Bateria atomowa we współczesnym świecie

Nauka obecnie postępuje i rozwija się. Wynaleziono już baterię jądrową. Takie źródło energii może działać nawet 50, a czasem nawet 100 lat. Wszystko zależy od jego rozmiaru i użytej substancji radioaktywnej.

Rosatom jako pierwszy ogłosił produkcję baterii jądrowej. W 2017 roku firma zaprezentowała prototyp na wystawie.

Naukowcom udało się zoptymalizować warstwy baterii jądrowej, która wykorzystuje rozpad beta izotopu niklu-63 do wytwarzania energii elektrycznej.

1 gram tej substancji zawiera 3300 miliwatogodzin.

Jak działa bateria atomowa

Bateria atomowa, znana również jako generator ciepła radioizotopowego (RIHG), to źródło energii, które wykorzystuje proces rozpadu izotopów radioaktywnych do wytwarzania ciepła, a następnie przekształca je w energię elektryczną.

Zasada działania baterii atomowej opiera się na rozpadzie promieniotwórczym, w którym jądra atomów rozpadają się, emitując cząstki i energię. Jednym z najczęściej stosowanych materiałów w bateriach atomowych jest pluton-238, który charakteryzuje się długim okresem półtrwania. Pluton-238 rozpada się na uran-234, emitując cząstki alfa. Cząstki te zawierają dużą energię, która w kontakcie z otoczeniem przekształca się w ciepło.

Generowanie ciepła jest kluczowym etapem działania baterii atomowej. Ciepło jest przekazywane przez wymiennik ciepła do konwertera termoelektrycznego. Konwerter ten zawiera materiały zdolne do generowania prądu elektrycznego pod wpływem różnicy temperatur. W ten sposób ciepło z rozpadu radioaktywnego plutonu-238 jest przekazywane na jedną stronę konwertera termoelektrycznego, powodując różnicę temperatur między jego obiema stronami. Ta różnica temperatur umożliwia generowanie energii elektrycznej z wykorzystaniem zjawiska termoelektrycznego Seebecka.

Energia elektryczna generowana przez konwerter termoelektryczny jest wykorzystywana do zasilania urządzeń elektrycznych. Główną zaletą baterii atomowych jest to, że stanowią stabilne i długotrwałe źródło energii, niewymagające wymiany ani ładowania przez wiele lat. Jednak ze względu na zastosowanie materiałów radioaktywnych, baterie atomowe wiążą się z pewnym ryzykiem i wymagają zachowania szczególnych środków ostrożności podczas użytkowania i obsługi.

 

Czy baterie jądrowe są niebezpieczne?

Twórcy twierdzą, że baterie te są całkowicie bezpieczne dla przeciętnego użytkownika. Dzieje się tak dzięki przemyślanej konstrukcji obudowy.

Wiadomo, że promieniowanie beta jest szkodliwe dla organizmu. Jednak w nowo powstałym akumulatorze jądrowym jest ono miękkie i zostanie pochłonięte przez ogniwo energetyczne.

Obecnie eksperci wskazują kilka branż, w których planowane jest wykorzystanie rosyjskiej baterii jądrowej A123:

1. Medycyna.
2. Przemysł kosmiczny.
3. Przemysł.
4. Transport.

Oprócz tych obszarów, nowe, długotrwałe źródła energii mogą być wykorzystywane także w innych.

Zalety baterii jądrowej

Podkreślono szereg pozytywnych cech:

• Trwałość. Mogą przetrwać nawet 100 000 lat.
• Zdolność do wytrzymania krytycznych temperatur.
• Dzięki niewielkim rozmiarom są łatwe w transporcie i można je stosować w kompaktowych urządzeniach.

Wady baterii jądrowej

• Złożoność produkcji.
• Istnieje ryzyko narażenia na promieniowanie, szczególnie w przypadku uszkodzenia obudowy.
• Drogie. Pojedyncza bateria jądrowa może kosztować od 500 000 do 4 500 000 rubli.
• Dostępne dla ograniczonego kręgu osób.
• Mały wybór.

Badania i rozwój baterii jądrowych prowadzą nie tylko duże firmy, ale także zwykli studenci. Na przykład student z Tomska opracował własną baterię jądrową, która może działać przez około 12 lat bez ładowania. Wynalazek opiera się na rozpadzie trytu. Właściwości tej baterii pozostają niezmienne w czasie.

Bateria atomowa do smartfonów

Od 2019 roku produkowane są źródła energii jądrowej do telefonów. Wyglądają one jak te pokazane na poniższym zdjęciu.

Przypominają mikroprocesor, który umieszcza się w specjalnych slotach w telefonie komórkowym. Taka bateria może działać przez 20 lat i nie wymaga ładowania w tym czasie. Jest to możliwe dzięki procesowi rozszczepienia jądrowego. Jednak to źródło energii może być dla wielu osób alarmujące. W końcu wszyscy wiedzą, że promieniowanie jest szkodliwe i szkodliwe dla organizmu. A mało kto lubi nosić taki telefon przy sobie przez cały dzień.

Naukowcy twierdzą jednak, że ta bateria jądrowa jest całkowicie bezpieczna. Substancją czynną jest tryt. Promieniowanie emitowane podczas jego rozpadu jest nieszkodliwe. Tryt w akcji można zobaczyć na świecącym w ciemności zegarku kwarcowym. Bateria wytrzymuje temperatury do -50°C i działa niezawodnie w temperaturach do 150°C.⁰. Jednocześnie nie zaobserwowano żadnych wahań w jego pracy.

Miło byłoby mieć taką baterię pod ręką, przynajmniej do ładowania telefonu zwykłą baterią.

Napięcie takiej baterii waha się między 0,8 a 2,4 wolta. Generuje ona również od 50 do 300 nanoamperów. A wszystko to dzieje się przez okres 20 lat.

Pojemność oblicza się następująco: C = 0,000001 W * 50 lat * 365 dni * 24 godziny / 2 V = 219 mA

Aktualna wartość baterii wynosi 1122 dolary. Po przeliczeniu na ruble po obecnym kursie wymiany (65,42) kwota ta wyniosłaby 73 400 rubli.

Gdzie wykorzystuje się baterie jądrowe?

Zakres zastosowania jest praktycznie taki sam jak w przypadku konwencjonalnych baterii. Znajdują one zastosowanie w:

• Mikroelektronika.
• Czujniki ciśnienia i temperatury.
• Implanty.
• Jako power banki do baterii litowych.
• Systemy identyfikacji.
• Godziny.
• Pamięć SRAM.
• Do zasilania procesorów o niskim poborze mocy, takich jak FPGA, ASIC.

Nie są to jedyne urządzenia; ich lista znacznie się w przyszłości rozszerzy.

Bateria jądrowa niklowo-63 i jej charakterystyka

To jądrowe źródło energii, oparte na izotopie 63, może działać nawet 50 lat. Działa ono w oparciu o efekt beta-woltaiczny. Jest on niemal identyczny z efektem fotoelektrycznym. W tym efekcie pary elektron-dziura w sieci krystalicznej półprzewodnika powstają w wyniku działania szybkich elektronów lub cząstek beta. W efekcie fotoelektrycznym pary te powstają w wyniku działania fotonów.

Bateria atomowa niklu-63 powstaje poprzez napromieniowanie tarcz niklu-62 w reaktorze. Badacz Gawriłow twierdzi, że proces ten trwa około roku. Niezbędne tarcze są już dostępne w Żeleznogorsku.

Jeśli porównamy nowe rosyjskie baterie jądrowe niklowo-63 z bateriami litowo-jonowymi, to będą one 30 razy mniejsze.

Eksperci twierdzą, że te źródła energii są bezpieczne dla ludzi, ponieważ emitują słabe promieniowanie beta. Co więcej, nie jest ono uwalniane na zewnątrz, lecz pozostaje wewnątrz urządzenia.

To źródło zasilania jest obecnie idealne do rozruszników serca. Twórcy nie ujawnili jednak jego kosztu. Można go jednak obliczyć bez nich. Jeden gram Ni-63 kosztuje obecnie około 4000 dolarów. W związku z tym w pełni funkcjonalna bateria wymagałaby znacznej inwestycji.

Skład baterii jądrowej

Nikiel-63 jest pozyskiwany z diamentów. Jednak uzyskanie tego izotopu wymagało opracowania nowej technologii cięcia tego trwałego materiału diamentowego.

Bateria jądrowa składa się z emitera i kolektora, oddzielonych specjalną warstwą. Podczas rozpadu pierwiastka radioaktywnego emituje on promieniowanie beta. Powoduje to naładowanie go ładunkiem dodatnim. Jednocześnie kolektor naładowuje się ujemnie. W ten sposób powstaje różnica potencjałów, generująca prąd elektryczny.

Zasadniczo nasze ogniwo atomowe to warstwowy tort. 200 źródeł zasilania niklu-63 jest umieszczonych pomiędzy 200 diamentowymi półprzewodnikami. Źródło zasilania ma około 4 mm wysokości i waży 250 miligramów. Jego niewielkie rozmiary stanowią ogromną zaletę rosyjskiej baterii atomowej.

Znalezienie odpowiednich wymiarów jest trudne. Gruby izotop uniemożliwi ucieczkę wytwarzanych przez siebie elektronów. Cienki izotop jest niekorzystny, ponieważ zmniejsza liczbę rozpadów beta w jednostce czasu. To samo dotyczy grubości półprzewodnika. Bateria działa najlepiej przy grubości izotopu około 2 mikronów, podczas gdy półprzewodnik diamentowy wymaga 10 mikronów.

Ale to, co naukowcy osiągnęli do tej pory, to nie wszystko. Emisja spalin mogłaby wzrosnąć co najmniej trzykrotnie. Oznacza to, że bateria jądrowa mogłaby być trzykrotnie tańsza.

Bateria jądrowa oparta na węglu-14, której żywotność wynosi 100 lat.

Ta bateria atomowa ma następujące zalety w porównaniu z innymi źródłami energii radiacyjnej:

1. Taniość.
2. Przyjazne dla środowiska.
3. Długa żywotność, nawet do 100 lat.
4. Niska toksyczność.
5. Bezpieczeństwo.
6. Możliwość pracy w ekstremalnych warunkach temperaturowych.

Radioaktywny izotop węgla-14 ma okres półtrwania wynoszący 5700 lat. Jest całkowicie nietoksyczny i niedrogi.

Nie tylko Stany Zjednoczone i Rosja, ale także inne kraje aktywnie pracują nad modernizacją baterii jądrowych! Naukowcy opracowali metodę wytwarzania powłoki na podłożu węglikowym. W rezultacie koszt podłoża spadł stukrotnie. Taka struktura jest odporna na promieniowanie, co czyni to źródło energii bezpiecznym i trwałym. Zastosowanie węglika krzemu w bateriach jądrowych umożliwia pracę w temperaturach do 350 stopni Celsjusza.

Naukowcom udało się własnoręcznie stworzyć baterię atomową!