Оптоэлектрическая ядерная батарея нового поколения
Optoelectric nuclear battery
Ядерные батареи: новая технология от Курчатовского института! Преобразование энергии распада в электричество через свет. Радиоизотопные источники питания.
Оптоэлектрическая ядерная батарея (также радиофотоэлектрическое устройство, радиолюминесцентная ядерная батарея или радиоизотопный фотоэлектрический генератор) — это тип ядерной батареи, в котором ядерная энергия преобразуется в свет, который затем используется для выработки электрической энергии. Это достигается за счет направления ионизирующего излучения, испускаемого радиоактивными изотопами, на люминесцентный материал (сцинтиллятор или люминофор), который, в свою очередь, излучает фотоны, генерирующие электричество при попадании на фотоэлектрический элемент. Технология была разработана исследователями Курчатовского института в Москве.
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.
Описание
Бета-излучатель, такой как технеций-99 или стронций-90, суспендируется в газе или жидкости, содержащей люминесцентные газообразные молекулы эксимерного типа, образуя "пылевую плазму". Это обеспечивает почти бес потерь излучение бета-электронов от излучающих частиц пыли. Затем электроны возбуждают газы, чья экцимерная линия выбрана для преобразования радиоактивности в окружающий фотоэлектрический слой, что позволяет теоретически создать легкий, низкого давления, высокоэффективный аккумулятор. (На практике существующие конструкции тяжелые и требуют высокого давления.) Эти нуклиды являются относительно недорогими радиоактивными отходами ядерных реакторов. Диаметр частиц пыли настолько мал (несколько микрометров), что электроны от бета-распада покидают частицы пыли почти без потерь. Окружающая слабоионизированная плазма состоит из газов или газовых смесей (таких как криптон, аргон и ксенон) с экцимерными линиями, благодаря чему значительная часть энергии бета-электронов преобразуется в свет. Окружающие стенки содержат фотоэлектрические слои с широкой запрещенной зоной, такие как алмаз, которые преобразуют оптическую энергию, генерируемую излучением, в электрическую энергию. Немецкий патент описывает оптоэлектрическую ядерную батарею, состоящую из эксимера аргона, ксенона или криптона (или смеси двух или трех из них) в сосуде под давлением с внутренней зеркальной поверхностью, мелкодисперсного радиоизотопа и периодически включающегося ультразвукового перемешивателя, освещающего фотоэлемент с шириной запрещенной зоны, настроенной на экцимер. Когда бета-излучающие нуклиды (например, криптон-85 или аргон-39) испускают бета-частицы, они возбуждают собственные электроны в узкой экцимерной полосе с минимальными тепловыми потерями, так что это излучение эффективно преобразуется в электричество в фотоэлектрическом слое с широкой запрещенной зоной (например, в p-n переходе алмаза). Электрическая мощность на единицу веса, по сравнению с существующими радионуклидными батареями, может быть увеличена в 10-50 раз или более. Если сосуд под давлением изготовлен из углеродного волокна/эпоксидной смолы, то отношение мощности к весу сопоставимо с воздушно-реактивным двигателем с топливными баками. Преимущество этой конструкции заключается в отсутствии необходимости в прецизионных электродных сборках, и большинство бета-частиц покидают мелкодисперсный сыпучий материал, внося вклад в чистую мощность аккумулятора.
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.
Недостатки
Высокая стоимость радионуклидов. Тяжелый герметичный корпус, выдерживающий высокое давление (до 10 МПа или 100 бар). Нарушение герметичности привело бы к выбросу струй мелкодисперсных радиоизотопов, образуя эффективное радиоактивное оружие ("грязную бомбу"). Внутренний риск отказа, вероятно, ограничит применение этого устройства космическими задачами, где мелкодисперсный источник радиоизотопов извлекается из безопасной транспортной оболочки и помещается в газ высокого давления только после выхода устройства за пределы земной орбиты.
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.
Как проект DIY
Простую бета-фотоэлектрическую ядерную батарею можно собрать из легкодоступных ампул с тритием (стеклянных трубок, заполненных тритием и покрытых радиолюминесцентным фосфором) и солнечных элементов. Одна из конструкций, использующая 14 ампул с тритием размером 22,5x3 мм, выдавала 1,23 микроватта при максимальной мощности в 1,6 вольта.
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.