Введение

Устройства, генерирующие электричество из радиоизотопного распада.
Генерация радиоактивных изотопов.

Атомная батарея, ядерная батарея, радиоизотопная батарея или радиоизотопный генератор – это устройство, использующее энергию, выделяющуюся при распаде радиоактивного изотопа, для генерации электричества. Как и ядерные реакторы, они производят электричество из ядерной энергии, но отличаются тем, что не используют цепную реакцию. Хотя их обычно называют батареями, технически они не являются электрохимическими и не подлежат зарядке или перезарядке. Они очень дорогие, но обладают чрезвычайно долгим сроком службы и высокой плотностью энергии, поэтому обычно используются в качестве источников питания для оборудования, которое должно работать без присмотра в течение длительного времени, например, для космических аппаратов, кардиостимуляторов, подводных систем и автоматизированных научных станций в отдаленных районах мира. Технология ядерных батарей началась в 1913 году, когда Генри Мозли впервые продемонстрировал электрический ток, генерируемый излучением заряженных частиц. В 1950-х и 1960-х годах эта область получила значительное внимание в рамках углубленных исследований для применений, требующих долговременных источников питания для космических нужд. В 1954 году RCA исследовала небольшую атомную батарею для малогабаритных радиоприемников и слуховых аппаратов. С момента первоначальных исследований и разработок RCA в начале 1950-х годов было разработано множество типов и методов извлечения электрической энергии из ядерных источников. Научные принципы хорошо известны, но современные нанотехнологии и новые полупроводники с широкой запрещенной зоной создали новые устройства и интересные свойства материалов, которые ранее были недоступны. Ядерные батареи можно классифицировать по технологии преобразования энергии на две основные группы: тепловые преобразователи и нетепловые преобразователи. Тепловые типы преобразуют часть тепла, выделяемого при ядерном распаде, в электричество. Наиболее известным примером является радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), часто используемый в космических аппаратах. Нетепловые преобразователи извлекают энергию непосредственно из излучаемого излучения до того, как оно превратится в тепло. Их легче миниатюризировать, и для работы не требуется тепловой градиент, поэтому они подходят для использования в маломасштабных приложениях. Наиболее известным примером является бетавольтовый элемент. Обычно атомные батареи имеют эффективность 0,1–5%. Высокоэффективные бетавольтовые устройства могут достигать эффективности 6–8%.

Термионное преобразование

Термионический преобразователь состоит из горячего электрода, который термионически эмитирует электроны через потенциальный барьер космического заряда на более холодный электрод, генерируя полезную выходную мощность. Пар цезия используется для оптимизации работы выхода электродов и обеспечения ионного потока (путем поверхностной ионизации) для нейтрализации электронного космического заряда.

Термоэлектрическое преобразование

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ) использует термопары. Каждая термопара формируется из двух проводов, изготовленных из разных металлов (или других материалов). Градиент температуры вдоль каждого провода создает градиент напряжения от одного конца провода к другому, однако разные материалы генерируют разное напряжение на каждый градус разницы температур. Соединяя провода с одного конца, нагревая этот конец и охлаждая другой, можно получить полезное, хотя и небольшое (милливольты) напряжение между несвязанными концами проводов. На практике многие термопары соединяют последовательно (или параллельно) для получения большего напряжения (или тока) от одного и того же источника тепла, поскольку тепло перетекает от горячего конца к холодному. Металлические термопары обладают низкой эффективностью преобразования тепла в электричество. Однако плотность носителей заряда и их величину можно регулировать в полупроводниковых материалах, таких как теллурид висмута и кремний-германий, для достижения значительно более высокой эффективности преобразования.

Термофотоэлектрическая конверсия

Термофотоэлектрические элементы (ТФЭ) работают по тем же принципам, что и фотоэлектрические элементы, но преобразуют инфракрасный свет (вместо видимого), излучаемый нагретой поверхностью, в электричество. Эффективность термофотоэлектрических элементов незначительно выше, чем у термоэлектрических пар, и их можно комбинировать с термоэлектрическими парами, потенциально удваивая общую эффективность. В рамках разработки технологии преобразования радиоизотопной энергии в Университете Хьюстона ведется работа по одновременному использованию термофотоэлектрических элементов и термопар для достижения увеличения эффективности системы в 3-4 раза по сравнению с существующими термоэлектрическими радиоизотопными генераторами.

генераторы Стерлинга

Генератор радиоизотопных термоэлектрических элементов Стирлинга – это двигатель Стирлинга, приводимый в действие разностью температур, создаваемой радиоизотопом. Более эффективная версия, усовершенствованный генератор радиоизотопных термоэлектрических элементов Стирлинга, разрабатывалась НАСА, но была отменена в 2013 году из-за значительных превышений сметы.

Нетермическое преобразование

Нетермические преобразователи извлекают энергию из излучения до того, как оно рассеивается в виде тепла. В отличие от термоэлектрических и термоионных преобразователей, их выходная мощность не зависит от разности температур. Нетермические генераторы можно классифицировать по типу используемых частиц и по механизму преобразования энергии.

Электростатическое преобразование

Энергия может быть извлечена из испускаемых заряженных частиц при накоплении их заряда в проводнике, что создает электростатический потенциал. Без механизма рассеяния напряжение может возрастать до энергии излучаемых частиц, которая может колебаться от нескольких киловольт (для бета-излучения) до мегавольт (для альфа-излучения). Накопленная электростатическая энергия может быть преобразована в полезную электроэнергию одним из следующих способов.

Генератор прямой зарядки

Генератор прямого заряда состоит из конденсатора, заряжаемого током заряженных частиц из радиоактивного слоя, нанесенного на один из электродов. Пространство между электродами может быть вакуумным или заполнено диэлектриком. Могут использоваться отрицательно заряженные бета-частицы или положительно заряженные альфа-частицы, позитроны или осколки деления. Хотя этот тип ядерного электрогенератора был разработан еще в 1913 году, в прошлом было найдено немного практических применений из-за крайне малых токов и неудобно высоких напряжений, выдаваемых генераторами прямого заряда. Для снижения напряжения применяются осцилляторно-трансформаторные системы, а затем выпрямители для преобразования переменного тока обратно в постоянный. Первую такую установку построил английский физик Г.Г.Дж. Мозли. Аппарат Мозли представлял собой стеклянный шар, покрытый изнутри серебром, с источником радия, закрепленным на конце проволоки в центре. Заряженные частицы, испускаемые радием, создавали поток электричества, быстро перемещаясь от радия к внутренней поверхности сферы. Вплоть до 1945 года модель Мозли служила ориентиром для других попыток создания экспериментальных батарей, генерирующих электричество из излучения радиоактивных элементов.

Электромеханическое преобразование

Электромеханические атомные батареи используют накопление заряда между двумя пластинами для притяжения одной гибкой пластины к другой, пока они не соприкоснутся, не произойдет разряд, выравнивающий электростатическое накопление, и пластины не вернутся в исходное положение. Образующееся механическое движение может быть использовано для выработки электроэнергии за счет изгиба пьезоэлектрического материала или с помощью линейного генератора. Мощность в милливаттах вырабатывается импульсами, зависящими от скорости заряда, в некоторых случаях несколько раз в секунду (35 Гц).

Радиовольтатная конверсия

Радиовольтаическое устройство преобразует энергию ионизирующего излучения непосредственно в электричество, используя полупроводниковый переход, аналогично преобразованию фотонов в электричество в фотоэлектрической ячейке. В зависимости от типа используемого излучения, эти устройства называются альфавольтовыми (AV, αV), бетавольтовыми (BV, βV) и/или гаммавольтовыми (GV, γV). Бетавольтовым устройствам традиционно уделялось наибольшее внимание, поскольку (низкоэнергетические) бета-излучатели вызывают наименьший радиационный ущерб, что обеспечивает более длительный срок службы и требует меньшей защиты. Интерес к альфавольтовым и (в последнее время) гаммавольтовым устройствам обусловлен их потенциально более высокой эффективностью.

Альфавольтовое преобразование

Альфавольтаические устройства используют полупроводниковый переход для генерации электрической энергии из энергичных альфа-частиц.

Бетавольтовое преобразование

Бета-вольтовые устройства используют полупроводниковый переход для выработки электрической энергии из энергичных бета-частиц (электронов). В качестве широко используемого источника применяется изотоп водорода – тритий. Бета-вольтовые устройства особенно хорошо подходят для маломощных электрических приложений, требующих длительного срока службы источника энергии, таких как имплантируемые медицинские приборы или применение в военной и космической отраслях. Китайский стартап Betavolt заявил в январе 2024 года о разработке миниатюрного устройства, находящегося на стадии пилотных испытаний. Утверждается, что оно генерирует 100 микроватт мощности при напряжении 3 В и имеет срок службы 50 лет без необходимости подзарядки или обслуживания. В процессе работы никель-63 распадается на стабильные, нерадиоактивные изотопы меди, которые не представляют опасности для окружающей среды.

Гаммавольтовое преобразование

Гаммавольтовые устройства используют полупроводниковый переход для получения электрической энергии из энергичных гамма-частиц (высокоэнергетических фотонов). Они стали рассматриваться только в 2010-х годах, хотя были предложены еще в 1981 году. Гаммавольтовый эффект был зарегистрирован в перовскитовых солнечных элементах. Бета-фотоэлектрические (BPV или β PV) или гамма-фотоэлектрические (GPV или γ PV). Для повышения эффективности преобразования можно комбинировать радиофотоэлектрическое преобразование с радиовольтовым преобразованием.

Кардиостимуляторы

Medtronic и Alcatel разработали кардиостимулятор, работающий на плутонии, Numec NU 5, питаемый источником плутония-238 мощностью 2,5 Ci, который впервые был имплантирован пациенту в 1970 году. Ожидается, что 139 ядерных кардиостимуляторов Numec NU 5, имплантированных в 1970-х годах, никогда не потребуют замены, что является преимуществом по сравнению с неядерными кардиостимуляторами, которым требуется хирургическая замена батарей каждые 5–10 лет. Предполагается, что плутониевые "батареи" будут вырабатывать достаточно энергии для питания схемы в течение срока, превышающего 88-летний период полураспада плутония. Бетавольтовые батареи также рассматриваются как долговечные источники питания для кардиостимуляторов без свинца.

Используемые радиоизотопы

В атомных батареях используются радиоизотопы, которые производят бета-частицы с низкой энергией или, иногда, альфа-частицы различной энергии. Бета-частицы с низкой энергией необходимы для предотвращения образования высокоэнергетического проникающего тормозного излучения, требующего массивной защиты. Для испытаний использовались такие радиоизотопы, как тритий, никель-63, прометий-147 и технеций-99. Применяются плутоний-238, курий-242, курий-244 и стронций-90. Помимо ядерных свойств используемого изотопа, важны также его химические свойства и доступность. Продукт, специально полученный путем нейтронного облучения или в ускорителе частиц, получить сложнее, чем продукт деления, который легко извлекается из отработавшего ядерного топлива. Плутоний-238 должен быть специально произведен путем нейтронного облучения нептуния-237, но его можно легко преобразовать в стабильную керамику оксида плутония. Стронций-90 легко извлекается из отработавшего ядерного топлива, но для снижения его химической подвижности и, как следствие, уменьшения плотности мощности вдвое, его необходимо преобразовать в перовскитную форму – стронциевый титанат. Цезий-137, еще один продукт ядерного деления с высоким выходом, редко используется в атомных батареях из-за трудностей его преобразования в химически инертные вещества. Дополнительным нежелательным свойством цезия-137, извлеченного из отработавшего ядерного топлива, является его загрязнение другими изотопами цезия, что еще больше снижает плотность мощности.

Микробатареи

В области микроэлектромеханических систем (МЭМС) ядерные инженеры из Университета Висконсина в Мэдисоне исследовали возможности создания крошечных батарей, использующих радиоактивные ядра веществ, таких как полоний или курий, для выработки электрической энергии. В качестве примера интегрированного, автономного применения, исследователи разработали колеблюющуюся консольную балку, способную к стабильным, периодическим колебаниям на протяжении очень длительного времени без необходимости подзарядки. Текущие исследования демонстрируют, что эта балка способна к радиочастотной передаче, позволяя МЭМС-устройствам беспроводно обмениваться данными. Эти микробатареи очень легкие и обеспечивают достаточную мощность для функционирования в качестве источника питания для МЭМС-устройств и, в дальнейшем, для наноустройств. Энергия, высвобождаемая при распаде, преобразуется в электрическую энергию, локализуясь в области устройства, содержащей процессор и питающую его микробатарею.