Кіріспе
Бетавольтаикалық құрылғы (бетавольтаикалық элемент немесе бетавольтаикалық батарея) – жартылай өткізгіштік тораптар арқылы радиоактивті көзден шығарылатын бета бөлшектерден (электроннан) электр тогын тудыратын ядролық батареяның түрі. Көбінесе сутегінің изотопы – тритий қолданылады. Көптеген ядролық қуат көздерінен айырмашылығы, олар электр энергиясын өндіру үшін жылуды тудыруға ядролық сәулеленуді пайдаланса, бетавольтаикалық құрылғылар жылулық емес түрлендіру процесін қолданады, яғни жартылай өткізгіш арқылы өтетін бета бөлшектерінің иондану іздерінен пайда болатын электрон-тесік жұптарын түрлендіреді. Бетавольтаикалық қуат көздері (және альфавольтаикалық қуат көздерінің байланысты технологиясы) энергия көзінің ұзақ қызмет ету мерзімі қажет болатын, мысалы, имплантацияланатын медициналық құрылғылар немесе әскери және ғарыш саласындағы қолданыстар сияқты, төмен қуатты электрлік қолданыстарға өте ыңғайлы. 1970 жылдары кейбір кардиостимуляторлар прометийге негізделген бетавольтаикалық құрылғыларды қолданды, бірақ арзан литий батареяларының дамуымен олар қолданудан шығарылды. Тритий сияқты салыстырмалы түрде қауіпсіз изотоптарды пайдалануға болады, олар аз радиация тудырады. Дереккөздің сенімділігі жоқ: көрсетілген күні – 2023 жылдың тамызы. 1973 жылдан бастап бетавольтаикалық құрылғыларды кардиостимуляторлар сияқты ұзақ мерзімді медициналық құрылғыларда қолдану ұсынылған. 2019 жылы жарияланған мақалада бетавольтаикалық құрылғылардың Венера планетасының бетіне дейін жоғары температуралы ортада жұмыс істеу мүмкіндігі көрсетілді. Бетавольтаикалық құрылғылар бета бөлшектерінің кинетикалық энергиясын жартылай өткізгіштік тораптар арқылы тікелей электр энергиясына айналдырады. Дәстүрлі ядролық реакторлардан айырмашылығы, олар жылуды тудырып, оны электр энергиясына айналдырса, бетавольтаикалық құрылғылар жылулық емес түрлендіруді ұсынады. 2024 жылдың басында Қытайдың Betavolt компаниясы жариялаған прототиптік бетавольтаикалық батареяда бета бөлшектерінің электрон көзін (көміртек-14 немесе никель-63) екі жұқа кристаллографиялық алмаз жартылай өткізгіш қабаттарының арасында орналастырылған жұқа пластина бар. Қытайлық стартап бұл миниатюралық құрылғыны пилоттық сынақ кезеңінде екенін мәлімдеді. 2024 жылдың қаңтарында таныстырылған құрылғы 100 микроватт қуат пен 3 вольт кернеуді өндіреді және зарядтау немесе күтімді қажет етпей 50 жыл бойы қызмет етеді. Радиоактивті ыдырауды тоқтату, жылдамдату немесе баяулату қиын болғандықтан, батареяны «өшіру» немесе оның қуатын реттеу мүмкін емес. Кейбір қолданыстар үшін бұл маңызды емес, бірақ басқаларына энергия қажет болмаған кезде сақтау үшін қосымша химиялық батарея қажет болады. Бұл қуат тығыздығының артықшылығын азайтады.
devices that generate electricity directly from beta particles
A betavoltaic device (betavoltaic cell or betavoltaic battery) is a type of nuclear battery which generates electric current from beta particles (electrons) emitted from a radioactive source, using semiconductor junctions. A common source used is the hydrogen isotope tritium. Unlike most nuclear power sources which use nuclear radiation to generate heat which then is used to generate electricity, betavoltaic devices use a non thermal conversion process, converting the electron hole pairs produced by the ionization trail of beta particles traversing a semiconductor. Betavoltaic power sources (and the related technology of alphavoltaic power sources) are particularly well suited to low power electrical applications where long life of the energy source is needed, such as implantable medical devices or military and space applications. Some pacemakers in the 1970s used betavoltaics based on promethium, but were phased out as cheaper lithium batteries were developed. can be paired with relatively benign isotopes such as tritium, which produce less radiation. Unreliable source: date=August 2023 As early as 1973, betavoltaics were suggested for use in long term medical devices such as pacemakers. In 2019 a paper indicated the viability of betavoltaic devices in high temperature environments in excess of like the surface of Venus. Betavoltaics directly convert the kinetic energy of beta particles into electrical energy using semiconductor junctions. Unlike traditional nuclear reactors, which generate heat and then convert it to electricity, betavoltaics offer non thermal conversion. A prototype betavoltaic battery announced in early 2024 by the Betavolt company of China contains a thin wafer providing a source of beta particle electrons (either Carbon 14 or nickel 63) sandwiched between two thin crystallographic diamond semiconductor layers. The Chinese startup claims to have the miniature device in the pilot testing stage. Unveiled in January 2024, it is allegedly generating 100 microwatts of power and a voltage of 3V and has a lifetime of 50 years without any need for charging or maintenance. As radioactive decay cannot be stopped, sped up or slowed down easily, there is no way to "switch off" the battery or regulate its power output. For some applications this is irrelevant, but others will need a backup chemical battery to store energy when it isn't needed for when it is. This reduces the advantage of high power density.
Қолжетімділік
Бетавольттік ядролық батареяларды коммерциялық түрде сатып алуға болады. 2012 жылғы мәліметтер бойынша, қолжетімді құрылғылардың қатарында 20 грамм салмақтағы, тритиймен қуатталатын 100 мкВт құрылғы бар еді.
Қауіпсіздік
Бетавольта энергия көзі ретінде радиоактивті материал қолданылғанымен, бета бөлшектерінің энергиясы төмен және оларды бірнеше миллиметрлік қорғаныспен тоқтату оңай. Дұрыс құрылғы құрылысы (яғни, тиісті қорғаныс және жабылу) бар бетавольттік құрылғы қауіпті сәулелену шығармайды. Қоршалған материалдың сыртқа шығуы денсаулыққа қауіп келтіреді, дәл сияқты литий, кадмий және қорғасын сияқты басқа типтегі батареялардағы материалдардың сыртқа шығуы да маңызды денсаулық және қоршаған орта мәселелеріне әкеледі. Радиоизотопты химиялық тұрақты және механикалық берік формаға түрлендіру арқылы қауіпсіздікті одан әрі арттыруға болады, бұл сыртқа шығу жағдайында таралу немесе тірі организмде жиналу қаупін азайтады.
Тиімділік
Радиоизотоптардың жоғары қуат тығыздығы және бетавольтаның көптеген қолданыстарындағы сенімділік қажеттілігіне байланысты, салыстырмалы түрде төмен тиімділіктер қабылданады. Қазіргі технология бета бөлшектерінен электр энергиясына айналдыру тиімділігінің бір сандық пайызына жетеді, бірақ тиімділікті арттыру бойынша зерттеулер жалғастырылуда. Салыстыратын болсақ, 30% шамасындағы жылу тиімділігі жаңа, ірі жылу электр станциялары үшін салыстырмалы түрде төмен саналады, ал жаңа буын біріктірілген циклды электр станциялары жылу кірісіне шаққандағы электр шығысы бойынша өлшенгенде 60% және одан да жоғары тиімділікке жетеді. Егер бетавольттік құрылғы радиоизотопты жылытқыш ретінде де жұмыс істесе, ол когенерациялық станция болып табылады және пайдалы қалдық жылудың көп бөлігін пайдаланғандықтан жалпы тиімділігі айтарлықтай жоғарылайды. Фотовольтаика сияқты, Шокли-Квейсер шегі бір жолақты бетавольттік құрылғы үшін абсолютті шек белгілейді.