Атомная батарейка с чего состоит. Ядерные батарейки. Безопасность применения батареи

Старые электронные часы могли работать более года, используя одну маленькую батарейку. Но современные электронные устройства настолько многофункциональны, что проблема малой ёмкости современных аккумуляторов стоит в полный рост. Если смартфоны и планшеты имеют достаточно много места в корпусе, то компактная электроника вроде «умных» часов страдает от нехватки ёмкости особенно сильно, что существенно сдерживает рост её популярности. С другой стороны, футурологи пятидесятых — шестидесятых годов вовсю рисовали картины «светлого атомного будущего», где автомобили не нуждаются в заправке, а аккумуляторы — в зарядке.

Возможно, это будущее не совсем потеряно. Учёным из Университета Миссури удалось достичь существенного прогресса в области создания «атомных батареек». Не стоит пугаться, речь вовсе не идёт о карманном ядерном реакторе. Создание такого реактора на данном этапе развития технологий невозможно. Принципом действия батарея, созданная в стенах университета, очень напоминает обычные солнечные панели, но если процесс, протекающий в последних, называется «фотовольтаикой», то в описываемой разработке имеет место «бетавольтаика», то есть поглощение полупроводниковым устройством бета-излучения.

Нельзя сказать, что бета-излучение безвредно, но, в отличие от гамма-излучения, оно представляет собой поток заряженных частиц и имеет сравнительно небольшой пробег, около двух метров в воздухе и порядка десяти миллиметров в тканях тела. Но достаточно двух-трёх миллиметров алюминия или пары сантиметров органического стекла, чтобы полностью экранировать такой поток. В конструкции «атомной батарейки» используется электрод из диоксида титана, покрытый слоем платины, вода и источник бета-излучения. В качестве последнего используется изотоп стронций-90 с периодом полураспада около 29 лет. В процессе распада он испускает электрон (пресловутое бета-излучение), антинейтрино, а побочным эффектом реакции является иттрий-90. Последний имеет период полураспада всего 64 часа, также испускает электроны и антинейтрино, а в конце превращается в стабильный нерадиоактивный цирконий. Гамма-излучение в этих реакциях практически отсутствует.

Идея батарей, использующих процесс бетавольтаики, не нова, однако команде учёных Миссурийского Университета удалось существенно повысить их эффективность использованием… простой воды. Да, это не опечатка. Вода очень хорошо поглощает бета-излучение, предохраняет полупроводниковый приёмник от разрушения, а само излучение расщепляет молекулы воды, позволяя извлечь дополнительную порцию электроэнергии, а значит, повысить коэффициент полезного действия бета-батареи. Как заявил один из разработчиков, их решение слабо подвержено действию низких температур и может использоваться в самых различных сценариях, от автомобильных аккумуляторов до источников питания космических аппаратов.

Разумеется, нет никаких теоретических ограничений на использование этой технологии и в носимой электронике. Однако радиофобия очень широко распространена в наши дни, большинство людей незнакомы даже с азами ядерной физики и будут воспринимать любое упоминание «радиации» в штыки. Напуганные случаями возгорания обычных литий-ионных аккумуляторов, пользователи и слышать не захотят об «атомных батарейках», несмотря на их «вечность», хотя для безопасного использования бета-батареи достаточно прочного экранирующего корпуса и соблюдения элементарных правил техники безопасности. Литий-ионные аккумуляторы тоже не рекомендуется вскрывать и пробовать на зуб.

Но описанная технология непременно будет доведена до совершенства и найдёт себе применение в военной и космической отраслях, да и везде, где продолжительность жизни источника питания является критической характеристикой, перевешивающей все возможные риски. А там, кто знает — возможно, наши потомки преодолеют иррациональный страх перед атомными технологиями и будут безопасно и с удовольствием пользоваться их плодами.

Первые упоминания об атомной батарейке зафиксированы в 2005 году.

Как устроена и как работает атомная батарейка

Действительно, атомная батарейка существует. По-другому ее называют атомный аккумулятор или ядерный аккумулятор. Она предназначена для питания различных мобильных устройств. Создана батарейка самого продолжительного срока действия благодаря процессу ядерного распада, так как основным элементом, который способствует работе устройства, является тритий. Именно от этого вещества и питается атомная батарейка.

Внутри атомный аккумулятор содержит , на работу которой оказывает действие тритий. Отмечается, что радиоактивность, которая излучается атомной батарейкой, очень и очень мала, поэтому вред здоровью человека и окружающей среде устройство не приносит. Главное достижение – это продолжительность работы батарейки. Без дополнительной подзарядки ядерный аккумулятор может прослужить около 20 лет.

Где используются атомные батарейки

Атомные батарейки – это настоящее достижение, ведь только такие устройства современности способны выдерживать температуры от -50 до +150оC, работая в экстремальных условиях. К тому же доказано, что они способны выдерживать широчайший диапазон давлений и вибраций. В различной микроэлектронике срок службы атомной батарейки варьируется. Но, как указывалось выше, минимальный срок действия без подзарядки составляет 20 лет. Максимальный – 40 лет и больше.

Как правило, атомный аккумулятор используется для работы датчиков давления, всевозможных медицинских имплантантов, часов, для зарядки литиевых батареек. С помощью работы батареек данного типа осуществляется питание маломощных процессоров. Размер и вес ядерной батарейки минимален, поэтому устройство идеально подходит для заряда космических кораблей и исследовательских станций.

Возможный вред от работы атомной батарейки

Несмотря на то что говорят, что ядерная батарейка не оказывает никакого вредного действия на кожу человека, соприкасаясь с ней, стоит быть все-таки осторожным. Это относительно новое открытие современности, поэтому исследований проводилось достаточно мало. Если сейчас, используя такую батарейку для заряда наручных часов, человек не замечает никакого негативного воздействия, еще нельзя говорить о том, что это в дальнейшем не скажется на развитии всевозможных неприятных и опасных для жизни заболеваний.

Ученые из НИТУ "МИСиС", МФТИ и НПО "Луч" разработали новую технологию создания "ядерных батареек" на основе радиоактивного изотопа никель-63, которые могут найти применение в разных областях - от медицины до космических исследований, сообщила пресс-служба вуза.

Группой российских ученых под руководством заведующего кафедрой полупроводников и диэлектриков МИСиС, профессора Юрия Пархоменко разработана технология создания преобразователей энергии бета-излучения никеля-63 в электрическую энергию на основе монокристаллов пьезоэлектриков для использования в составе автономных бета-вольтаических батарей переменного напряжения.

В эфире радио Sputnik Юрий Пархоменко рассказал о новой разработке.

"Изобретена не просто батарейка, а ядерный генератор переменного напряжения длительного срока службы. Почему ядерный? В нем используется процесс бета-распада, а это один из видов радиоактивного излучения. Но, несмотря на это, он абсолютно безопасен. В нашем случае это мягкое бета-излучение. Электроны легко задерживаются даже корпусом прибора. В этом генераторе энергия ядерного распада преобразуется в энергию механических колебаний, которая затем преобразуется в электрическую энергию с помощью пьезокристалла. Такой генератор перспективен и сроком службы - не менее 50 лет, и очень широким диапазоном рабочих температур. Он может работать в диапазоне от минус 100 по Цельсию до плюс 200. Также у него маленький размер: ширина - где-то сантиметр, а ширина и высота по полсантиметра", - сказал Юрий Пархоменко.

По его словам, область применения таких генераторов очень широкая.

"Где его можно использовать? В основном для питания различных датчиков, не подлежащих регулярному техобслуживанию. Это труднодоступные районы Земли - Крайний Север, Арктика, а также авиакосмическая техника, дальний космос, ядерная техника, атомные электростанции. Это и спецтехника, включая системы контроля и безопасности, датчики, которые устанавливают на границах", - сказал профессор.

Он отметил, что производство "ядерных батареек" на сегодняшний момент достаточно дорогостоящее, однако со временем их цена будет снижаться.

"В генераторе где-то 90% - это цена изотопа никеля-63. Его получают на предприятиях "Росатома", и стоимость одного грамма составляет где-то полмиллиона рублей. Для нашего прибора нужен один миллиграмм. Стоимость пять тысяч рублей - это дорого. Но сейчас серийно этот генератор не выпускается. Мы сделали только прототип, опытный образец. К концу года будет внедрение в производство. Если мы найдем широкое применение, тогда наладится производство и этого изотопа, и цена будет дешевле", - заключил профессор.

ЯДЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Применение энергии ядерного распада дает в отличие, например, от солнечных источников питания качественно иные типы космических электростанций длительного действия. Дело в том, что источники энергии, космических ядерных установок (реактор или радиоактивный изотоп) не получают эту энергию из космоса, a являются как бы аккумуляторами. В то же время ядерный реактор не является непосредственно источником электроэнергии. Реактор или изотоп - это мощный источник тепла. Получение электрического тока в ядерном источнике питания сводится к преобразованию тепловой энергии в электрическую.

Ядерный источник энергии будет находиться непосредственно на борту ОКС, а это дает возможность получать энергию практически непрерывно и независимо от каких-либо внешних факторов.

Здесь мы не будем останавливаться на принципе действия и устройстве ядерного реактора, об этом написано достаточно много и обстоятельно. Рассмотрим лишь некоторые способы преобразования тепловой энергии в электрическую.

Турбогенераторная установка с ядерным реактором считается одной из наиболее перспективных систем для длительного применения в космосе, поэтому рассмотрим ее подробнее.

На рис. 31 показана принципиальная схема такой установки, с теплопередающим агентом и рабочим телом которой является жидкость.

Рис. 31. Схема ядерной турбогенераторной установки:

1 - реактор; 2 - кипятильник; 3 - насос; 4 - турбина; 5 - электрогенератор; 6 - холодильник; 7 - насос

Выделяющееся в ядерном реакторе тепло воспринимается теплоносителем первичного контура. Нагретая до высокой температуры жидкость поступает в теплообменный аппарат - кипятильник, где отдает свое тепло рабочему телу вторичного контура. После этого первичный теплоноситель насосом высокого давления перегоняется снова в реактор.

Основной рабочий цикл установки осуществляется во вторичном контуре. Рабочее тело (также жидкость) сначала нагревается до температуры кипения в кипятильнике, а затем здесь же полностью испаряется. Пар, который поступает на рабочие лопатки паровой турбину, приводит во вращение обыкновенный машинный электрогенератор. Отработанный пар по выходе из турбины поступает в холодильник, где полностью конденсируется, т. е. снова превращается в жидкость.

Как мы уже говорили, единственным способом отдача тепла в окружающее пространство в космосе является радиационное излучение. Поэтому холодильником любой космической установки является излучатель тепла. Рабочее тело, пришедшее к первоначальному жид-кому состоянию, перегоняется насосом снова в кипятильник. На этом цикл основного рабочего контура замыкается.

Схема, в которой основное рабочее тело не нагревается непосредственно в реакторе, а воспринимает тепло через промежуточный теплоноситель, называется двухконтурной .

Возможно применение и одноконтурной схемы теплопередачи, в которой нет первичного контура и рабочее тело нагревается и испаряется не в кипятильнике, а непосредственно в каналах тепловыделяющих элементов реактора.

Очевидно, что одноконтурная схема проще и легче, так как в ней нет теплообменного аппарата - кипятильника и магистралей первичного контура. Кроме того, при такой схеме можно было бы значительно увеличить съем тепла с тепловыделяющей поверхности реактора, получить более высокую температуру цикла, а следовательно, и больший к.п.д. Но несмотря на все эти преимущества, одноконтурную схему нельзя применить для ОКС. Главная причина - засорение теплоносителя системы радиоактивными продуктами распада и возникновение так называемой наведенной активности в элементах конструкции установки. А это влечет за собой увеличение веса антирадиационной защиты для экипажа и, кроме того, делает в значительной мере невозможным ремонт и профилактику установки в условиях эксплуатации. При двухконтурной схеме основное рабочее тело не имеет непосредственного контакта с ядерным реактором и вторичный контур системы вполне доступен для обслуживания.

Реальное осуществление космической электротурбоустановки с ядерным реактором связано с выбором подходящего рабочего тела для основного (вторичного) контура.

В наземных атомных электростанциях с турбогенератором в качестве рабочего тела применяется вода. Но высокая коррозионная активность, большие давления пара (до 280 атм и более), высокая наведенная радиоактивность, а главное, низкие максимальные температуры цикла (не выше 300 °C) делают воду совершенно неприменимой для космических энергоустановок.

Наилучшие свойства имеют жидкометаллические теплоносители. Жидкие металлы: ртуть, натрий, калий, рубидий, цезий и некоторые другие - обладают очень высокой теплопроводностью, большой скрытой теплотой парообразования, небольшими давлениями паров при высоких температурах, что и оправдывает их широкое распространение в конструктивных разработках ядерных турбогенераторных установок. Антикоррозионные свойства и наведенная активность их также вполне приемлемы.

Принципиально турбогенераторная схема может осуществляться не только на парах жидких металлов, но и с газом в качестве рабочего тела - по так называемому циклу Брайтона, т. е. как газотурбинная установка, в состав которой вместо насоса входит компрессор. Но такая схема при некоторых преимуществах (более высокие температуры и высокие эксплуатационные качества) имеет очень существенные недостатки, в частности очень большой удельный вес.

Конструктивное решение турбогенераторной ядерной установки можно рассмотреть на примере разработанной в США системы SNAP-2 с электрической мощностью 3 квт (рис. 32).

Рис. 32. Энергетическая установка SNAP-2:

1 - трубка конденсатора; 2 - излучатель; 3 - активная зона реактора; 4 - дополнительный подогреватель; 5 - насос теплоносителя; 6 - отражатель реактора; 7 - управление нагрузкой; 8 - полезная нагрузка; 9 - расширительный бак; 10 - ртутный насос; 11 - подшипник скольжения и упорные подшипники; 12 - статор электрогенератора; 13 - турбина; 14 - подшипник скольжения; 15 - насос

В качестве теплоносителя первичного контура применен сплав натрия с калием, температура которого на выходе из реактора 650 °C. Теплоноситель вторичного контура - ртуть. Максимальная температура рабочего цикла 621 °C. Турбина - двухступенчатая. Площадь радиационного холодильника - излучателя - 9,3 м 2 . Электрический генератор дает переменный ток напряжением 110 в, частотой 2000 гц.

Полный к. п. д. SNAP-2 равен всего лишь 6,5 %. Это значит, что из 50 квт тепловой мощности реактора около 47 квт рассеивается излучателем или уходит на нагрев конструкции. Общий вес системы SNAP-2 без биологической защиты - 270 кг (из них 90 кг приходится на реактор), т. е. удельный вес установки без защиты составляет 90 кг/квт.

Но и этот довольно высокий удельный вес ядерной установки заметно увеличится из-за веса биологической защиты, который в большой степени зависит от размещения энергоустановки на станции, а также от условии эксплуатации, в частности от места запуска реактора - будет ли он производиться на Земле или после выведения ОКС на орбиту.

Наземный запуск ядерной установки усложняет обслуживание стартовой площадки, но обеспечивает условия для полной проверки работы всей энергосистемы.

Запуск же на орбите связан со снижением надежности всей энергетической системы и довольно сложен в осуществлении. В случае запуска на Земле экипаж в момент подготовки к старту и в полете при прохождении атмосферы должен быть полностью защищен не только от направленной радиации, но и от «разбрызгивания» ее молекулами окружающего воздуха, т. е. практически защита должна быть круговой, сплошной. На орбите же достаточно лишь так называемой теневой защиты экипажа, вес которой, очевидно, намного меньше. Кроме того, на орбите энергоустановка может быть удалена от основной конструкции ОКС на некоторое расстояние, например с помощью выдвижной телескопической штанги или другим способом. А так как толщина защиты зависит от расстояния до источника радиации, то вес теневого защитного экрана можно будет сделать еще меньше. Сколько же должна весить биологическая защита для турбогенератора SNAP-2? При ее расчете исходят из допустимой дозы облучения экипажа. Если принять, что суммарная доза для экипажа ОКС за три месяца не должна превысить 15 рентген, то вес защиты при удавлении реактора от экипажа на 15 м составит от 200 до 450 кг в зависимости от взаимной компоновки реактора и кабины экипажа.

Таким образом, суммарный вес установки может достичь 720 кг, а удельный вес - 240 кг/квт. Следует заметить, однако, что с увеличением мощности установки эти Цифры значительно уменьшаются.

Турбогенераторная установка - не единственный способ использования энергии ядерного реактора в космосе. Существуют и другие способы преобразования ее в электричество. Об этих способах мы расскажем в разделе о немашинных методах преобразования энергии.

Энергия ядерного распада может быть получена не только в реакторе, но и с помощью радиоактивных изотопов . Основные достоинства этого источника энергии, применимого для небольших мощностей до 0,5 квт), - малый вес и длительное время непрерывной и стабильной работы.

Принципиальная схема использования изотопов ничем не отличается от схемы турбогенераторной установки с реактором - теплоноситель прокачивается через специальный котел с трубками из материала, насыщенного изотопом, например стронцием-90 или цезием-144. Но может использоваться я схема, применяемая в солнечных батареях: облученный теплом от изотопа слой люминофора излучает фотоны, которые попадают на кремниевый элемент, аналогичный солнечной батарее. Получить большую электрическую мощность с помощью радиоизотопов очень трудно, да и вряд ли выгодно, если учесть сложность получения изотопов и их высокую стоимость.