Российские физики разработали батарейку, которая может преобразовывать в электричество энергию бета-распада – излучения электронов радиоактивным элементом.

Коллектив исследователей из Московского института стали и сплавов под руководством заведующего кафедрой материаловедения полупроводников и диэлектриков профессора Юрия Пархоменко представил прототипы радиоизотопных батареек, созданных по технологии преобразования энергии бета-излучения в электрическую энергию на основе монокристаллов пьезоэлектриков. В качестве источника использован радиоактивный изотоп «никель-63». Его период полураспада около 100 лет, что позволяет создавать элементы питания со сроками службы до 50 лет.

Представленный МИСиС прототип ядерной батарейки

Руководитель работы профессор Юрий Николаевич Пархоменко

Такие батарейки часто называют также «ядерными», поскольку в них используется процесс бета-распада, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона. Хотя бета-распад - один из видов радиоактивного излучения, людям нечего бояться. Бета-излучение в данном случае обладает малой проникающей способностью и легко задерживается оболочкой. А используемый изотоп «никель-63» не имеет сопутствующего гамма-излучения. Так что сами батарейки не излучают и совершенно безопасны.

Чтобы компенсировать малую мощность природного бета-распада, физики используют импульсный режим с накоплением заряда. В этом случае удается обеспечить непрерывную мощность электрического тока 10-100 нановатт с каждого кубического сантиметра устройства. Такой мощности достаточно для питания, например, кардиостимулятора.

Благодаря длительному сроку службы батарейки найдут применение в тех случаях, когда их замена нежелательна или просто невозможна: в медицине, ядерной энергетике, авиакосмической технике, нано- и микроэлектронике, в системах безопасности и контроля.

Выбор в качестве источника энергии несуществующего в природе изотопа «никель-63» неслучаен. В нашей стране разработана также уникальная технология его выработки в специальных ядерных реакторах и обогащения до необходимых «не ниже 80%». Производство батареек запланировано на в Красноярском крае.

Уникальные характеристики разработанного устройства, его компактность и безопасность позволяют надеяться на его конкурентоспособность на рынке аналогичных источников питания
Единственный недостаток батарейки – высокая стоимость. Из-за дороговизны производства никеля-63 на начальном этапе она может составлять несколько миллионов рублей. Однако по мере отработки технологии и налаживании массового производства цена неминуемо сильно упадет.

Создание портативного одноразового источника питания, срок службы которого измерялся бы не сутками или месяцами, а годами, прежде покорилось специалистам Корнельского университета. Элемент питания, в качестве базы для которого был выбран радиоактивный изотоп никеля-63, мог похвастаться непрерывным сроком службы до 50 лет. Но, разумеется, не обошлось и без существенных ограничений в номинальных параметрах «ядерной батарейки». Всё дело в том, что принцип, на котором строится работа таких устройств — сопровождающее распад никеля-63 испускание электронов для последующего заряда медной пластины — не позволял добиться серьёзной мощности источника питания. В итоге указанная характеристика для ядерных батареек находилась на уровне нескольких милливатт, что накладывало ряд существенных ограничений при её эксплуатации.

Решением описанной проблемы активно занялись учёные Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», которые вчера рапортовали о достигнутых успехах. Им удалось изготовить прототип уникальной «ядерной батарейки», способной, как и её предшественник родом из США, питать определённую электронику на протяжении 50 лет.

Как рассказали в «МИСиС», спроектированная ими «ядерная батарейка» обладает огромным потенциалом и имеет широкий спектр потенциально возможного применения, начиная от использования разработки в медицинском оборудовании и миниатюрных приборах для поддержания жизнедеятельности, заканчивая размещением такого источника питания в космических аппаратах. Команде инженеров под руководством профессора Юрия Пархоменко удалось воплотить на практике концепцию преобразования энергии бета-излучения в электрическую на основе монокристаллов пьезоэлектриков. Этот принцип и лёг в основу показанного образца автономной бета-вольтаической батареи переменного напряжения, первичным источником энергии для которой послужил хорошо знакомый изотоп никель-63.

Излучение выбранного в качестве источника электронов изотопа, несмотря на свою радиоактивность, характеризуется периодом полураспада в 100 лет и не несёт какой-либо угрозы для здоровья биологических организмов. Но главной особенностью прототипа отечественного производства стало применение импульсных источников питания для накопления и последующей отдачи заряда. За счёт этого учёные сумели обойти главный недостаток бета-вольтаической «ядерной батарейки» — их крайне малую мощность, сильно сужавшую сферы дальнейшего эффективного применения.

«В импульсном режиме один бета-вольтаический элемент способен выдавать мощность вплоть до 1 мВт/см 3 . При низких удельных мощностях энергетического материала батарейка, собранная на их основе, способна обеспечивать непрерывную выходную мощность 10-100 нВт/см 3 — достаточную, чтобы обеспечить питание кардиоимплантата», — объяснил технические особенности продемонстрированного решения господин Пархоменко.

Инновационная российская «ядерная батарейка», ставшая реальностью благодаря усилиям сотрудников «МИСиС», обладает всеми необходимыми для начала серийного производства и скорейшего внедрения технологии преимуществами. Здесь и сверхмалые габариты источника питания, и отсутствие пагубного влияния энергетического материала, и длительный срок эксплуатации в несколько десятков лет. Однако дойдёт ли дело до выпуска коммерческого образца — покажет время.

Сорок лет назад был создан первый мобильный телефон, а сегодня уже изобретена атомная батарея для него. Технологический прогресс в последние годы идет настолько уверенно, что на прилавках магазинов электроники появляются такие новинки, о которых еще совсем недавно писали фантасты.

Как вы считаете, сколько способен продержаться без подзарядки современный смартфон? Среднее время автономной работы подобного устройства составляет 1-3 суток. А если его оснастить аккумулятором, работающим на основе реакции трития, то это время можно будет растянуть до 20 лет!

Неужели телефоны могут работать на атомных аккумуляторах?

Подобная идея среди ученых появилась относительно недавно. По их предположению, использование атомной энергетики в работе современных гаджетов может решить множество проблем, связанных с постоянной необходимостью подзарядки.

Тритий является радиоактивным веществом, но его излучение слишком слабое. Оно неспособно навредить здоровью человека. От него не пострадает ни кожа, ни внутренние органы – это известно ученым с незапамятных времен. Именно радиоактивный тритий выступает своего рода топливом, которое будет содержаться в этих батареях.

Батарея представляет собой интегральную микросхему, источником энергии которой является ядерная реакция трития. Такой принцип работы позволяет производить 0.8 – 2.4 ватт энергии. И этот уровень вырабатываемой электроэнергии может поддерживаться на протяжении 20 лет, при этом радиоактивную батарею не придется подзаряжать.

Многие не подозревают, что тритий уже давно используется во многих сферах производства. Каждый из нас видел, либо носил часы, стрелки которых отчетливо светятся в темноте. В большинстве случаев для создания такого эффекта используется именно этот радиоактивный элемент. Он не получил распространения в основной сфере атомной энергетики из-за своего минимального радиоактивного излучения.

Среди особенностей аккумулятора, которому посвящен сегодняшний обзор, следует также выделить его устойчивость к внешним факторам. Он отлично работает при резких перепадах высоты, давления и температуры, а также демонстрирует хорошую стойкость при сильных вибрациях. Что касается температуры, то ее диапазон составляет от -50 до +150 градусов по Цельсию.

Несмотря на то, что эта идея еще не внедрена в производство, известна приблизительная стоимость атомной батареи - 124 доллара. Но далеко не каждый человек, даже если ему нужна высокая производительность его телефона, согласится на ношение в своем кармане крохотного радиоактивного источника энергии.

Сегодня атомную батарейку уже можно купить в интернете. Во всяком случае такие предложения есть. За эту экзотику, произведенную, к примеру, в США, нужно выложить 1000 долларов. Китайская обойдется дешевле. Зачем нужны столь супердорогие "игрушки"?

Главное достоинство - долговечность. Срок службы может быть и 20, и 50, и 100, и даже тысяча лет. Все зависит от периода полураспада радиоактивного изотопа - источника энергии. Отсюда и возможные области применения. Конечно, медицина, прежде всего кардиостимуляторы. Химические батарейки разряжаются, их приходится периодически менять. С "вечным" источником энергии такой проблемы вообще нет. Еще сфера применения - космос. С атомной батарейкой можно отправляться в дальние миссии, не думая о том, чем питать электронику.

Но все это пока действительно экзотика. И причина не только цена. Характеристики атомных батареек далеки от требуемых. Речь прежде всего о низкой удельной мощности и низком КПД, что предельно ограничивает сферу применения. Как изменить ситуацию? Над этим бьются в ведущих лабораториях мира. И здесь работа группы российских ученых из МФТИ, ФГБНУ "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" и МИСиС может стать прорывом. Ими создана батарейка, у которой удельная мощность и КПД в 10 раз выше, чем у всех созданных на сегодня аналогов. За счет чего это удалось?

Источником энергии у нас служит изотоп никель-63 с периодом полураспада около 100 лет, - говорит руководитель разработки доктор физико-математических наук Владимир Бланк. - Этот изотоп испускает бета-частицы, которые создают электрический ток в полупроводнике из алмаза. Ноу-хау нашей разработки именно в этом материале. Его уникальные свойства позволили на порядок улучшить параметры атомной батарейки.

Бланк подчеркивает, что хотя, с одной стороны, алмаз имеет ряд привлекательных качеств, но никто из конкурентов с ним не работает. Достаточно сказать, что в созданном нашими учеными устройстве толщина полупроводников из алмаза должна быть как у обычного полиэтиленового пакета - несколько десятков микрон. Как "настрогать" такие тонкие пластины из самого твердого минерала во Вселенной? Российским ученым удалось решить проблему, создать оригинальную технологию обработки алмаза.

Наша ядерная батарейка это своего рода слоеный пирог, между 200 алмазными полупроводниками установлены 200, изготовленных из никеля-63, источников энергии, - говорит Бланк. - Высота батарейки 3-4 миллиметра, вес 250 миллиграмм. Это в разы меньше, чем у всех современных аналогов.

Такие габариты - еще один плюс российской разработки. Расчеты показывают, что все известные на данный момент прототипы ядерных батарей имеют лишний объем. Вообще поиск оптимальных размеров - очень непростая задача. Если толщина изотопа слишком велика, рождающиеся в нем электроны не смогут его покинуть. С другой стороны, сильно уменьшать толщину тоже невыгодно, поскольку уменьшается число бета-распадов в единицу времени. Аналогичная ситуация и с толщиной полупроводника.

Чтобы найти максимум параметров, мы построили модель движения электронов в изотопе и полупроводниках, - говорит Бланк. - Оказалось, что эффективнее всего батарейка работает при толщине изотопа около двух микрон, а алмазного полупроводника 10 микрон.

По словам Бланка, достигнутая рекордная удельная мощность - это не предел. Ученые знают, как ее повысить еще минимум в три раза. Понятно, что чем она выше, тем больше сфер применения атомной батарейки. И ниже цена, ведь она уменьшается при масштабном серийном выпуске. Впрочем, по мнению Бланка, даже сейчас при разумной организации производства цена такой батарейки сравнима с ценой химических источников питания, которые применяются в кардиостимуляторах. Атомные батарейки безопасны для человека, так как излучение полностью поглощается внутри корпуса.

Инфографика "РГ": Антон Переплетчиков / Юрий Медведев

Тема сегодняшней статьи - радиоизотопные термоэлектрические генераторы , или проще - ядерные батарейки. Те самые штуковины, которые используют на севере в необслуживаемых навигационных маяках, в космических зондах и даже в искусственных сердцах! Вещь распространенная, однако слухов и страхов вокруг нее больше, чем фактов. Рассмотрим подробней, что же на самом деле представляет из себя такая «батарейка» со сроком службы в 10-20 лет.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ, РИТЕГ, англ. - radioisotope thermoelectric generator, RTG) является ядерным электрическим генератором, который конвертирует энергию радиоактивного распада в электрическую энергию. Правда, не на прямую, а опосредованно - сначала энергия распада преобразуется в тепловую, а та, в свою очередь, преобразуется в электрическую при помощи так называемых термопар. Остановимся на этом процессе детальней.

Начнем с термопар . Они представляют из себя соединение двух (как правило - металлических) проводников, разница в температуре которых генерирует слабый электрический ток. Это явление называется эффектом Зеебека . Наиболее распространенная и простая для представления термопара - соединение медного и алюминиевого проводов. Если один конец соединения такой пары нагреть, а другой наоборот - охладить, на холодном проводнике начнут скапливаться электроны, что и приведет к возникновению электрического тока. Чем выше разница в температуре проводников в месте соединения, площадь соединения и толщина самих проводников, тем лучше.

Понятно, что большие сплавы проводников сложно нагревать и охлаждать, они тяжелы и требуют много места, поэтому термопары в электрогенераторах, основанных на этом принципе, выполняют в виде последовательностей большого количества небольших соединений. Такие блоки термопар соединяют между собой для получения необходимых силы тока и напряжения. Хорошим показателем для одной термопары является напряжение порядка 40 микровольт на 1 кельвин температурной разницы.

Из этой мизерной величины, думаю, становится понятно, что КПД такого термоэлектрического генератора будет очень низок. Даже с применением современных дорогих полупроводников в качестве основы термопар на практике он не превышает 3-7% от затраченной тепловой энергии. Поэтому, говорить о какой-то феноменальной мощности РТГ не приходится.

Вернемся к нашим ядерным «батарейкам». Описанные последовательности термопар нагреваются в таком генераторе при помощи тепла, образующегося при распаде радиоактивного материала. Как известно, радиоактивный распад сопровождается выделением тепла. Чем быстрее радиоактивный материал распадается, тем больше при этом выделится тепла. Таким образом, в РТГ радиоактивное топливо, распадаясь, образует радиоактивное излучение, которое конвертируется в тепло. Тепло, в свою очередь, конвертируется в электроэнергию.

Конструктивно это реализовано так: термопары в самом генераторе обращены горячей стороной (проводником, имеющим положительный заряд) вовнутрь, а холодной стороной (проводником, имеющим отрицательный заряд) к оболочке генератора и соединены с радиатором теплоотвода, чтобы обеспечивать максимальную разницу температуры. Все особенности устройства того или иного типа радиоизотопного термоэлектрогенератора сводятся к тому, чтобы увеличить долговечность и повысить КПД устройства.

Отсюда следуют требования к «топливу», тому самому радиоактивному материалу, который будет распадаться и обеспечивать нас «теплом»:

Плутоний 238, раскаленный собственным распадом

1. Период полураспада должен одновременно быть длительным, чтобы обеспечивать батарею теплом, но в то же время таким, чтобы при распад шел достаточно интенсивно и сопровождался выделением большого количества радиоактивного излучения. Здесь приходится выбирать между мощностью батареи и ее «сроком службы». Чем короче период полураспада, тем радиоактивней вещество и выше тепловая энергия, выделяемая при распаде, тем выше «мощность» батареи. И наоборот, чем менее радиоактивно вещество (дольше период полураспада), тем меньше мы получим тепла и тем слабее будет наша батарея, но прослужит дольше. Как правило, выбирают изотопы с периодом полураспада в 80-90 лет со сроком службы в 10-50 лет, однако специализированные мощные батареи могут иметь срок службы и в полгода. Ценой сами знаете чего.

2. Топливо должно производить большее количество тепла на единицу массы и объема. Тонна плутония 239 (используется в ядерном оружии и АЭС) будет таким же радиоактивным, как примерно 3,6 килограмма плутония 238 и производить такое же количество тепла. Тонны урановой руды под поверхностью Земли, к примеру, согревают жизнь бактериям на глубине в несколько километров. Однако, ключевое слово здесь - тонны. Чем радиоактивней топливо, тем меньшая масса нужна для получения нужного эффекта.

3. Радиоактивное излучение, образуемое в результате распада, должно легко преобразовываться в тепло. Оно так же не должно быть проникающим. Нейтронное и гамма-излучение по этим причинам не подходят. Лучше всего подойдет альфа-излучение, так как почти не требует экранирования. Бета-излучение и рентгеновское уже требуют защитную свинцовую оболочку, что ведет к увеличению веса установки. Это не критично для стационарных наземных генераторов, но играет большую роль в случае использования в космических аппаратах, удорожая стоимость их запуска.

В настоящее время, самым распространенным топливом для РТГ является плутоний 238 - он обладает периодом полураспада в 87,7 лет, относительно низкую составляющую гамма и нейтронного излучения, и, в связи с этим, практически не требует защитного экранирования, в большинстве случае достаточно толщины самого корпуса генератора.

В Советском Союзе для питания РТГ удаленных необслуживаемых маяков также широко применялся стронций 90, который имея меньший период полураспада, значительную составляющую гамма-излучения (и, как следствие - меньше получаемого тепла на единицу массы) был дешевле. Экономика должна быть экономной!

В настоящее время ведутся активные исследования по применению в качестве топлива америция 241 , который лучше плутония 238 периодом полураспада - 432 года. Даже не смотря на то, что «энергоемкость» его в 4 раза ниже плутония, а доля нежелательного проникающего излучения выше, перспектива питать устройства столетиями выглядит заманчиво. В любом случае по всем параметрам такого рода топлива это второе лучшее после плутония 238 решение.

Теперь остановимся на сроке службы «генераторов». Как уже можно было догадаться, он зависит от типа выбранного топлива и для плутония 238 составляет -0.87% от исходной мощности за год работы. Однако и здесь не все так просто. Не забываем, что наши термопары тоже имеют свой срок службы и со временем, под воздействием постоянного радиоактивного излучения и высокой температуры деградируют. Быстрее, чем распадается топливо. К примеру, батарея зонда Voyager -1, запущенного в космос в 1977 году, к 2001 году имела 315 Ватт мощности вместо проектных 420 Ватт. Реальное уменьшение мощности за 24 года работы составило 25%.

КПД по преобразованию тепла в электричество, как уже сообщалось, у генераторов, использующих принцип Зеебека, весьма не высок и на практике редко превышает 5%. Так что, серьезным источником РТГ никем никогда не считались, до мощи, ассоциируемой с ядерной энергетикой, им — как часовым батарейкам до дизельных электрогенераторов. Однако, и здесь ведутся работы по улучшению. Правда, от оригинальной конструкции в перспективной разработке NASA осталось только преобразование радиоактивного излучения в тепло.

Речь идет о совмещении теплового двигателя Стирлинга (работающего как раз за счет разницы температур), генератора и, собственно, радиоактивного изотопа. Напомню коротко принцип работы двигателя Стирлинга: рабочее тело (газ) расширяясь и сжимаясь в холодном и горячем цилиндрах (либо в разных частях одного цилиндра) двигает поршень посредством теплового расширения либо теплового сжатия.

Сам газ не покидает двигателя, постоянно циркулируя внутри него. Такие двигатели еще называют двигателями внешнего сгорания (по аналогии с двигателями внутреннего), так как, тепло для нагревания газа необходимо брать извне. КПД и мощность двигателя Стирлинга зависит от все той же разницы температур холодного и горячего отсеков (силы сжатия и расширения газа). А теперь представим себе безграничные возможности для охлаждения в космосе и постоянный источник тепла в виде теплового стержня радиоизотопного топлива. По расчетам специалистов NASA, такой генератор будет иметь КПД в 20% — 25%, что уже намного лучше 3%-5% для РТГ.

И, напоследок, поговорим о самом животрепещущем вопросе - радиационной безопасности наших ядерных батареек. Пожалуй, самой знаменитой является фотография «занедбаних та спаплюжених» советских «маячных» генераторов на стронции 90, валяющихся на какой-то прибрежной свалке. Смотрите мол, вот к чему это все ведет, разобранные вандалами на металлолом, источники радиационного загрязнения окружающей среды валяются тут и там, излучая излучение, отравляя радиоактивной отравой все живое и как бы призывая террористов сделать из них «грязную бомбу ». На заднем плане не хватает гигантских крыс-мутантов.

В реальности все немного не так. Документированных случаев акта вандализма по отношению к отслужившим свое генераторам зафиксировано не было. Правда, в основном потому, что эти генераторы, якобы, особо не документировались. Вы верите в то, что в СССР могли без учета разбрасывать ядерные технологии? Я — нет. В интернете так же есть информация о каких-то грузинских пастухах, проспавших возле заброшенного РТГ холодной ночью, чтобы согреться. Их потом доставили в больницу с радиационными ожогами, а РТГ забрали. Кто, когда, куда, где? Ничего.

Страшные истории про радиоизотопные генераторы на этом заканчиваются, дальше идет вполне себе положительная и хорошо документированная статистика. Из 33 американских миссий с использованием плутониевых РТГ, 5 окончились аварией при запуске, либо вхождении в атмосферу . При этом, из 5 аварий только одна привела к повреждению контейнера с топливом РТГ при его сгорании в атмосфере, что привело появлению следов плутония 238 в атмосфере над Мадагаскаром через несколько месяцев после аварии. Судя по тому, что массового радиационного отравления не произошло и даже снят мультфильм, последствий этот выброс не возымел.

Советские спутники с РТГ на борту проблем не имели вообще никогда. Страшилки про падающие в океан военные и метеорологические зонды, доверху наполненные радиоактивной радиацией касаются аппаратов , оснащенных полноценными бортовыми ядерными реакторами, которые изначально проектировались так, чтобы упасть, а радиоактивная часть - сгореть в атмосфере.

Также успокою тех, кто боится, что с помощью топлива РТГ террористы смогу сделать атомную бомбу. Ни со стронцием 90 из советских РТГ ни с плутонием 238 из американских ядерной бомбы не получится . Эти изотопы слишком нестабильны, чтобы достичь критической массы и в дальнейшем поддерживать цепную реакцию деления ядер. Более того, добавление подобного изотопа в компоненты нормальной ядерной бомбы приведет к уменьшению силы взрыва , так, как своей высокой активностью этот компонент вызовет преждевременное начало ядерной реакции до того, как будут достигнуты оптимальные условия критической массы заряда.

Что касается грязной бомбы,

то и здесь для террористов все плохо. Топливо в том виде, в котором его можно снять с РТГ, во-первых, слишком горячее (рабочая температура тепловой головки 500-600 градусов Цельсия), во-вторых, таки да, радиоактивная, излучение действительно может быть очень вредным, на столько, что приготовить из этого всего рабочую бомбу можно не успеть. Ну и в-третьих, живет недолго по сравнению с радиоактивными отходами АЭС, достать которые значительно проще. В итоге, делать бомбу из постоянно очень горячих, опасных для самого подрывника элементов, по радиационному воздействию на единицу веса сравнимых с урановой рудой, не очень выгодно. Разве что, моральный эффект от использования плутония (ужос!ужос!) в бомбе выгодно отличал бы новостные заголовки от расплывчатого «радиоактивные отходы».

Подводя итоги, хочу сказать, что данный вид получения электроэнергии безусловно интересен, прежде всего, своей автономностью. Например, в США известны случаи, когда в пепле кремированных граждан находили рабочие радиоизотопные термоэлектрогенераторы, которые забыли удалить при подготовке к похоронам. Даже в таких малых корпусах, достаточных для работы кардиостимуляторов, генераторы сохраняли работоспособность, пережив кремацию носителя. Оба Вояджера своей длительной работой также обязаны установленным на них РТГ, как и энергетические установки американской лунной программы Apollo. Прогнозы погоды от Гидрометцентра России мы тоже получаем, в том числе, благодаря ядерным батарейкам. И даже камчатских крабов едим при их опосредованном участии. Так что, не пугайтесь, если услышите в новостях страшное «спутник с радиоизотопным генератором».

p align=»center»>Чадящий дизелем КамАз на ближайшей стройке гораздо вредней.