Кіріспе

Радиоизотоптық ыдыраудан электр энергиясын өндіретін құрылғылар, радиоактивті изотоптарды өндіру.

Атомдық батарея, ядролық батарея, радиоизотоптық батарея немесе радиоизотоп генераторы – электр энергиясын өндіру үшін радиоактивті изотоптың ыдырауынан түсетін энергияны пайдаланатын құрылғы. Ядролық реакторлар сияқты, олар да ядролық энергиядан электр энергиясын өндіреді, бірақ тізбекті реакцияны қолданбайды. Көбінесе батарея деп аталғанымен, олар техникалық тұрғыдан электрохимиялық емес және оларды зарядтауға немесе қайта зарядтауға болмайды. Олар өте қымбатқа түседі, бірақ өте ұзақ қызмет етеді және жоғары энергия тығыздығына ие, сондықтан олар көбінесе ғарыш кемелері, кардиостимуляторлар, су асты жүйелері және әлемнің шалғай аймақтарындағы автоматтандырылған ғылыми станциялар сияқты ұзақ уақыт бойы күтімсіз жұмыс істеуі тиіс жабдықтар үшін қуат көзі ретінде қолданылады. Ядролық батарея технологиясы 1913 жылы Генри Мозли зарядталған бөлшектердің сәулеленуінен туындаған токты алғаш рет көрсеткен кезде басталды. 1950-1960 жылдары ғарыш қажеттіліктері үшін ұзақ қызмет ететін қуат көздерін қажет ететін салаларға едәуір зерттеулер жүргізілді. 1954 жылы RCA кішкентай радиоқабылдағыштар мен есту аппараттары үшін кішкентай атомдық батареяны зерттеді. RCA-ның 1950 жылдардың басындағы алғашқы зерттеулері мен әзірлемелерінен бастап, ядролық көздерден электр энергиясын алу үшін көптеген түрлер мен әдістер құрастырылды. Ғылыми принциптер жақсы белгілі, бірақ қазіргі заманғы наноөлшемді технология және жаңа кең жолақты жартылай өткізгіштер бұрын қол жетімсіз жаңа құрылғылар мен қызықты материалдық қасиеттерді жасады. Ядролық батареяларды энергияны түрлендіру технологиясы бойынша екі негізгі топқа бөлуге болады: жылу түрлендіргіштер және жылу емес түрлендіргіштер. Жылу түрлендіргіштер ядролық ыдыраудан пайда болатын жылудың бір бөлігін электр энергиясына айналдырады. Ең танымал мысалы – ғарыш кемелерінде жиі қолданылатын радиоизотоптық термоэлектрлік генератор (RTG). Жылу емес түрлендіргіштер энергияны сәулеленуден тікелей алады, оны жылуға айналдырмастан. Оларды кішірейту оңай және жұмыс істеу үшін жылу градиенті қажет болмайды, сондықтан олар кішкентай масштабтағы қолданулар үшін қолайлы. Ең танымал мысалы – бетавольттік элемент. Атомдық батареялардың тиімділігі 0,1–5% аралығында болады. Жоғары тиімділіктегі бетавольттік құрылғылар 6–8% тиімділікке жете алады.

Термиондық түрлендіру

Термиондық конвертер ыстық электродтан тұрады, ол кеңістік зарядының кедергісінен электрондарды термиондық эмиссия арқылы суық электродқа жібереді, нәтижесінде пайдалы қуат шығарылады. Цезий буы электродтардың жұмыс функцияларын оңтайландыру және электрондық кеңістік зарядын бейтараптандыру үшін (беттік иондау арқылы) ион көзі ретінде қолданылады.

Термоэлектрлік түрлендіру

Радиоизотоптық термоэлектрлік генератор (РТГ) терможұптарды пайдаланады. Әрбір терможұп әртүрлі металдардан (немесе басқа материалдардан) жасалған екі сымнан тұрады. Сымның бойымен температура градиенті сымның бір ұшынан екінші ұшына дейін кернеу градиентін тудырады; бірақ әртүрлі материалдар температура айырмашылығының әр градусына сәйкес әртүрлі кернеу шығарады. Сымдарды бір ұшында қосып, сол ұшты қыздырып, екінші ұшты салқындату арқылы, ажыратылмаған сымдар арасында пайдалы, бірақ кішкентай (милливольт) кернеу пайда болады. Іс жүзінде, бір ғана жылу көзінен жоғары кернеуді (немесе ток) алу үшін көптеген терможұптар тізбектей (немесе параллель) жалғанады, себебі жылу ыстық ұштардан салқын ұштарға ағып өтеді. Металл терможұптардың жылу-электрлік тиімділігі төмен. Дегенмен, бисмут теллуриді және кремний германий сияқты жартылай өткізгіш материалдардағы тасымалдаушы тығыздығы мен зарядын реттеу арқылы әлдеқайда жоғары түрлендіру тиімділігіне қол жеткізуге болады.

Термофотоэлектрлік түрлендіру

Термофотоэлектрлік (ТФЭ) жасушалар фотоэлектрлік жасушалардың принципімен жұмыс істейді, бірақ олар ыстық беттен шығатын инфрақызыл сәулелерді (көрінетін сәулелер емес) электр энергиясына айналдырады. Термофотоэлектрлік жасушалардың тиімділігі термоэлектрлік жұптардан сәл жоғары және оларды термоэлектрлік жұптарға қоюға болады, бұл тиімділікті екі есеге арттыруға мүмкіндік береді. Хьюстон университетінің TPV радиоизотоптық қуат түрлендіру технологиясын дамыту жұмысы термофотоэлектрлік жасушаларды терможұптармен бірдей қолдану арқылы жүйе тиімділігін қазіргі термоэлектрлік радиоизотоптық генераторларға қарағанда 3-4 есеге арттыруға бағытталған.

Стерлинг генераторлары

Стирлинг радиоизотоптық генераторы – радиоизотоптың қыздыруынан туындайтын температура айырмашылығымен жұмыс істейтін Стирлинг қозғалтқышы. NASA радиоизотоптық генератордың жақсартылған, тиімді нұсқасын – жаңа Стирлинг радиоизотоптық генераторын жасап жатқан, бірақ 2013 жылы жоғары шығындарға байланысты жоба тоқтатылды.

Термиялық емес түрлендіру

Жылу емес түрлендіргіштер, энергияны оның жылуға айналуына дейін шығарылған сәуледен алады. Термоэлектрлік және термоиондық түрлендіргіштерден өзгеше, олардың қуаты температура айырмашылығына тәуелді емес. Жылу емес генераторларды қолданылатын бөлшектер түріне және энергияны түрлендіру механизміне қарай жіктеуге болады.

Электростатикалық түрлендіру

Электр зарядталған бөлшектерден энергияны олардың заряды өткізгіште жинақталатын кезде алуға болады, осылайша электростатикалық потенциал туындайды. Егер энергияны жоғалту механизмі болмаса, кернеу сәулеленген бөлшектердің энергиясына дейін өсуі мүмкін, бұл бірнеше киловольттан (бета сәулелену үшін) мегавольтқа дейін (альфа сәулелену үшін) жетеді. Жиналған электростатикалық энергияны келесі әдістердің бірі арқылы қолдануға болатын электр энергиясына түрлендіруге болады.

Тікелей зарядтау генераторы

Тікелей зарядтау генераторы электродтардың біріне жатқан радиоактивті қабаттан зарядталған бөлшектер тогы арқылы зарядталатын конденсатордан тұрады. Аралық кеңістік вакуум немесе диэлектрик болуы мүмкін. Теріс зарядталған бета-бөлшектер немесе оң зарядталған альфа-бөлшектер, позитрондар немесе бөліну фрагменттері қолданылуы мүмкін. Ядролық электр генераторларының осы түрі 1913 жылға дейін жетеді, бірақ тікелей зарядтау генераторларымен қамтамасыз етілген өте төмен ток пен қолайсыз жоғары кернеуге байланысты бұрын көптеген қолданыс табылған жоқ. Кернеуді төмендету үшін осциллятор/трансформатор жүйелері қолданылады, содан кейін түзеткіштер AC қуатын қайтадан тұрақты токқа түрлендіру үшін пайдаланылады. Осы құрылғының алғашқысын ағылшын физигі Х.Г.Дж. Мозли жасаған. Мозлидің аппараты ішкі жағы күміспен жабылған шыны шардан тұрады, оның ортасында сымның ұшына бекітілген радий сәулелендіргіші орналасқан. Радийден шыққан зарядталған бөлшектер радийден шардың ішкі бетіне жылдам қозғалғанда электр тогының ағынын тудырды. 1945 жылға дейін Мозлидің моделі радиоактивті элементтердің сәулеленуінен электр энергиясын өндіретін тәжірибелік батареялар құруға бағытталған басқа да жұмыстарға жетекшілік етті.

Электромеханикалық түрлендіру

Электромеханикалық атомдық батареялар екі пластина арасындағы зарядтың жинақталуын пайдаланып, бір икемделмелі пластинаны екіншісіне қарай тартады, екі пластина жанасқанға дейін, зарядты босатып, электростатикалық жинақталуды теңестіреді, сосын бастапқы күйіне оралады. Бұл механикалық қозғалысты пьезоэлектрлік материалды иілу арқылы немесе сызықтық генератор арқылы электр энергиясын өндіру үшін қолдануға болады. Зарядталу жылдамдығына байланысты милливатт қуат импульстар түрінде шығарылады, кейде секундына бірнеше рет (35 Гц).

Радиоэлектрлік түрлендіру

Радиовольтаикалық (РВ) құрылғы жартылай өткізгіштік торап арқылы иондаушы сәулелену энергиясын тікелей электр энергиясына айналдырады, бұл фотондардың фотоэлектрлік элементте электр энергиясына айналуына ұқсас. Сәулелену түріне байланысты бұл құрылғылар альфавольтаикалық (АВ, αV), бетавольтаикалық (BV, βV) және/немесе гаммавольтаикалық (GV, γV) деп аталады. Бетавольтаикалық элементтер дәстүрлі түрде ең көп назар аударды, себебі (төмен энергиялы) бета-эмиттерлер радиациялық зақымданудың ең аз мөлшерін тудырады, соның салдарынан ұзақ қызмет ету мерзіміне және аз қорғауға мүмкіндік береді. Альфавольтаикалық және (жақында) гаммавольтаикалық құрылғыларға деген қызығушылық олардың жоғары тиімділік әлеуетімен байланысты.

Альфавольталық түрлендіру

Альфавольталық құрылғылар энергетикалық альфа бөлшектерінен электр энергиясын өндіру үшін жартылай өткізгіштік торапты қолданады.

Бетавольттік түрлендіру

Бетавольттік құрылғылар энергиялы бета бөлшектерінен (электроннан) электр энергиясын өндіру үшін жартылай өткізгіштік торапты пайдаланады. Көбінесе сутегінің изотопы – тритий қолданылады. Бетавольттік құрылғылар энергия көзінің ұзақ қызмет ету мерзімі қажет болатын, төмен қуатты электрлік қолданыстарға, мысалы, имплантацияланатын медициналық құрылғыларға немесе әскери және ғарыш салаларына өте ыңғайлы. Қытайлық Betavolt стартапы 2024 жылдың қаңтарында пилоттық сынақ кезеңіндегі шағын құрылғысы бар екенін мәлімдеді. Ол 100 микроватт қуат және 3 В кернеу шығарып, зарядтау немесе күтімсіз 50 жыл бойы жұмыс істейді деп хабарланды. Құрылғы жұмыс істегенде, 63-никель радиоактивті емес, тұрақты мыс изотоптарына ыдырайды, ол қоршаған ортаға ешқандай қауіп келтірмейді.

Гаммавольттік түрлендіру

Гаммавольттік құрылғылар энергиялы гамма бөлшектерінен (жоғары энергиялы фотондардан) электр энергиясын өндіру үшін жартылай өткізгіштік торапты пайдаланады. Олар туралы алғаш рет 1981 жылы ұсынылған, бірақ тек 2010 жылдары зерттелді. Перовскит күн элементтерінде гаммавольттік эффект байқалған. Бетафотовольтаикалық (BPV немесе β PV) немесе гаммафотовольтаикалық (GPV немесе γ PV) түрлері бар. Конверсия тиімділігін арттыру үшін радиотоптық конверсияны радиофотовольтаикалық конверсиямен үйлестіруге болады.

Жүрек тетіктер

Medtronic және Alcatel компаниялары плутониймен жұмыс істейтін, 2,5 Ci плутоний-238 зарядымен жұмыс істейтін Numec NU 5 кардиостимуляторын жасады, ол алғаш рет 1970 жылы адамға имплантацияланды. 1970 жылдары имплантацияланған 139 Numec NU 5 ядролық кардиостимуляторларының ешқашан ауыстырылуы қажет емес деп күтілуде, бұл ядролық емес кардиостимуляторларға қарағанда артықшылық, олардың батареяларын 5-10 жыл сайын хирургиялық түрде ауыстыру қажет. Плутоний "батареялары" плутонийдің 88 жылдық жартылай өмір мерзімінен де ұзақ уақыт бойы схеманы қуаттандыруға жеткілікті қуат шығаруы күтілуде. Бетавольттік батареялар да қорғасынсыз кардиостимуляторлар үшін ұзақ қызмет ететін қуат көзі ретінде қарастырылуда.

Пайдаланылған радиоизотоптар

Атомдық батареялар энергиясы төмен бета-бөлшектерді немесе кейде әртүрлі энергиялы альфа-бөлшектерді өндіретін радиоизотоптарды пайдаланады. Жоғары энергиялы, терең енетін Bremsstrahlung сәулеленуінің пайда болуын болдырмау үшін төмен энергиялы бета-бөлшектер қажет, себебі ол үшін ауыр қорғаныс қажет болады. Тритий, никель-63, прометий-147 және техноций-99 сияқты радиоизотоптар сынақтан өткен. Плутоний-238, курий-242, курий-244 және стронций-90 қолданылған. Пайдаланылатын изотоптың ядролық қасиеттерімен қатар, оның химиялық қасиеттері мен қолжетімділігі де маңызды мәселелер болып табылады. Нейтронды сәулелендіру арқылы немесе бөлшектерді жеделдетушіде әдейі өндірілген затты, пайдаланылған ядролық отыннан оңай алынатын бөліну өнімінен алу қиынырақ. Плутоний-238 нептуний-237-нің нейтронды сәулелендіруі арқылы әдейі өндірілуі керек, бірақ оны тұрақты плутоний оксид керамикасына оңай түрлендіруге болады. Стронций-90 пайдаланылған ядролық отыннан оңай алынады, бірақ оның химиялық белсенділігін азайту үшін, энергия тығыздығын екі есеге төмендету үшін, оны перовскит түріндегі стронций титанатына айналдыру қажет. Цезий-137, ядролық бөлінудің тағы бір жоғары өнімділігі, атомдық батареяларда сирек қолданылады, себебі оны химиялық тұрақты заттарға айналдыру қиын. Пайдаланылған ядролық отыннан алынған цезий-137-нің тағы бір кемшілігі – ол энергия тығыздығын одан әрі төмендететін цезийдің басқа изотоптарымен ластанған.

Микробактериялар

Микроэлектромеханикалық жүйелер (МЭМЖ) саласында Висконсин университетінің ядролық инженерлері полоний немесе курий сияқты заттардың радиоактивті ядроларын пайдаланып электр энергиясын өндіретін аса кішкентай батареяларды жасау мүмкіндігін зерттеді. Интеграцияланған, өздігінен қуатталатын қолданбаның мысалы ретінде, зерттеушілер ұзақ уақыт бойы тұрақты, периодтық тербелістерді қамтамасыз ететін, жанармай құюды қажет етпейтін осцилляциялық консольдік сәулені жасады. Жүріп жатқан жұмыстар осы консольдің радиожиіліктерді таратуға қабілетті екенін көрсетіп, МЭМЖ құрылғыларының сымсыз байланысуына мүмкіндік береді. Бұл микробатареялар өте жеңіл және МЭМЖ құрылғыларын қуатпен қамтамасыз етуге, сондай-ақ наноқұрылғыларды қуатпен жабдықтауға жеткілікті энергия береді. Босатылған сәулелену энергиясы электр энергиясына айналады, ол процессор мен оны қуатпен қамтамасыз ететін микробатарея орналасқан құрылғының ішіндегі аумақпен шектеледі.