"Росатом" изготовил первую опытную партию компактных ядерных батареек. На заводе «Элемаш» в Электростали делают батарейки для ядерных реакторов, которые используют по всему миру. Физики оптимизировали толщину слоев ядерной батарейки, использующей для производства электрической энергии бета-распад изотопа никеля-63. В России разработана атомная батарейка. Эта батарейка будет полувечной: новости из мира энергетики будущего. И вот очередная громкая новость: американский стартап Nano Diamond Battery представил прототип бета-гальванической батареи, которая способна проработать тысячи лет.
Российские специалисты разработали "атомную батарейку", имеющую повышенную мощность
Сейчас ученые патентуют свою технологию производства атомной батарейки на международном уровне. Теперь пришло время рассказать о компактной атомной батарее созданной российскими учеными. Первую опытную партию ядерных батареек для космоса и авиации изготовил «Росатом». Этим они отличаются от атомных реакторов, в которых для этого используется управляемая цепная ядерная реакция. Изотоп никель-63 (63Ni) давно привлекает внимание инженеров как перспективный энергоисточник для атомных батареек.
Атомная батарейка в современном мире
Компактные «атомные батарейки» со сроком службы до 50 лет крайне востребованы в приборах и системах, где замена источников питания затруднительна, высокозатратна или. Области применения ядерных батарей разнообразны: в ближайшем будущем ядерные батарейки станут незаменимы на территориях, удаленных от инфраструктуры, например. Атомная батарейка состоит всего из двух ключевых компонентов: источника бета-излучения и полупроводникового преобразователя.
В России создали «ядерную батарейку» для космоса и авиации
Плутоний прочно ассоциировался со смертоносным оружием массового поражения. Но все же у изотопов были слишком разные свойства: 238-й не годился для применения в бомбах. Напротив, чем выше его содержание в «оружейном» 239-м изотопе, тем хуже — эффективность 239-го падает. Если совсем упростить, — 238-й не способен взрываться. Ученые начали обнаруживать интересные свойства. Кену и Джону повезло — в их распоряжении было передовое оборудование и другие мощности, которые использовали для разработки ядерного оружия во время холодной войны. Установка работала на принципе распада радиоактивного элемента — он нагревался до высоких температур, просто существуя. Так, один грамм оксида плутония-238 238-PuO2 генерирует 0,5 ватта тепловой энергии. Если ее перевести в электрическую, то получим «батарейку». У каждого изотопа на один или несколько электронов больше, чем нужно.
И они, в зависимости от своей структуры, рано или поздно стремятся «отдать» лишнее. При этом выделяется тепло, его и переводили в электрическую энергию. Как пустить тепло по электрическим проводам? На тот момент уже были известны разные методы. Термоэлектрический — если спаять два провода из разных металлов и нагревать один из них, то по ним пойдет ток. Позже появился термофотоэлектрический — улавливать «детектором» в инфракрасном спектре фотоны. Или даже термоэлектрический конвертер, начинка которого из расплавленных солей натрия и серы при нагреве тоже даст электричество. В общем, перевод энергии из одного вида в другую не был проблемой. Период полураспада — срок жизни изотопов.
У 238-го он 87,7 лет. Через этот срок в килограмме лишь половина вещества останется изотопом, а остальная часть избавится от «лишних» электронов и в данном случае превратится в уран-234. Через еще 87,7 лет останется лишь 250 граммов.
В процессе распада выделяется энергия. Вместо того чтобы пустить эту энергию на ветер, BV100 использует ее в своих интересах.
Конструкция устройства позволяет улавливать энергию, выделяемую при распаде никеля-63, и накапливать ее для питания различных устройств. Между слоями никеля-63 в батарею встроены листы монокристаллического алмазного полупроводника толщиной всего десять микрон. Такая сложная конструкция позволяет оптимизировать энергоэффективность батареи. Для каких применений? При емкости 3 300 мегаватт-часов BV100 имеет плотность энергии, более чем в десять раз превышающую плотность энергии обычных литиевых батарей.
Эффективная площадь преобразования бета-излучения в электрическую энергию в сравнении с аналогами увеличилась в 14 раз, что в результате дало общее увеличение тока. В числе прочих преимуществ разработчики отмечают упрощение технологии изготовления атомной батареи, что вдвое удешевляет её производство. Применение такой батареи возможно лишь в специальных микроэлектронных устройствах, в том числе в приборах, работающих в критических условиях — в космосе, под водой или в горах, отмечают исследователи. Например, в качестве аварийного источника питания небольших датчиков. Несмотря на относительную безопасность для человека и возможность работать до 20 и более лет, атомные батарейки пока не находят применения в быту из-за дороговизны производства. Но это очень-очень дорого и сложно.
Источником энергии для уникальных батареек послужил изотоп никеля-63. Сообщается, что излучение данного элемента не представляет опасности для живых организмов, его период полураспада длится приблизительно сто лет. Этой энергии должно хватить для автономного питания кардиостимулятора в течение многих лет.
Почему ядерные батарейки так и не стали популярны? История почти забытой технологии
| Российская «атомная батарейка» способна проработать 20 лет! | Изотоп никель-63 (63Ni) давно привлекает внимание инженеров как перспективный энергоисточник для атомных батареек. |
| Российская «атомная батарейка» способна проработать 20 лет! | Как устроена батарейка на ядерном топливе, и насколько она безопасна? Многоствольные скорострельные пулемёты. |
| Российские ученые оценили созданную в Китае ядерную батарейку - Онлайн-журнал «Энергия+» | И вот очередная громкая новость: американский стартап Nano Diamond Battery представил прототип бета-гальванической батареи, которая способна проработать тысячи лет. |
Что за ядерную батарейку создали российские учёные?
Группа исследователей из НИТУ «МИСиС» продемонстрировала прототип атомной батарейки, величина которой сопоставима с USB-флешкой. Атомную батарейку, которая эффективно сможет работать десятки лет, продлевая работоспособность космических и глубоководных приборов, создали ученые НИТУ «МИСиС». В России представили прототипы уникальных ядерных батареек, срок службы которых составляет более пятидесяти лет. Что это: атомная батарейка размером с монету, которая может работать до 20 лет. Китайский стартап Betavolt разработал атомную батарейку, которая может вырабатывать энергию в течение 50 лет без необходимости зарядки. Российские учёные из НИТУ "МИСиС" создали атомную батарейку, способную прослужить до 50 лет.
Российские физики уплотнили энергию ядерной батарейки в десять раз
Получить объемы электроэнергии, необходимые для питания, например, телефона, от подобного устройства невозможно. Заявленного напряжения будет недостаточно, чтобы зарядить что-то сложнее простейших устройств. По словам Сергея Леготина, максимум, на что сгодится ядерная батарейка, — это использование ее в качестве аварийного элемента питания резервных датчиков или передачи коротких сигналов.
Только лишь ученые приезжали, снимали показания, и уезжали опять.
Чтобы найти последние четыре генератора в Антарктиде, в 2015 была организована целая экспедиция. Чем заменить снятые с эксплуатации генераторы? Сейчас на Севере используют солнечные батареи и ветряки, но батареи заледеневают, ветряки сносит пурга...
Выручить может универсальная атомная батарейка, у которой и срок службы дольше, и КПД выше чем у советских ритегов. РИТЭГи сделаны по технологии термоэлектрической генерации, а наши ядерные батарейки сделаны по технологии термофотовольтаического преобразования. Пётр Борисюк, заведующий кафедрой физико-технических проблем метрологии Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ Морозы ядерной батарейке не помеха, в лаборатории уже протестировали систему, которая может работать при самом суровом минусе, на Северном морском пути например.
Наша ядерная батарейка является продолжением РИТЭГа, это фактически РИТЭГи второго поколения, на другом принципе преобразования, более эффективные, более надежные и фактически позволяют вам запитывать удаленные инфраструктурные объекты индивидуальными источниками питания. Это могут быть буи, створные знаки, это могут быть маяки, могут быть какие-то другие объекты Северного морского пути, в том числе метеостанции маленькие или другие. В Московском научно-исследовательском институте технической физики и автоматизации есть образцы радиоизотопных термоэлектрических генераторов для будущей лунной и марсианской программы России, однако их тоже возможно заменит атомная батарейка, как более эффективный источник питания.
Разработка может пригодиться в том числе и для спутников, которые полетят исследовать глубокий космос, там, где солнечные батареи уже не в состоянии дать достаточно энергии. Изобретатели ядерной батарейки говорят, что уже готовы сделать шаг от прототипа. Если говорить о сроках реализации всего проекта, то по-видимому речь идет о 5-6 годах, когда мы совместно с нашим основным партнером, госкорпорацией Росатом, перейдем на серийный выпуск таких изделий широкой линейки как по мощности, так и по срокам их работы.
К сожалению, в 1994 году московский планетарий закрылся. Лишь 12 июня 2011 года, после реконструкции, он вновь стал принимать посетителей. Московский планетарий находится по адресу ул. Садовая-Кудринская, д. С программой мероприятий и временем работы заведения вы можете ознакомиться на официальном сайте центра. За основу разработки специалисты взяли технологию MEMS microelectromechanical systems, микроэлектромеханические системы. В качестве элемента питания — радиоактивный изотоп.
В итоге атомная батарейка способна проработать не менее 50 лет. А теперь более подробно. В элементе питания под тонким слоем изотопа никель-63 период полураспада превышает 100 лет расположен крошечный кантилевер рычаг. В процессе распада электроны заряжают его и создают разность потенциалов между пленкой и рычагом. Таким образом, кантилевер притягивается к пленке и, касаясь ее, разряжается, тем самым возвращаясь в исходное положение. В конструкции атомной батарейки использовался кварцевый рычаг, механическое движение которого и преобразовалось в электроэнергию. Самое интересное, что в 2013 году в продажу поступил атомный аккумулятор NanoTritium от компании City Labs, который, по заверениям производителей, способен обеспечить работу электронного устройства сроком до 20 лет.
Представьте себе батарейку, которая может работать годами. Её не нужно заряжать, она ничего не выделяет в окружающую среду и способна выдержать сильнейшие нагрузки без повреждений. Звучит как сказка, но такая технология существует. Речь идёт о ядерных батарейках, которые известны науке с 60-х годов. Такие батарейки не найти в магазине. Их разрабатывают для долговременного питания важных технологических комплексов. Они стоят дорого, но зато крайне надёжны: их можно использовать даже на космических станциях. Что такое ядерная батарейка Ядерная батарейка — устройство, которое использует энергию распада радиоактивного изотопа, чтобы вырабатывать электроэнергию. Излучение внутри батарейки «ловят» с помощью специальных элементов, чаще всего полупроводниковых. А они превращают ядерное излучение в электричество.
В качестве источника могут использоваться разные изотопы, поясняет Сергей Леготин. Чаще всего говорят о батарейках на основе трития, плутония или изотопа никель-63. От вида изотопа зависит, сколько времени будет работать батарейка и какие мощности выдавать. Структуру, состоящую из изотопа и полупроводников, помещают внутрь специального защищённого корпуса. Он спроектирован таким образом, чтобы радиация не выходила наружу, а сама батарейка могла пережить ударные нагрузки, перепады температур и давления. Получается надёжная и практически автономная конструкция, изолированная от окружающей среды. Ядерные батарейки не нуждаются в подзарядке и могут работать в течение многих лет. В теории — пока не достигнут периода полураспада изотопа, который в них находится. На практике ещё нужно учитывать деградацию других элементов, например полупроводников. Какими бывают ядерные батарейки и как они работают Источники энергии на основе изотопов можно разделить на две категории: тепловые и нетепловые.
Всё зависит от того, каким образом из энергии ядерного распада получают электричество. РИТЭГ: что было до ядерных батареек. Такие устройства использовали в космосе, в тех местах, где невозможно применять солнечные батареи. Например, на космических кораблях, которые отходят далеко от Солнца. Внутри устройства — радиоактивный изотоп, который распадается естественным путём и при этом выделяет тепло. Специальные элементы преобразуют это тепло в электричество. РИТЭГ — хорошо изученная технология, но не слишком эффективная. При таком способе преобразования теряется много энергии. К тому же термические преобразователи громоздкие и хрупкие, пользоваться ими не очень удобно. Нужна была более совершенная технология.
Электронно-вольтаический эффект и сэндвич-структура.
В России создали «ядерную батарейку» для космоса и авиации
Также известно, что атомная батарейка может быть создана на основе изотопа америций-241, в этом случае устройство будет работать 432 года. Новая российская атомная батарейка стала в десять раз мощнее и вдвое дешевле аналогов. Первую опытную партию ядерных батареек для космоса и авиации изготовил «Росатом».
Как делают ядерные батарейки и зачем они нужны
Главным вопросом, которому посвящена разработка НИЯУ МИФИ, является исследование электрофизических свойств формируемой нанокластерной пленки никеля и подбор оптимальных параметров эксперимента для создания эффективного преобразователя энергии бета-распада 63Ni в электричество. Первичные результаты, подтверждающие возможность реализации такой системы, ранее были опубликованы коллективом авторов в престижном журнале Applied Physics Letters. Однако оказалось, что данные наноструктурированные пленки могут использоваться в качестве селективного фотоэмиттера — системы с перераспределенным спектром излучения в заданном спектральном диапазоне. Как показали проведенные эксперименты, процесс окисления данной пленки приводит к образованию оксидной оболочки поверх металлического ядра нанокластера. Таким образом, при окислении металлической пленки формируется ансамбль металлических нанокластеров с пространственным распределением нанокластеров по размерам и имеющих слой оболочку оксида. Малые размеры нанокластеров 2-15 нм приводят к проявлению квантовых свойств, в связи с чем ансамбль подобных нанокластеров, имеющих оксидную оболочку, представляет собой набор полупроводниковых материалов с широким разбросом значений ширины запрещенной зоны. Это обеспечивает возможность эмиссии фотонов заданной длины волны при нагреве и, следовательно, обеспечивает возможность «настройки» спектра излучения предлагаемой системы под требуемый диапазон длин волн. Это принципиально важный момент, повышающий в рамках предлагаемой концепции энергоэффективность и энергосбережение современных тепловых источников электроэнергии на совершенно новый уровень.
В этой системе увеличен токовый сигнал, поскольку регенерация вторичных электронов происходит внутри наноструктурированных плёнок никеля. В процессе окисления этих плёнок на металлическом ядре образуется оксидная оболочка, что увеличивает эффективность источника питания. Кроме того, никель-63 испускает мягкое бета-излучение, поэтому для него легко создать физическую защиту.
Это делает применение никеля-63 достаточно доступным.
Но чтобы получить данный изотоп потребовалось создать новую технологию по нарезке прочного алмазного материала. Вообще ядерная батарея состоит из излучателя и отделенного с помощью специальной пленки коллектора. Когда идет распад радиоактивный элемент выпускает бета излучение. В итоге происходит его положительный заряд. В это время коллектор заряжается отрицательно. После чего появляется разность потенциалов и образуется электрический ток. По сути наш атомный элемент питания представляет из себя слоистый пирог. Промеж 200-т алмазных полупроводников стоят 200 источников энергии, выполненных из никеля 63.
Высота источника энергии составляет около 4 мм. Его вес равен 250 миллиграмм. Маленький размер — это большой плюс для Российской атомной батарейки. Сложно отыскать нужные габариты. Большая толщина изотопа не даст появившимся в нем электронам выйти.
Российские ученые создали уникальную атомную батарейку Группа исследователей из НИТУ «МИСиС» разработали аккумулятор на атомной энергии, который прослужит больше 20 лет.
Таким образом им удалось значительно увеличить энергетическую плотность аккумулятора. Она может выдавать небольшое количество энергии, но беспрерывно на протяжении 20 лет.
Атомная батарейка в современном мире
Новости энергетики. Рубрики. Российские специалисты разработали "атомную батарейку", имеющую повышенную мощность. Миниатюрную атомную батарейку разработали учёные НИТУ «МИСиС». Betavolt планирует выпустить версию ядерной батарейки на 1 ватт к 2025 году. Этим они отличаются от атомных реакторов, в которых для этого используется управляемая цепная ядерная реакция. Атомная батарейка.
Форма поиска
- В России создана атомная батарейка: может работать до ста лет
- "Ядерная" батарейка. В России придумали элемент питания, работающий тысячи
- Российская «атомная батарейка» способна проработать 20 лет! /
- В России разработана атомная батарейка / ИА REX
- 80 лет без подзарядки: в России создали атомную батарею
- Почему не делают смартфоны и ноутбуки на атомных батарейках? И могут ли они появиться в будущем?
Последние новости
- Китай представил ядерную батарейку размером с монету, которой хватит на 50 лет |
- Правила комментирования
- ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:
- Российские ученые создали батарейку, работающую 100 лет - Российская газета
- Как получить тяжёлый никель
В НИЯУ МИФИ создали прототип ядерной батарейки
А вот чтобы собрать батарейку, способную питать условный компьютер, уже нужна конструкция весом как минимум в несколько килограммов. Примерно как десять смартфонов, сложенных друг на друга. А ещё защитный корпус с толщиной стенки около сантиметра». Если используемый изотоп более мощный и выдаёт больше энергии, с ним можно сделать более компактную батарейку. Скажем, элементы питания для тех же кардиостимуляторов делались на основе более активного плутония и потому занимали очень мало места. Но и защита у мощных изотопов должна быть сложнее, а ещё интенсивное излучение изнашивает элементы батарейки.
А это надёжно? Защитный корпус батарейки проектируют с учётом условий эксплуатации. А ещё учитывают, какой именно изотоп используется внутри. Например, тритий даёт довольно слабое излучение, поэтому делать огромный корпус с толстыми стенками для него не нужно. А вот для плутония нужна куда более серьёзная защита: его рекомендуют применять только там, где минимален риск потенциальной аварии.
А для гипотетического бытового применения можно использовать изотопы с низкими энергиями, например тритий или никель-63. Защитные корпуса для них могут быть тоньше и меньше, ведь глубина проникновения излучения очень низкая. Даже если человек случайно возьмёт в руки никель-63, ему будет достаточно просто помыть руки, чтобы избежать негативного влияния». Корпус разрабатывают так, чтобы он мог выдерживать большие нагрузки: перепады давления вплоть до полного вакуума, повышенные и пониженные температуры, удары и катаклизмы. Ведь существующие сейчас прототипы собираются использовать в довольно суровых условиях.
Даже если с источником питания что-то случится — контур закрытый, и радиация не выйдет наружу. А ещё современные батарейки оснащают системами контроля обстановки, в том числе мониторингом радиационного фона и геолокацией. Так можно следить за работой устройства, даже если оно находится в космосе или на дне океана. Для чего нужны такие батарейки Ядерные батарейки способны бесперебойно питать элементы годами, пока не достигнут периода полураспада радиоактивного изотопа. Для трития это 12 лет, а для никеля-63 — около 100.
И даже после этого батарейка не перестанет работать совсем, просто её мощность упадёт вдвое. На протяжении всего срока службы её не надо подзаряжать или заменять источники питания, она полностью автономна. Реактор для кофеварки Поэтому ядерные батарейки можно использовать для питания критичных узлов. Например, на космических или арктических станциях. Обычно ядерные батарейки применяют как дополнительный источник питания вместе с химическими и солнечными батареями.
Дело в том, что в производстве ядерная батарейка очень дорогая — использовать её как основной источник электричества невыгодно, хотя характеристики это позволяют. Впрочем, свою сферу применения такие элементы питания всё-таки находят. Сейчас привлекают финансирование для создания малых серий тритиевых батареек, которые отправят в космос для питания важных технологических узлов. А плутониевые термофотовольтаические батарейки от НИЯУ «МИФИ» планируют пустить в производство в ближайшие три года — и использовать на объектах вдоль Северного морского пути, к примеру на маяках или метеостанциях. А в магазинах они появятся?
Рассуждает эксперт по мобильным технологиям Николай Турубар. Николай Турубар эксперт по мобильным технологиям «Это все уже очень быстро решается. Например, блютуз-гарнитура очень долго не могла войти в рынок, хотя была давно известна, давно разработана, но людям не нравилось, когда человек идет по улице и говорит как будто с самим собой. Производители специально сделали светодиоды, чтобы они мигали, чтобы люди видели, что это не бзик, что он говорит не сам с собой, что он говорит в эту штучку, и люди специально прикладывали руку к пустому уху, где гарнитура, чтобы окружающие видели, что это не психоз. Но когда критическая масса была достигнута, все стали ими пользоваться, это уже привычно. В настоящее время батарейка проходит пилотные испытания. Возможно, скоро ее запустят в серийное производство.
Исследователи разработали особую конструкцию микроканальную 3D-структуру атомной батареи, в которой расположение радиоактивного элемента изотопа никеля предотвращает потерю мощности, вызываемую обратным током. Эффективная площадь преобразования бета-излучения в электрическую энергию в сравнении с аналогами увеличилась в 14 раз, что в результате дало общее увеличение тока. В числе прочих преимуществ разработчики отмечают упрощение технологии изготовления атомной батареи, что вдвое удешевляет её производство. Применение такой батареи возможно лишь в специальных микроэлектронных устройствах, в том числе в приборах, работающих в критических условиях — в космосе, под водой или в горах, отмечают исследователи. Например, в качестве аварийного источника питания небольших датчиков. Несмотря на относительную безопасность для человека и возможность работать до 20 и более лет, атомные батарейки пока не находят применения в быту из-за дороговизны производства.
Их широкому применению мешают не сложности с безопасностью, а стоимость и удельная мощность — первая непозволительно велика, а вторая непрактично мала для потребительской электроники. Чтобы понять, почему это проблема, рассмотрим возможные способы улавливания и преобразования энергии деления атома. В ходе радиоактивного распада энергия выделяется несколькими путями. Самый очевидный — тепло: делящийся материал может разогреваться сам, а может разогревать окружающие его субстанции за счет торможения в них продуктов распада. Последние представлены альфа- ядро гелия, два протона и два нейтрона или бета-частицами высокоэнергетический электрон или позитрон. Кроме того в результате распада могут излучаться гамма-частицы высокоэнергетический фотон и свободные нейтроны. Для выработки электричества чаще всего используется тепло. Наиболее эффективный способ — испарить воду, которая, расширяясь будет крутить турбину. Теоретически при этом можно перевести до 30-40 процентов тепла в электричество.