Ученые разработали высокоэффективные компактные ядерные батарейки

Плюсы и минусы ядреной батарейки

Все существующие атомные батареи не оптимизированы. Это означает, что все они имеют избыточный объем бета-источника. Если толщина источника слишком велика, то электроны, образующиеся в ходе реакции, не смогут оторваться от него. Этот процесс ученые называют самопоглощением.

Если изготавливать батареи со слишком тонким источником, то сократится число бета-распадов за единицу времени. Такие же проблемы наблюдаются с изготовлением преобразователя.

О создании первого прототипа было объявлено в 2016 г. При его разработке удалось частично решить вышеназванные проблемы.

Но производство в промышленных масштабах пока не налажено. Появление первых атомных элементов на рынке ожидается не раньше 2020 г.

Несмотря на все усилия ученых, ядерная батарейка по-прежнему продолжает оставаться дорогим удовольствием. Поэтому их появления в домах простых потребителей в ближайшее время ожидать не стоит.


Более-менее широкое использование атомных батареек в быту отодвинуто до 2020 года

Самой дорогой частью батареи является радиоактивный изотоп. Так 1 г этого вещества стоит 0,5 млн руб. Для производства 1 батареи требуется всего 1 мг, но и он обойдется в 5000 руб. Для батареи народного потребления это достаточно дорого.

Область применения

Несомненным плюсом всех ядерных батареек является то, что они могут эффективно функционировать при больших колебаниях температур в диапазоне -100…+100°C.

Эта устойчивость позволяет расширить область их применения. В том числе и там, где даже самые лучшие батарейки не в состоянии нормально работать. Эти изделия давно ждут на Крайнем Севере и в Арктике.

В первую очередь новые элементы питания поступят в медицинские учреждения. Первые образцы будут приспособлены к работе с медицинскими кардиостимуляторами. Новые батареи станут длительным источником питания, при этом объем самого прибора совсем не изменится. Такой кардиостимулятор сможет работать длительное время и не будет требовать замены батареи.


Атомный аккумулятор NANOTRITIUM

Вторым потребителем нового источника питания станет космическая промышленность. Батареи будут обслуживать космические аппараты.

Работы над совершенствованием батарей будут продолжены. В первую очередь ученые надеются увеличить их мощность. Будет усовершенствована алмазная структура, а это значит, увеличится напряжение и, соответственно, полезная мощность.

Всего, по прогнозам разработчиков, в перспективе возможно увеличить мощность батареи в 3 раза.

Опасны ли ядерные батарейки?

Разработчики утверждают, что подобные элементы питания для обычных граждан являются полностью безопасными. А все потому что конструкция корпуса выполнена добротно.

Известно, что бета излучение вредит организму. Но в созданной ядерной батарейке оно мягкое и будет поглощаться внутри энергетического элемента.

На данный момент специалисты выделяют несколько отраслей в которых планируется использовать ядерную батарейку «Россия А123»:

  1. Медицина.
  2. Космическая отрасль.
  3. Промышленность.
  4. Транспорт.

Так же по мимо этим сферам новые долговечные источники энергии можно использовать и в других.

Недостатки атомного источника питания

Что же мы получаем взамен атомного аккумулятора? Так сказать, а что мы увидим, если посмотрим с другой стороны? Во-первых, производство подобных автономных источников энергии обойдется в копеечку. Инженеры точных сумм не пожелали назвать. Быть может, побоялись сделать неверно досрочные выводы. Однако была дана приблизительная оценка не в цифрах, а в словах. То есть “все очень дорого”. Что же, этого вполне следовало ожидать, прикинув суть дела просто логически. О серийном выпуске в промышленных масштабах говорить, пожалуй, слишком рано. Остается надеяться только на то, что со временем будут найдены альтернативные технологии, позволяющие создать атомный аккумулятор без ущерба его надежности и практичности, но гораздо дешевле.

К слову, ТАСС оценило 1 грамм вещества в 4 тысячи долларов. Таким образом, чтобы набрать необходимую массу атомного вещества, которое обеспечит долговременное использование батареи, в настоящее время необходимо потратить 4,5 миллиона рублей. Проблема заключается в самом изотопе. В природе его просто-напросто не существует, создают изотоп при помощи специальных реакторов. В нашей стране их всего лишь три. Как говорилось раньше, может, со временем удастся использовать другие элементы, чтобы снизить затраты на производство источника.

Ядерная батарейка на углероде 14 работающая 100 лет

У данной атомной батарейке по сравнению с другими радиационными источниками энергии имеются следующие преимущества:

  1. Дешевизна.
  2. Экологическая чистота.
  3. Долгий срок работы до 100 лет.
  4. Низкая токсичность.
  5. Безопасность.
  6. Способна работать в экстремальных температурных условиях.

Радио активный изотоп углерод 14 имеет период полураспада 5700 лет. Он абсолютно не токсичен и имеет низкую стоимость.

Активную работу по модернизации ядерной батарейки ведут не только США и Россия, но и другие страны! Исследователи научились наращивать пленку на карбидной подложке. В результате чего подложка подешевела в целых 100 раз. Такая структура устойчива к радиации, а это делает данный энергетический источник безопасным и долговечным. Применяя карбид кремния в ядерные батареи можно добиться ее работы при температуре в 350 градусов Цельсия.

Таким образом ученым удалось создать атомную батарейку своими руками!

Вступление

Сейчас рынок смартфонов – одно из самых перспективных направлений электроники. Эта сфера динамично развивается, не останавливаясь ни на минуту. Казалось бы, вот только в продажу поступил iPhone 3, а на прилавках магазинов сотовой связи красуются уже iPhone 6 и iPhone 6 Plus. Стоит ли говорить о том, какой путь прошли инженеры компании, чтобы порадовать пользователей новейшей аппаратной частью?

То же самое можно сказать и об Android, и о Windows Phone. Еще пару лет назад весь школьный класс собирался вокруг счастливчика, у которого был телефон на базе операционной системы Android. А когда кому-нибудь удавалось лично поиграть в приложение, в котором управлять действием можно было при помощи поворота экрана (особенно если эта игра была из разряда гонок), он буквально сиял от счастья.

В настоящее время этим уже никого не удивишь. Даже первоклассники сейчас спокойно пользуются телефонами компании Apple без особой радости и восторга, не представляя, как им на самом деле повезло. Еще бы, они же просто не знают, что когда-то существовали телефоны, работающие при помощи кнопочного, а не сенсорного управления. Что на тех телефонах было всего пара-тройка игр. И что даже змейка на двухцветном экране Nokia 1100 была для детей того времени поводом для бескрайнего восторга, а играли в нее едва ли не дни напролет.

Безусловно, тогда игры были гораздо менее качественными. Пользоваться подобными телефонами можно было несколько дней, не применяя подзарядку. Сейчас же игровая индустрия в сфере смартфонов вышла на более качественный уровень, а это требует более мощных телефонных аккумуляторов. Сколько, по вашему мнению, способен продержаться самый современный, самый мощный в плане автономной работы смартфон?

Состав ядерной батарейки

Никель 63 добывают из алмазов. 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. Маленькая толщина не выгодна, так как снижается количество бета распадов в единицу времени. То же самое и с толщиной полупроводника. Лучше всего батарейка функционирует при толщине изотопа около 2-х микрон. А алмазного полупроводника 10 микрон.

Но то что удалось достигнуть ученым на данный момент не является пределом. Выхлоп можно повысить еще минимум в три раза. А это значит, что ядерную батарейку можно сделать в 3-и раза дешевле.

Как возникла идея создания батареи?

Атомная батарейка — довольно-таки современная разработка XXI века. Однозначно, данное изобретение открыло огромное количество возможностей в деятельности как наземных, так и космических областей деятельности. Но действительно ли она не приносит вреда здоровью, как об этом везде говорят?

Идея появления небольших атомных реакторов относительно недавно получила большое распространение. Ученые выдвинули предположения о том, что такая батарейка для телефона позволит избавиться от проблемы необходимости подзарядки. О первом прототипе батарейки, использующей в своей работе атомную энергию, заговорили на отечественном предприятии «Росатом». Никакой определенной конкретики не было. Как говорят инженеры, первый компактный атомный реактор может быть изготовлен в 2017 году. Принцип действия такой батарейки будет состоять в использовании энергии химических реакций, происходящих при участии изотопа никеля. Если говорить более точно, речь идет о бета-излучении. Интерес представляет тот факт, что батарейка, созданная по данному принципу, будет работать в течение 50 лет. Размер такого элемента будет достаточно компактный. Чтобы иметь представление о том, какие габариты будет иметь атомный аккумулятор, достаточно представить себе, что простую батарейку уменьшили в 30 раз.

Аккумулятор на базе никеля

Сотрудники ФГУП «Горно-химический комбинат» высказали готовность изготовить опытный образец атомного аккумулятора на базе никеля. Главным действующим компонентом в такой батарейке выступает изотоп никеля. Данный элемент способен обеспечить автономную работу электроники в течение полувека. Принцип работы аккумуляторного элемента основан на бета-вольтаическом эффекте. Он чем-то напоминает фотоэлектрический эффект. Пары «электро-дырка» в полупроводниковой решетке образуются за счет влияния бета-частиц. Для получения изотопа никеля 63 мишени никель-62 облучают.

Помимо продолжительного времени работы, к преимуществам таких аккумуляторных батарей можно будет отнести компактные размеры. При этом данные элементы питания будут совершенно безопасны для здоровья. Такие достоинства делают атомные батареи особенно привлекательными для многих сфер человеческой деятельности.

Безопасна ли атомная батарея?

Инженеры абсолютно уверены в том, что такой источник питания не будет представлять никакой опасности для здоровья человека. Причиной такой уверенности стала конструкция батарейки. Безусловно, прямое бета-излучение любого изотопа будет наносить вред живому организму. Но, во-первых, в данном аккумуляторе оно будет “мягким”. Во-вторых, даже это излучение не выйдет наружу, поскольку оно поглотится внутри самого источника питания.

В связи с тем, что атомные батарейки “Россия А123” будут поглощать излучении внутри себя, не выпуская его наружу, эксперты уже сейчас строят стратегический прогноз на использование атомного аккумулятора в различных сферах медицины. Например, его могут внедрить в конструкцию кардиостимуляторов. Вторым по перспективности направлением является космическая индустрия. На третьем месте, конечно же, находится промышленность. За пределами тройки лидеров находится много ответвлений, в которых можно будет успешно использовать атомный источник энергии

Наиболее, пожалуй, важное из них – транспорт

Принцип работы атомной батарейки

Работы над подобным источником питания ведутся давно. Перспективы у такой разработки большие. Человечество получит небольшой по размерам источник питания с длительным сроком службы.

Такие работы ведутся не только в России, но и за рубежом. Уже получены первые рабочие образцы как в нашей стране, так и других. В качестве источников, помимо углерода-14, взяты Ni-63 и тритий.

Для основы этой ядерной батарейки выбран углерод-14. Этот элемент имеет преимущество перед другими изотопами, которые можно было бы использовать в атомных батарейках. Несомненными плюсами этого изотопа являются:

  • экологичность;
  • дешевизна;
  • длительный период эксплуатации.

Период полураспада этого вещества – 5700 лет и, самое главное, он нетоксичен. Для атомных батарей предлагают использовать Ni-63, который является для человека токсичным.


Российская атомная батарейка 2V на никеле-63 с периодом полураспада 100 лет

Атомная батарейка, принцип работы которой построен на преобразовании энергии из атомной в электрическую, уже не является фантастикой. Источником в ней служит радиоактивный изотоп.

Ни один аккумулятор не сравнится с ней по эффективности.

Схема строения атомной батарейки:

  1. Источник излучения. Самая простая батарейка состоит из источника, излучающего энергию. В ходе преобразований такая энергия переходит в электрическую. Еще одним компонентом батареи является коллектор, отделенный от источника диэлектрической пленкой. Принцип ее работы в том, что при распаде источник радиоактивного излучения испускает бета-лучи, которые выступают в виде положительной части батареи. А коллектор – это отрицательная часть батареи. Между ними возникает разность зарядов.
  2. Подложка. Еще одной частью батареи является “подложка”. В этом качестве используется пористая карбидокремниевая гетероструктура. Это новый материал. Изготовляется эта часть путем наращивания на кремневое основание карбидной пленки. Такая подложка удешевляет стоимость батарейки. Структура продемонстрировала высокую устойчивость к радиации.
  3. Карбид кремния – это полупроводник. Он изначально способен выдерживать высокие температуры вплоть до +350°C. Он в 10 раз превосходит кремний в противостоянии радиации.

Может ли использоваться атомный аккумулятор в смартфонах?

  • диагональ экрана;
  • быстродействие;
  • габариты (как правило, борьба идет за уменьшение толщины устройств);
  • длительность автономной работы устройства.

В настоящий момент вопрос о том, как может использоваться атомная энергия для создания современных смартфонов, остается актуальным. По предположениям ученых, уже в ближайшем будущем появятся устройства, которые можно будет оборудовать аккумуляторами, функционирующими по принципу реакции ядерного элемента. В этом случае телефоны будут функционировать без дополнительной зарядки до 20 лет. Такое время автономной работы не может не впечатлять.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: