Ядролық энергияны пайдаланатын электр батареясы – жаңа технология! Радиоактивті изотоптардан шыққан сәулеленуді электр энергиясына айналдыру жолы. Құршатов институтының зерттеуі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ядролық энергияны пайдаланатын электр батареясы
Electric battery using nuclear energy
Оптоэлектрлік ядролық батарея (радиофотовольталық құрылғы, радиолюминесцентті ядролық батарея немесе радиоизотоптық фотовольталық генератор) – ядролық энергияны жарыққа айналдырып, одан кейін электр энергиясын өндіруге қолданылатын ядролық батареяның бір түрі. Бұл радиоактивті изотоптардан шығатын иондаушы сәулелерді люминесцентті материалға (сцинтиллятор немесе люминофор) түсіру арқылы іске асырылады, ол өз кезегінде фотоэлектрлік элементке тиген кезде электр энергиясын өндіретін фотондарды шығарады. Бұл технологияны Мәскеудегі Курчатов институтының ғалымдары әзірледі.
An optoelectric nuclear battery (also radiophotovoltaic device, radioluminescent nuclear battery or radioisotope photovoltaic generator) is a type of nuclear battery in which nuclear energy is converted into light, which is then used to generate electrical energy. This is accomplished by letting the ionizing radiation emitted by the radioactive isotopes hit a luminescent material (scintillator or phosphor), which in turn emits photons that generate electricity upon striking a photovoltaic cell. The technology was developed by researchers of the Kurchatov Institute in Moscow.
Сипаттама
Технеций 99 немесе стронций 90 сияқты бета-эмиттерлер, эксимер типіндегі люминесцентті газ молекулаларын қамтитын газ немесе сұйықтықтағы "тозаң плазмасын" құрайды. Бұл шаң бөлшектерінен бета-электрондардың жоғалтпай шығуына мүмкіндік береді. Электрондар газдарды қоздырады, олардың эксимерлік сызығы радиоактивтілікті айналдыру үшін қоршаған фотоэлектрлік қабатқа таңдалады, соның арқасында теориялық жеңіл, төмен қысымды, жоғары тиімділік батареясын жасауға болады. (Іс жүзінде, қазіргі үлгілер ауыр болып келеді және жоғары қысымды қамтиды.) Бұл нуклидтер – ядролық электр станцияларынан шығатын салыстырмалы түрде арзан радиоактивті қалдықтар. Шаң бөлшектерінің диаметрі өте кішкентай (бірнеше микрометр) болғандықтан, бета-ыдыраудан туындаған электрондар шаң бөлшектерінен іс жүзінде жоғалмай шығып кетеді. Қоршаған әлсіз иондалған плазма газдардан немесе газ қоспаларынан (мысалы, криптон, аргон және ксенон) тұрады, экзимерлік сызықтары бар, сондықтан бета-электрондардың энергиясының көп бөлігі осы жарыққа айналады. Қоршау қабырғаларында кең тыйым салынған аймақтары бар фотоэлектрлік қабаттар орналасқан, мысалы алмаз, ол сәулеленуден туындаған оптикалық энергияны электр энергиясына айналдырады. Неміс патенті оптоэлектрлік ядролық батареяның сипаттамасын ұсынады, ол ішкі айнасы бар қысым ыдысындағы аргон, ксенон немесе криптоннан (немесе олардың екеуі немесе үшеуінің қоспасынан), ұсақ майдаланған радиоизотоптан және үзіліссіз ультрадыбыстық араластырғыштан тұрады, сондай-ақ экзимерге сәйкес келетін өткізгіштікке ие фотоэлементті жарықтандырады. Бета-эмиттерлік нуклидтер (мысалы, криптон 85 немесе аргон 39) бета-бөлшектерді шығара отырып, минималды жылу шығынымен тар экзимерлік жолақта өз электрондарын қоздырады, нәтижесінде бұл сәулелену жоғары өткізгіштікке ие фотоэлектрлік қабатта (мысалы, p-n алмазда) электр энергиясына өте тиімді түрде айналады. Радионуклидтік батареялармен салыстырғанда, электр қуатының салмаққа шаққандағы көрсеткіші 10-50 есе немесе одан да көп арттырылуы мүмкін. Егер қысым ыдысы көміртек талшығынан/эпоксиден жасалса, қуат пен салмақ арақатынасы отын бактары бар ауамен жұмыс істейтін қозғалтқышқа теңеседі. Бұл конструкцияның артықшылығы – дәл электродтар жиынтығының қажеттілігін жояды және бета-бөлшектерінің көпшілігі батареяның жалпы қуатына үлес қосу үшін ұсақ бөлінген көлемді материалдан шығып кетеді.
A beta emitter such as technetium 99 or strontium 90 is suspended in a gas or liquid containing luminescent gas molecules of the excimer type, constituting a "dust plasma". This permits a nearly lossless emission of beta electrons from the emitting dust particles. The electrons then excite the gases whose excimer line is selected for the conversion of the radioactivity into a surrounding photovoltaic layer such that a theoretical lightweight, low pressure, high efficiency battery can be realized. (In practice, existing designs are heavy and involve high pressure.) These nuclides are relatively low cost radioactive waste from nuclear power reactors. The diameter of the dust particles is so small (a few micrometers) that the electrons from the beta decay leave the dust particles nearly without loss. The surrounding weakly ionized plasma consists of gases or gas mixtures (such as krypton, argon, and xenon) with excimer lines such that a considerable amount of the energy of the beta electrons is converted into this light. The surrounding walls contain photovoltaic layers with wide forbidden zones, such as diamond, which convert the optical energy generated from the radiation into electrical energy. A German patent provides a description of an optoelectric nuclear battery, which would consist of an excimer of argon, xenon, or krypton (or a mixture of two or three of them) in a pressure vessel with an internal mirrored surface, finely ground radioisotope, and an intermittent ultrasonic stirrer, illuminating a photocell with a bandgap tuned for the excimer. When the beta emitting nuclides (e. g., krypton 85 or argon 39) emit beta particles, they excite their own electrons in the narrow excimer band at a minimum of thermal losses, so that this radiation is converted in a high bandgap photovoltaic layer (e. g., in p n diamond) very efficiently into electricity. The electric power per weight, compared with existing radionuclide batteries, can then be increased by a factor 10 to 50 or more. If the pressure vessel is made from carbon fiber/epoxy, the power to weight ratio is said to be comparable to an air breathing engine with fuel tanks. The advantage of this design is that precision electrode assemblies are not needed, and most beta particles escape the finely divided bulk material to contribute to the battery's net power.
Кемшіліктер
Радионуклидтердің жоғары құны. Жоғары қысымды (10 МПа немесе 100 барға дейін) салмақты гермоқорпус. Гермоқорпустың бұзылуы ұсақ дисперсті радиоизотоптардың жоғары қысымды ағындарын шығарып, тиімді "кір бомбаны" құрайды. Бұзылудың туа біткен тәуекелі осы құрылғыны ғарышқа негізделген қолданулармен шектеуі мүмкін, онда ұсақ дисперсті радиоизотоп көзі қауіпсіз тасымалдау ортасынан тек құрылғы Жер орбитасын қалдырғаннан кейін алынып, жоғары қысымды газға орналастырылады.
High price of the radionuclides. High pressure (up to 10 MPa or 100 bar) heavy containment vessel. A failure of containment would release high pressure jets of finely divided radioisotopes, forming an effective dirty bomb. The inherent risk of failure is likely to limit this device to space based applications, where the finely divided radioisotope source is only removed from a safe transport medium and placed in the high pressure gas after the device has left Earth orbit.
Өз қолыңмен жасау жобасы ретінде
Қарапайым бета-фотоэлектрлік ядролық батареяны қолжетімді тритий флакондарынан (радиолюминесцентті фосформен қапталған тритийге толы шыны түтіктер) және күн жасушаларынан құрастыруға болады. Бір конструкцияда 14 22,5x3 мм тритий флаконы 1,6 вольт максималды қуат нүктесінде 1,23 микроватт қуат өндірді.
A simple betaphotovoltaic nuclear battery can be constructed from readily available tritium vials (tritium filled glass tubes coated with a radioluminescent phosphor) and solar cells. One design featuring 14 22.5x3mm tritium vials produced 1.23 microwatts at a maximum powerpoint of 1.6 volts.