują technologiją, skirtą patvarios deimantinės medžiagos pjovimui.

Branduolinę bateriją sudaro emiteris ir kolektorius, atskirti specialia plėvele. Radioaktyviajam elementui skylant, jis skleidžia beta spinduliuotę. Dėl to jis įgyja teigiamą krūvį. Tuo pačiu metu kolektorius įkraunamas neigiamai. Tai sukuria potencialų skirtumą, generuojančią elektros srovę.

Iš esmės mūsų atominis energijos elementas yra sluoksniuotas pyragas. 200 nikelio-63 energijos šaltinių yra įsprausti tarp 200 deimantinių puslaidininkių. Maitinimo šaltinis yra maždaug 4 mm aukščio ir sveria 250 miligramų. Mažas jo dydis yra didelis Rusijos atominės baterijos privalumas.

Rasti tinkamus matmenis yra sunku. Storas izotopas neleis jo gaminamiems elektronams ištrūkti. Plonas izotopas yra nepalankus, nes sumažina beta skilimų skaičių per laiko vienetą. Tas pats pasakytina ir apie puslaidininkio storį. Baterija geriausiai veikia, kai izotopo storis yra apie 2 mikronus, o deimantiniam puslaidininkiui reikia 10 mikronų.

Tačiau tai, ką mokslininkai pasiekė iki šiol, nėra riba. Išmetamųjų teršalų kiekis galėtų padidėti bent tris kartus. Tai reiškia, kad branduolinė baterija galėtų būti pagaminta tris kartus pigiau.

Anglies-14 branduolinė baterija, kurios veikimo laikas yra 100 metų.

Ši atominė baterija turi šiuos pranašumus, palyginti su kitais spinduliuotės energijos šaltiniais:

1. Pigumas.
2. Draugiškas aplinkai.
3. Ilgas tarnavimo laikas iki 100 metų.
4. Mažas toksiškumas.
5. Saugumas.
6. Gebėjimas veikti ekstremaliomis temperatūros sąlygomis.

Radioaktyviojo izotopo anglies-14 pusėjimo trukmė yra 5700 metų. Jis yra visiškai netoksiškas ir nebrangus.

Ne tik JAV ir Rusija, bet ir kitos šalys aktyviai dirba modernizuodamos branduolines baterijas! Tyrėjai išmoko auginti plėvelę ant karbido pagrindo. Dėl to pagrindo kaina sumažėjo 100 kartų. Ši struktūra yra atspari radiacijai, todėl šis energijos šaltinis yra saugus ir patvarus. Naudojant silicio karbidą branduolinėse baterijose, galima pasiekti veikimą 350 laipsnių Celsijaus temperatūroje.

Taigi, mokslininkams pavyko savo rankomis sukurti atominę bateriją!