Этим они отличаются от атомных реакторов, в которых для этого используется управляемая цепная ядерная реакция. 28 тысяч лет без подзарядки: как устроена батарейка на ядерном топливе и насколько она безопасна?
Почему не делают смартфоны и ноутбуки на атомных батарейках? И могут ли они появиться в будущем?
В ходе этих реакций, которые называют окислительно-восстановительными , заряд «перетекает» через электролит с одного электрода на другой, и на электродах возникает разность потенциалов. Если соединить концы батарейки проводом, электроны постараются перераспределиться так, чтобы разность потенциалов исчезла — по проводу потечет ток. Химические батарейки, которые также называют гальваническими элементами , обладают высокой эффективностью отношением мощности создаваемого тока к массе , но сравнительно быстро разряжаются, и это заметно ограничивает их автономную работу. Конечно, при определенной конструкции химических элементов их можно перезаряжать тогда их называют аккумуляторами , однако даже в этом случае батарейку нужно как-то соединить с зарядным устройством, что иногда не очень удобно — например, если она обеспечивает питание кардиостимулятора. Очевидно, что остановить его работу, чтобы заменить элемент питания, невозможно. К счастью, электрическую энергию можно получать не только в химических реакциях.
Около шестидесяти лет назад, в 1953 году, Пол Раппапорт заметил , что для получения электроэнергии можно использовать бета-распад радиоактивных элементов. В ходе этого распада ядра элементов испускают бета-частицы электроны или позитроны , которые могут ионизировать вещество электродов и создать на них разность напряжений. Основанные на этом принципе элементы назвали бета-вольтическими. Главным преимуществом таких элементов перед гальваническими выступает их долговечность — период полураспада некоторых радиоактивных изотопов может составлять десятки лет, следовательно, мощность элемента будет оставаться постоянной в течение всего этого периода.
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. Исследовательские институты в США и Европе также работают над разработкой компактных радиоизотопных генераторов. Николай С.
Теоретически при этом можно перевести до 30-40 процентов тепла в электричество. Но для компактной «батарейки» такой метод не подойдет, нужны способы прямой конвертации — без промежуточного носителя. В них делящийся материал нагревает термопару, которая генерирует электрический ток между двумя разнородными проводниками с отличающейся температурой эффект Зеебека. Они довольно широко используются в космонавтике, а также на Земле в отдаленных от цивилизации местах. Например, они применялись как элементы питания в советских маяках вдоль Северного морского пути их было сделано более тысячи штук к концу 1980-х , или в американских долговременных зондах на океаническом дне. Чаще всего они весят несколько центнеров и обладают электрической мощностью до нескольких сотен ватт. Но существовали даже электрокардиостимуляторы с радиоизотопным питанием. Они не применяются с 1972 года, а их носителей к 2020-му году осталось менее десятка. Проблема таких устройств в очень низкой эффективности — термопары обеспечивают преобразование лишь считаных единиц процентов тепла в электричество.
Разработанная в Китае ядерная батарея сможет увеличить время работы смартфонов до 50 лет В Китае создали ядерную батарею для смартфонов О разработанной в Китае ядерной батарее твердят со всех щелей — например, о ней рассказали авторы Yahoo News. Ее создала основанная в Пекине компания Betavolt, представители которой уверяют, что аккумулятор уже прошел этап предварительного тестирования и в скором времени станет доступен для использования в смартфонах и другой электронике. Конструкция ядерной батареи BV100 Ядерный аккумулятор BV100 очень маленький — его габариты составляют 15x15x5 миллиметров. Настолько крошечная деталь способна обеспечить мощность в 100 микроватт и напряжение в 3 вольта. На сегодняшний день это не особо впечатляющие показатели, но в 2025 году компания обещает выпустить батарею мощностью в 1 ватт, и это уже звучит более внушительно. Примерный внешний вид ядерного аккумулятора Betavolt Это интересно: В 2023 году в Японии открыли крупнейший в мире термоядерный реактор Как работают ядерные батареи В качестве источника энергии внутри аккумулятора используется изотоп никель-63. В отличие от ядерного реактора, который производит энергию за счет деления ядерных частиц, радионуклидная батарея Betavolt работает по другому принципу. Будучи внутри корпуса крошечного размера, изотопы никеля-63 постепенно распадаются. В результате этого процесса выделяется тепло, которое впоследствии и преобразуется в электричество. Ядерные батареи на основе никеля-63 уже существуют, но имеют большой размер Ядерные батареи не являются новым изобретением.
Как делают ядерные батарейки и зачем они нужны
Два года назад учёные Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» представили компактную атомную батарейку. Устройство ядерной батарейки можно сравнить с полупроводниковой солнечной батареей. Такая атомная батарейка будет экологически безопасна и безвредна для человека за счёт производимого мягкого бета-излучения (и отсутствия опасной гаммы). Такие батареи могут стоить $100 за кВт·ч, что вдвое дешевле самых простых литий-ионных версий. Ядерная батарейка на основе радиоизотопного термо электрического генератора РИТЭГ изобретен и применяется в космосе и в МО более 50 лет. Рассчитана на 50 лет работы без подзарядки – Самые лучшие и интересные новости по теме: Батарейка, Китай, Ядерный реактор на развлекательном портале
Российские ученые создали уникальную атомную батарейку
Ученые НИЯУ МИФИ вплотную подошли к созданию ядерной батарейки принципиально нового типа. Теперь пришло время рассказать о компактной атомной батарее созданной российскими учеными. Российская ядерная батарейка в отличие от традиционных источников питания получает электрическую энергию в результате естественного распада радиоактивных изотопов. Физики оптимизировали толщину слоев ядерной батарейки, использующей для производства электрической энергии бета-распад изотопа никеля-63. Образец "ядерной батарейки" состоял из двухсот алмазных преобразователей, чередуемых слоями фольги из никеля-63 и стабильного никеля.
Российские ученые оценили созданную в Китае ядерную батарейку
атомная батарейка. Батарейку можно применять в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах. На фото: Новая российская атомная батарейка стала в десять раз мощнее и вдвое дешевле аналогов © НИТУ «МИСиС». На фото: Новая российская атомная батарейка стала в десять раз мощнее и вдвое дешевле аналогов © НИТУ «МИСиС». Новости энергетики. Рубрики. Российские специалисты разработали "атомную батарейку", имеющую повышенную мощность. Как будто концепции ядерных батарей недостаточно, есть и более эксцентричная идея — создавать батареи из искусственных наноалмазов. Заново изобрели электричество: батарейка с сердечником из ядерных отходов будет работать 28 тысяч лет.
В России создана миниатюрная и долговечная атомная батарейка
Группа исследователей из НИТУ «МИСиС» продемонстрировала прототип атомной батарейки, величина которой сопоставима с USB-флешкой. Причём батарейка может быть применена в нескольких функциональных режимах: в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах. Рассчитана на 50 лет работы без подзарядки – Самые лучшие и интересные новости по теме: Батарейка, Китай, Ядерный реактор на развлекательном портале Ученые НИТУ «МИСиС» представили инновационный автономный источник питания — компактную атомную батарейку, которая может работать до 20 лет.
Российские ученые создали атомную батарейку с зарядом на 20 лет
Смотрите видео онлайн «Атомная батарейка. 80 лет без подзарядки» на канале «Росатом» в хорошем качестве и бесплатно, опубликованное 17 июля 2023 года в 15:04, длительностью 00. Этим они отличаются от атомных реакторов, в которых для этого используется управляемая цепная ядерная реакция. Российские ученые создали атомную батарейку энергия которой выше в 10 раз по сравнению с предшествинниками.
В Красноярском крае разработана атомная батарейка, работающая 50 лет
Базовая структура этой ядерной батареи включает в себя два преобразователя, подложку, источник никеля-63 и защитный слой. Размеры корпуса BB100 составляют 15x15x5 мм. Согласно характеристикам производителя, элемент питания может выдавать 100 микроватт мощности и напряжение 3 В. В основе разработки лежит полупроводниковый слой искусственного алмаза толщиной 10 микрометров.
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. Принцип РИТЭГа еще проще, чем у атомной батарейки: полупроводниковая термопара, одна сторона источника холодная другая горячая, и возникает электрический ток. Школьная физика!
В РИТЭГах реализуется принцип преобразования тепловой энергии радионуклидного источника в электрическую энергию за счет и посредством термоэлектрической батареи. То есть если мы нагреваем, скажем, горячий спай тепловым источником, охлаждаем радиатором холодный спай, то возникает электродвижущая сила и начинает протекать электрический ток. Евгений Крошкин, заместитель директора Научно-исследовательского института технической физики и автоматизации В качестве источника был изотоп стронция-90, это бета-распад, от которого защищает свинец, так что РИТЕГи были достаточно массивными. С семидесятых годов их устанавливали на метеостанциях на Сахалине, Чукотке, Камчатке, Курилах, в Балтийском регионе, вдоль Северного морского пути и в антарктических широтах. Радиоизотопные генераторы давали энергию автономным маякам, навигационным знаком для судов, гидрографическим станциям. Это был идеальный источник электроэнергии, не обслуживаемый, в котором ничего не крутится, не вертится, который не надо часто менять.
Ранее канал «Наука» рассказал об изотопе урана. На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc.
Принцип Работы Ведущую позицию реализации проекта "Росатома" по созданию малогабаритного атомного источника питания на базе никель-63 занимает Электрохимический завод города Зеленогорска Красноярского края. 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.
Российская армия получит портативные атомные источники электропитания военной техники
Новая разработка имеет бетавольтаический элемент с двусторонним нанесением радиоактивного элемента и оригинальной трехмерной структурой, из-за чего данный источник питания имеет небольшие размеры, повышенную удельную мощность, а также низкую себестоимость при массовом производстве. В перспективе новинку можно будет применять как источник питания в том числе и аварийный , а также датчик температуры, в разного плана устройствах, эксплуатация которых подразумевается в труднодоступных и удаленных местах с экстремальными температурами - космос, высокогорье, большие водные глубины.
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 50-х учёные выяснили, что бета-излучение радиоактивных изотопов может генерировать электрический ток, если проходит через полупроводники. На основе этого эффекта начали создавать генераторы. Изотоп испускает частицы, а полупроводниковая часть преобразует эти частицы в энергию», — поясняет Сергей Леготин. С помощью таких «сэндвичей» стало можно создавать источники питания, которые вырабатывали бы энергию в течение многих лет без подзарядки. Но у таких батареек тоже были свои минусы: бета-вольтаические элементы дают довольно слабый электрический ток.
Поэтому батарейка может питать только маломощные элементы, а для питания чего-то более мощного нужен целый кластер из множества бета-вольтаических элементов. Со временем полупроводниковые технологии совершенствовались. Стало возможно создавать структуры с улучшенным качеством преобразования энергии изотопа в ток. Многие современные ядерные батарейки тоже пользуются бета-вольтаическими элементами. Термофотовольтаика и светящиеся капсулы. Ещё одна технология — создавать батарейки на основе альфа-излучения, за счёт принципа, который называется термофотовольтаическим. Изотоп, испускающий альфа-частицы, — чаще всего это плутоний — погружается в специальную капсулу с напылением. Стенки капсулы под воздействием радиации нагреваются до температуры в 1500 градусов по Кельвину. Капсула становится настолько горячей, что её стенки светятся.
Этот свет улавливают фотоэлементы, расположенные вокруг капсулы, и преобразуют в электричество. Похоже на солнечные батареи, но вместо Солнца светится капсула с изотопом. А ещё плутоний даёт намного большие мощности: одна батарейка может выдавать несколько сотен ватт. Хотя есть и свои сложности. Альфа-излучение довольно интенсивное и чаще всего сопровождается гамма-излучением. Под его воздействием понемногу разрушаются узлы батарейки: провода, преобразователи энергии и другие комплектующие. Со временем их понадобится заменять. Например, в плутониевых батарейках оборудование способно «прожить» около 20 лет, хотя период полураспада самого изотопа куда больше — 87 лет. К тому же преобразование тут двойное: тепло превращается в свет, а потом в электричество, и по пути часть энергии теряется.
Существуют и другие способы преобразовывать альфа-излучение в электрический ток: нестандартные конструкции батареек, использование неравномерной эмиссии электронов. Но таких разработок меньше, и продвигаются они медленно из-за дороговизны комплектующих. По какой технологии создают ядерные батарейки Технологический процесс делится на несколько этапов. В зависимости от вида батарейки этапы могут различаться — для примера покажем процесс на основе современных тритиевых батареек с сэндвич-структурой. Подготавливают радиоактивные изотопы.
Отмечается, что по мере совершенствования разработки мы вскоре можем увидеть батареи для смартфонов, которые не требуют подзарядки. Как разработка приблизит появление отечественного квантового компьютера Зимой прошлого года китайские ученые заявили, что изобрели новый двигатель для дронов, который поможет устройствам находиться в воздухе на протяжении долгого времени. В частности, специалисты из Северо-Западного политехнического университета Китая изобрели модуль, который преобразует энергию света в электричество и позволяет заряжать дроны в воздухе. Создатели не раскрывают деталей проекта, чтобы избежать его использования в военных целях, однако заверяют, что с таким двигателем дрон сможет подниматься на высоту небоскреба.
Эффективность батарейки составила примерно десять микроватт на сантиметр кубический, а суммарная мощность достигла одного микроватта — такой мощности достаточно, чтобы питать кардиостимулятор. В то же время, период полураспада никеля-63 составляет около ста лет. Следовательно, в одном грамме батарейки запасено около 3300 милливатт-час, что в десять раз превышает энергию обычной химической батарейки. Построенная исследователями ядерная батарейка состоит из двухсот ячеек, в которых радиоактивные пластинки никеля-63 чередуется с алмазными барьерами, подложками и электрическими контактами. Эффективность работы отдельной ячейки определяется толщиной никелевой фольги и алмазного слоя, который поглощает частицы и ионизируется. В самом деле, если толщина никелевой пластинки слишком велика, бета-частицы не успевают ее покинуть; с другой стороны, сильно уменьшать толщину тоже не выгодно, поскольку вместе с ней уменьшается число производимых частиц. Похожие аргументы указывают на то, слишком большая или слишком маленькая толщина алмазного барьера тоже не выгодны. Поэтому ученые численно смоделировали каждый из слоев и нашли их оптимальную параметры: оказалось, что эффективнее всего никелевая пластинка работает при толщине около двух микрометров, а алмазный барьер — при толщине около 10 микрометров. Затем ученые изготовили диэлектрические слои нужной толщины, разрезая лазером, полируя и отжигая алмазные кристаллы, и приклеили к ним никелевую фольгу, подложку и электрические контакты. Каждая ячейка генерировала ток силой всего несколько наноампер, поэтому физики соединили их параллельно.
Российские физики уплотнили энергию ядерной батарейки в десять раз
Ещё одна технология — создавать батарейки на основе альфа-излучения, за счёт принципа, который называется термофотовольтаическим. Изотоп, испускающий альфа-частицы, — чаще всего это плутоний — погружается в специальную капсулу с напылением. Стенки капсулы под воздействием радиации нагреваются до температуры в 1500 градусов по Кельвину. Капсула становится настолько горячей, что её стенки светятся. Этот свет улавливают фотоэлементы, расположенные вокруг капсулы, и преобразуют в электричество. Похоже на солнечные батареи, но вместо Солнца светится капсула с изотопом. А ещё плутоний даёт намного большие мощности: одна батарейка может выдавать несколько сотен ватт. Хотя есть и свои сложности. Альфа-излучение довольно интенсивное и чаще всего сопровождается гамма-излучением. Под его воздействием понемногу разрушаются узлы батарейки: провода, преобразователи энергии и другие комплектующие.
Со временем их понадобится заменять. Например, в плутониевых батарейках оборудование способно «прожить» около 20 лет, хотя период полураспада самого изотопа куда больше — 87 лет. К тому же преобразование тут двойное: тепло превращается в свет, а потом в электричество, и по пути часть энергии теряется. Существуют и другие способы преобразовывать альфа-излучение в электрический ток: нестандартные конструкции батареек, использование неравномерной эмиссии электронов. Но таких разработок меньше, и продвигаются они медленно из-за дороговизны комплектующих. По какой технологии создают ядерные батарейки Технологический процесс делится на несколько этапов. В зависимости от вида батарейки этапы могут различаться — для примера покажем процесс на основе современных тритиевых батареек с сэндвич-структурой. Подготавливают радиоактивные изотопы. Изотопы не берутся из ниоткуда, их получают с помощью долгих и сложных реакций обогащения в специальных центрифугах.
Процесс создания изотопа может занимать несколько лет. Чаще всего производители ядерных батареек не готовят изотопы самостоятельно, а закупают — в России их подготовкой занимаются предприятия «Росатома». Разрабатывают полупроводниковый элемент. Для создания полупроводников могут использовать кремний, арсенид галлия, германий и другие элементы — тут всё зависит от потребностей. Фактически производитель батарейки создаёт полупроводниковый диод на основе нужного материала. Запускают в конструкцию изотоп. Тритий — это газ, который закачивают внутрь рабочей камеры. Там он вступает в реакцию со специальной подложкой и начинает излучать бета-частицы. Твёрдые элементы вроде никеля-63 наносят на полупроводник с помощью напыления или приклеивают в виде фольги, хотя это менее эффективно.
Потом из батарейки откачивают воздух, чтобы частицы не сталкивались и полезное излучение не уходило в никуда. Помещают батарейку в защитный корпус. Одна пара «изотоп — полупроводник» даёт довольно низкую энергию.
Создатели разработки утверждают, что такая батарейка абсолютно безопасна, совершенно не имеет внешнего излучения, а после периода распада изотоп никеля превращается в стабильный и нерадиоактивный изотоп меди, не представляющий угрозы для окружающей среды. Мощность ядерной батарейки Betavolt на данном этапе составляет 100 микроватт, а напряжение — 3 Вольта. К 2025 году мощность такого аккумулятора компания планирует довести до 1 Ватта.
Стоит один аккумулятор свыше 1000 долларов США.
Эта технологии позволила значительно уменьшить токи утечки, а, следовательно, и потребление энергии. Первоначально high-k диэлектрики планировалось масштабно применять в интегральных схемах, начиная с 2007 года. То есть одновременно с коммерческой реализацией 45-нм техпроцесса. Действительно, по факту первыми центральными процессорами, оснащенными этой технологией, стали решения поколения Penryn. Что дает использование high-k диэлектриков? Уменьшение токов утечек минимум в 100 раз. Дело в том, что диоксид кремния SiO2 , традиционно использовавшийся в качестве диэлектрика для создания затвора транзистора на протяжении нескольких десятков лет, просто-напросто исчерпал весь свой потенциал.
Так, уже при проектировании 65-нм специалистам из Intel удалось создать слой диэлектрика из диоксида кремния толщиной 1,2 нм. Это пять атомных слоев! Данное достижение очень важно для рынка микроэлектроники, ибо с каждым новым поколением интегральных схем разработчики и Intel в частности все ближе приближаются к физическим возможностям полупроводниковых материалов. Именно таким технологиям мы и обязаны появлению современных центральных процессоров. Следующим шагом эволюции кремниевых чипов стала интеграция трехмерных транзисторов. Использование high-k диэлектрика.
Такой элемент питания состоит из двух частей: полупроводников — преобразователей энергии и радиоактивного элемента-излучателя. 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.