Ученые российской атомной отрасли вплотную приблизились к созданию так называемого бета-вольтаического источника питания на основе радиоактивного изотопа никель-63. Физики оптимизировали толщину слоев ядерной батарейки, использующей для производства электрической энергии бета-распад изотопа никеля-63. Ядерные батарейки способны бесперебойно питать элементы годами, пока не достигнут периода полураспада радиоактивного изотопа.
Российские учёные создали прототип ядерной батарейки, которую можно не заряжать годами
При размерах всего 15 x 15 x 15 мм эта батарея в настоящее время рассчитана на 100 микроватт и 3 вольта. Конечно, такой мощности пока недостаточно для питания повседневных электронных устройств, таких как смартфоны. Однако она дает представление о будущих применениях. В частности, Betavolt предполагает, что при соблюдении соответствующих норм атомные батарейки могут использоваться потребителями для питания таких устройств, как мобильные телефоны, предлагая альтернативу частой подзарядке обычных аккумуляторов. Батарея не генерирует внешнего излучения, не воспламеняется и не взрывается в ответ на раздражители. Эта особенность также открывает путь к потенциальному применению в медицине, например, в кардиостимуляторах и искусственных сердцах. Что касается сроков, то сказать сложно.
Этого хватит чтобы обеспечить электричеством, например, метеостанцию на Крайнем Севере, где альтернативные источники энергии использовать очень непросто, особенно Полярной ночью. Области применения ограничиваются только фантазией инженеров. Можем поставить станцию слежения за температурой где-нибудь на отдалённом острове и на протяжении всего периода работы такого источника мы будем получать сигнал.
Тепло с помощью особого нанопокрытия превращают в свет, а свет в электрическую энергию. Оригинальность решения ученых МИФИ в использовании специального покрытия. Мы создаем специальное покрытие на основе наночастиц, которыми покрывается капсула радиоизотопного источника тепла, чтобы сместить спектр излучения нагретого тела в более коротковолновую область, в более видимый спектр.
Это позволяет увеличить эффективность преобразования энергии ядерного распада в электричество с помощью специальных фотоэлементов. Торий-228 излучает 2 года, плутоний-238 почти 90 лет, а если источником сделать америций-241, то атомный источник будет беспрерывно и безопасно давать электричество дольше, чем 4 столетия. Идея такой батарейки в том, что мы один раз ее поставили либо в прибор, либо в механизм, и забыли.
Весь период работы этого прибора обеспечивается энергией такой батарейки. Правильный подбор изотопов позволяет создать абсолютно безопасные источники энергии и от их продуктов деления можно защититься тонкой фольгой или даже листом бумаги. Все это в России умеют делать еще с советских времен.
В нём тепловая энергия, которая выделяется при распаде изотопа, преобразовывалась в электрическую с помощью специального генератора, это были уникальные для своего времени источники питания для обеспечения автономной работы техники в самой труднодоступной среде.
Этот радиоактивный элемент распадается, то есть с течением времени он изменяется естественным образом. 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?
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.
Не получится загрузить на борт космического аппарата десяток батареек и менять их по мере надобности — они все начинают работу еще до того, как их подключают к системе. Постоянное уменьшение количества радиоактивного топлива означает и уменьшение тепла и электричества.
Российские ученые создали атомную батарейку, которая может работать 20 лет
На заводе «Элемаш» в Электростали делают батарейки для ядерных реакторов, которые используют по всему миру. В отличие от батарейки Росатома, бристольская атомная батарейка использует изотоп C 14 и может работать 5730 лет! Ученые НИЯУ МИФИ вплотную подошли к созданию ядерной батарейки принципиально нового типа.
Неоружейный плутоний: российские ученые создали уникальную ядерную батарейку
В 2016 году учёные уже сообщали о разработке прототипа ядерной батарейки на основе никеля-63. В отличие от литийионных аккумуляторов, атомная батарейка в тридцать раз компактнее и совершенно безвредна для человека. Ученые НИТУ «МИСиС» разработали атомную батарейку с повышенной в десять раз мощностью. Атомные батарейки, то есть источники электрического тока, получающие энергию от распада радиоактивных веществ.
Российские учёные создали прототип ядерной батарейки, которую можно не заряжать годами
В батарейке МИФИ несколько иной принцип действия — изотоп в вакуумной камере нагревается до 1500 градусов Цельсия и начинает светиться. В отличие от батарейки Росатома, бристольская атомная батарейка использует изотоп C 14 и может работать 5730 лет! Уникальность атомной батарейки еще и в размере. В сравнении с литий-ионными аккумуляторами, батарейка на основе никеля-63 в 30 раз компактнее.
Почему не делают смартфоны и ноутбуки на атомных батарейках? И могут ли они появиться в будущем?
Например, это могут быть различные имплантаты, находящиеся внутри человека годами. Необходимость замены батарейки без хирургической операции невозможна, а сфер, где требуется небольшой и очень мощный источник питания очень много. Недавно в научных изданиях появилась любопытная информация о компании Betavolt Technology, которая представила атомную батарейку. Размер батарейки немногим меньше монеты, а сама она способна обеспечивать энергией устройства в течение примерно половины века без необходимости дополнительной зарядки или технического обслуживания. На сайте Betavolt Technology отмечается, что в перспективе такая батарейка может быть использована не только в медицинских приборах, но и найдёт жизнь в потребительской электронике. Это смартфоны, дроны и многие другие устройства, требующих постоянного источника питания. Известно, что атомная батарея основана на 63-ядерных изотопах, которые после периода распада превращаются в стабильный изотоп меди.
Путём многочисленных экспериментов ужалось доказать, что батарейка безопасна и не генерирует внешнего излучения. Таким образом никакой радиации нет, а значит батарейка подойдёт для повседневного использования. Основные компоненты ядерной батареи состоят из преобразователя, подложки, источника никеля-63 и защитного слоя.
Действительно ли она безопасна для человека и будет ли производство батареек дорогим, рассказывает доцент кафедры радиохимии химического факультета МГУ Владимир Петров: — Будет дорогой однозначно. Изотоп никеля-63 получают из никеля-62, это один из природных изотопов никеля, но, чтобы этот никель-63 был чистым, нужно из природной смеси изотопов никеля выделить именно никель-62, для массового потребления это будет недешево. Так как энергия этих электронов не очень большая, то и проникающая способность у них невелика, то есть все, что вылетает из никеля-63, за стенки батарейки не вылетает. С этой точки зрения можно сказать, что такие батареи относительно безопасны для человека. Относительно — потому, что, если ее не вскрывать, она безопасна. Такие разработки, так называемые бетавольтаические источники, во всем мире, в том числе в России, ведутся, китайская компания, видимо, решила сделать из этого массовый продукт. Я не могу сказать, что в России такое бы разрешили, потому что с точки зрения законодательства такие радиоактивные материалы все-таки нуждаются в строгом учете и контроле.
Со слов Сергея Зырянова, руководителя изотопного отдела это единственное в мире предприятие, занимающееся изготовления радиоизотопа в промышленных масштабах. Для производства идеи данных атомных батареек будет использоваться радиоизотоп Никель-63. Сам изотоп добывают в ядерном реакторе из Никеля-62 - природного изотопа.
Батареи в основу которых ляжет данное вещество будут производить низкое B-излучение, поглощение которого будет происходить уже внутри источника питания и не будет нести вред живым существам.
Ядерные батарейки представляют собой источник тока, который преобразовывает электричество из энергии радиоактивного распада метастабильных ядер. Такие источники энергии могут работать без подзарядки в течение нескольких лет. Об этом пишет издание Applied Physics Letters. Российские физики разработали определённую систему.
Ядерное питание: российские учёные создали атомную батарейку повышенной мощности
Отмечается, что ядерные батарейки работают за счет преобразования в электричество энергии распада метастабильных ядер. «Ядерная батарейка» впервые разработана в России, передает РИА «Новости». Образец "ядерной батарейки" состоял из двухсот алмазных преобразователей, чередуемых слоями фольги из никеля-63 и стабильного никеля. Ученые НИЯУ МИФИ вплотную подошли к созданию ядерной батарейки принципиально нового типа. Петр Борисюк занимается разработкой атомной батарейки, способной работать без подзарядки порядка 80 лет.
Российские ученые создали батарейку, работающую 100 лет
Таким образом, формирование нанокластерных пленок никеля-63 с градиентным распределением наночастиц по размерам открывает уникальную возможность и позволяет совместить сразу два важных процесса: во-первых, формировать покрытия с фиксированной разностью потенциалов определяется разницей размеров наночастиц в выделенном направлении ; во-вторых, осуществлять преобразование энергии бета-распада 63Ni в ток электронов без использования дополнительных сложных для реализации полупроводниковых систем. 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 наиболее перспективный радионуклид в бета-вольтаике — средняя энергия бета-частиц 63Ni 17. Группа ученых из Института ЛаПлаз под руководством Петра Борисюка предложила оригинальную физическую систему на основе 63Ni, позволяющую провести эффективную генерацию вторичных электронов непосредственно внутри наноструктурированных пленок никеля и значительно увеличить токовый сигнал, вызванный каскадом многократных неупругих соударений бета-частиц. Эта система является относительно простой с точки зрения экспериментальной реализации и представляет собой ансамбль плотно упакованных нанокластеров никеля с градиентным распределением наночастиц по размеру, осажденных на поверхности широкополосного диэлектрика — оксида кремния. Ключевая особенность системы основана на том, что вследствие размерной зависимости энергии Ферми наличие пространственно неоднородного распределения металлических наночастиц по размерам приводит к пространственному перераспределению заряда в такой системе. Это означает, что в электропроводящей системе соприкасающихся друг с другом металлических наночастиц, средний размер которых монотонно изменяется в выделенном направлении, в этом же направлении должна регистрироваться разность потенциалов. Таким образом, формирование нанокластерных пленок никеля-63 с градиентным распределением наночастиц по размерам открывает уникальную возможность и позволяет совместить сразу два важных процесса: во-первых, формировать покрытия с фиксированной разностью потенциалов определяется разницей размеров наночастиц в выделенном направлении ; во-вторых, осуществлять преобразование энергии бета-распада 63Ni в ток электронов без использования дополнительных сложных для реализации полупроводниковых систем. 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.
После истечения срока службы длительностью около 50 лет, ядерный материал полностью разложится. Это значит, что если установить его в смартфон, он не будет резко выключаться на морозе, как это делают многие популярные модели. Также компактный размер и 5-миллиметровая толщина позволят сделать смартфоны тоньше и легче. Освободившееся место можно будет использовать для установки улучшенной системы охлаждения, хорошей камеры и так далее. В общем, потенциал использования ядерного аккумулятора в мобильных устройствах очень большой. Возможно, смартфоны будущего будут работать на протяжении всей жизни человека Также изобретение Betavolt можно будет использовать в медицинской технике вроде кардиостимуляторов.
Благодаря источнику питания, который не требует подзарядки и обслуживания, они будут работать по несколько десятков лет — хирургические вмешательства для замены аккумулятора будут не нужны. Такая технология уже использовалась в 1970-е годы, когда примерно 3000 американских пациентов получили кардиостимуляторы на «вечных» ядерных батарейках. Как и в случае с аккумулятором Betavolt, энергия вырабатывалась за счет распада радиоактивных изотопов. Чтобы оставаться в курсе научных достижений, подпишитесь на наш Дзен-канал.
Ядерная батарейка работает на изотопе никель-63. Компания планирует наладить выпуск батарейки и ее модификаций для массового использования в смартфонах и даже медицинских устройствах.
Впрочем, российские ученые в перспективности проекта коллег из Поднебесной сомневаются.
Ядерная батарейка: в России создали источник питания, работающий 50 лет
Потребуется много радиоактивного материала, батарейки начнут вскрывать, а это уже вопросы безопасности производства, использования и переработки», — сообщил в разговоре с RT Сергей Леготин. В настоящий момент разработка МИСиС проходит процедуру международного патентования, а сам вуз признан зарубежными экспертами «одним из ключевых участников мирового рынка бетавольтаических батарей», отмечает пресс-служба университета. С учётом улучшенных характеристик российская атомная батарейка сможет занять существенную долю этого рынка, уверены исследователи. Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? Подпишись , и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.
Вступай в наши группы и добавляй нас в друзья : Поделись позитивом в своих соцсетях Другие публикации по теме.
США и Европа также работают над созданием миниатюрных ядерных батарей Ядерные батареи или радиоизотопные генераторы — это устройство, в которых энергия распада радиоактивного изотопа преобразуется в электрическую энергию. От ядерных реакторов они отличаются тем, что в них не используется цепная реакция. Технически радиоизотопные генераторы не являются батареями, поскольку в отличие от электрохимических аккумуляторов их нельзя заряжать или перезаряжать. Фото: Betavolt Фото: Betavolt Ученые Советского Союза и США смогли разработать технологию для использования в космических кораблях, подводных системах и удаленных научных станциях, однако существующие радиоизотопные генераторы являются дорогостоящими и громоздкими. Наиболее известным примером являются РИТЕГи, которые используют тепловую энергию, выделяющуюся при распаде изотопов, и преобразуют ее в электрическую за счет термоэлектрогенератора. Кроме того, существуют нетепловые преобразователи. Попытки миниатюризации и коммерциализации ядерных батарей были предприняты в рамках 14-го пятилетнего плана Китая, призванного укрепить экономику страны в период с 2021 по 2025 год.
Это, конечно, мечта: такой источник позволит телефону обходиться без подзарядки годами. Мы и сами просчитывали подобный вариант, но поняли, что пока он вряд ли возможен. Но все же их недостаточно для питания целого гаджета — либо батарейка будет слишком большой и потеряет одно из главных своих преимуществ, компактность». Батарея Радиоизотопные источники тока трудно назвать технологической новинкой. Существуют РИТЭГ и другие термоэлектрические батареи, которые используют распад нестабильных ядер для извлечения тепла и превращения его в электричество. В таких генераторах применяются достаточно мощные излучатели с большими потоками альфа- и бета-частиц высоких энергий стронций-90, америций-241 и даже плутоний-238 , позволяющие получать сотни ватт. Тритий же считается мягким излучателем, его слабосильные бета-частицы на это неспособны. Зато изотоп отлично подходит для создания батарей другого типа — тех, что называют бета-вольтаическими, или просто атомными. Работают они почти так же, как фотоэлементы солнечных панелей, только полупроводниковый генератор тока в атомных батареях бомбардируется не фотонами, а бета-излучением. Попадание достаточно энергичной 1—100 тыс. На границе полупроводников с электронной N— и дырочной P— проводимостью возникают разница потенциалов и ток. Мощность его невелика, не более сотен микроватт, зато источник получается исключительно миниатюрным, долговечным и надежным. Ориентировочная стоимость: от 200—300 тыс. Роскосмос Источник Атомная батарейка состоит всего из двух ключевых компонентов: источника бета-излучения и полупроводникового преобразователя. На роль первого из них тритий подходит почти идеально. Но именно из-за долгого полураспада никель имеет очень низкую радиоактивность.
Почти бесконечную энергию могли бы использовать не только машины, но и корабли, отправленные бороздить бескрайние просторы Вселенной. Новость «Ученые разработали атомную батарейку для космических кораблей» вызвала бы определенный интерес. Но на деле «атомные батарейки» используются давно — аж с шестидесятых годов прошлого века. Каждая из них заслуживает отдельной истории. В качестве «движущей» силы они используют нагрев, то есть тепловую энергию. Это одно из основных отличий от атомных реакторов, в которых происходит цепная ядерная реакция. Реакторы используются давно, однако они имеют большие габариты и вес, а ведь мы говорим о «космических батарейках». РИТЭГи планировалось использовать для космических аппаратов, но позже сферу применения расширили в том числе на медицинскую технику, например электрокардиостимуляторы. Первыми новую технологию, по крайней мере официально, внедрили американские военные в спутниках Transit 4A и 4B. Батарею для них разработали в рамках программы SNAP-3. Transit 4A находится в нижней части — это цилиндр. Фото сделано незадолго до запуска в 1961 году. Это навигационный спутник, позволявший получать данные вне зависимости от погоды на поверхности. Фото: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory Ей предшествовало появление SNAP-1 — тестовой платформы, в которой применяли цикл Ренкина цикл преобразования тепла в работу с использованием изотопа церия и ртути в качестве теплоносителя. Инженеры продолжили работу над проектом, пытаясь решить вопрос с защитой будущих астронавтов и груза от радиации, удержав вес системы в определенных рамках: иначе ракета не взлетит. В итоге «щитом» в SNAP-2 стал усеченный конус, заполненный гидридом лития. Реактор разместили вверху, капсулу с условной командой и грузом — за нижней частью. Последовавшие испытания показали, что идея хороша, да только не работает: в определенных условиях, вероятность появления которых высока, смертельная доза радиации пройдет сквозь защиту. Кроме того, конструкция оказалась весьма взрывоопасной. Transit 4A. Атомные батарейки на плутонии-238, которого потратили 96 граммов, установили в навигационные спутники военных Transit 4A и 4B.