Введение
Тип ядерной батареи, генерирующей электрический ток. Устройства, генерирующие электричество непосредственно из бета-частиц. Бета-вольтовое устройство (бета-вольтовый элемент или бета-вольтовая батарея) – это тип ядерной батареи, генерирующей электрический ток из бета-частиц (электронов), испускаемых радиоактивным источником, с использованием полупроводниковых переходов. В качестве распространенного источника используется изотоп водорода – тритий. В отличие от большинства источников ядерной энергии, использующих ядерное излучение для выработки тепла, которое затем преобразуется в электричество, бета-вольтовые устройства используют процесс нетермического преобразования, преобразуя пары электрон-дырок, образующиеся в результате ионизирующего следа бета-частиц, проходящих через полупроводник. Бета-вольтовые источники энергии (и связанная с ними технология альфа-вольтовых источников энергии) особенно хорошо подходят для маломощных электрических приложений, требующих длительного срока службы источника энергии, таких как имплантируемые медицинские устройства или военные и космические приложения. Некоторые кардиостимуляторы 1970-х годов использовали бета-вольты на основе прометия, но были заменены более дешевыми литиевыми батареями. Могут использоваться относительно безопасные изотопы, такие как тритий, производящие меньше излучения. Ненадежный источник: дата=август 2023. Еще в 1973 году бета-вольты были предложены для использования в долгосрочных медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы. В 2019 году в научной работе была показана возможность применения бета-вольтовых устройств в высокотемпературных средах, превышающих температуру поверхности Венеры. Бета-вольты напрямую преобразуют кинетическую энергию бета-частиц в электрическую энергию с помощью полупроводниковых переходов. В отличие от традиционных ядерных реакторов, генерирующих тепло и затем преобразующих его в электричество, бета-вольты обеспечивают нетермическое преобразование. Прототип бета-вольтовой батареи, анонсированный в начале 2024 года китайской компанией Betavolt, содержит тонкую пластину, служащую источником электронов бета-частиц (углерод-14 или никель-63), расположенную между двумя тонкими кристаллическими слоями полупроводникового алмаза. Китайский стартап утверждает, что миниатюрное устройство находится на стадии пилотных испытаний. Представленное в январе 2024 года устройство, по заявлению компании, генерирует 100 микроватт мощности и напряжение 3 В, а срок службы составляет 50 лет без необходимости зарядки или обслуживания. Поскольку радиоактивный распад нельзя остановить, ускорить или замедлить, невозможно "выключить" батарею или регулировать ее выходную мощность. Для некоторых приложений это не имеет значения, но другим потребуется резервная химическая батарея для хранения энергии, когда она не нужна, чтобы использовать ее при необходимости. Это снижает преимущество высокой плотности мощности.
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.
Доступность
Бетавольтовые ядерные батареи можно приобрести в коммерческой продаже. Устройства, доступные по состоянию на 2012 год, включали в себя устройство мощностью 100 мкВт, работающее на тритии и весящее 20 граммов.
Безопасность
Хотя бета-вольтаические элементы используют радиоактивный материал в качестве источника энергии, бета-частицы обладают низкой энергией и легко останавливаются слоем в несколько миллиметров. При правильной конструкции устройства (то есть, надлежащей экранировке и герметизации) бета-вольтаический элемент не будет излучать опасную радиацию. Утечка заключенного материала может повлечь за собой риски для здоровья, как и утечка материалов в других типах батарей (например, литиевых, кадмиевых и свинцовых), которая приводит к серьезным последствиям для здоровья и окружающей среды. Безопасность можно дополнительно повысить, преобразовав используемый радиоизотоп в химически инертную и механически стабильную форму, что снижает риск рассеивания или биоаккумуляции в случае утечки.
Эффективность
Из-за высокой плотности мощности радиоизотопов и приоритета надёжности во многих областях применения бета-вольты, допустимы сравнительно низкие значения эффективности. Современные технологии обеспечивают однозначные проценты эффективности преобразования энергии от бета-частиц в электрическую энергию, однако ведутся исследования по повышению эффективности. Для сравнения, тепловая эффективность в диапазоне 30% считается относительно низкой для новых крупных тепловых электростанций, а передовые установки комбинированного цикла достигают эффективности 60% и выше, если оценивать по выработке электроэнергии на единицу тепловой энергии. Если бета-вольтовое устройство одновременно выполняет функцию радиоизотопного нагревателя, оно по сути представляет собой когенерационную установку и достигает значительно более высокой общей эффективности, поскольку большая часть отводимого тепла используется. Аналогично фотоэлектрическим преобразователям, предел Шокли-Квейссера также устанавливает абсолютный предел эффективности для бета-вольты с одной запрещённой зоной.