Atombatteriet i den moderna världen

Vetenskapen går för närvarande framåt och utvecklas. Ett kärnbatteri har redan uppfunnits. En sådan energikälla kan hålla i upp till 50, och ibland upp till 100 år. Allt beror på storleken och det radioaktiva ämnet som används.

Rosatom var först med att tillkännage produktionen av ett kärnbatteri. År 2017 presenterade företaget en prototyp på en utställning.

Forskare har lyckats optimera lagren i ett kärnbatteri som använder betasönderfallet av nickel-63-isotopen för att generera elektricitet.

1 gram av detta ämne innehåller 3300 milliwattimmar.

Hur ett atombatteri fungerar

Ett atombatteri, även känt som en radioisotopvärmegenerator (RIHG), är en kraftkälla som använder sönderfallsprocessen hos radioaktiva isotoper för att generera värme och i sin tur omvandla den till elektrisk energi.

Funktionsprincipen för ett atombatteri är baserad på radioaktivt sönderfall, där atomkärnorna sönderfaller och avger partiklar och energi. Ett av de vanligaste materialen som används i atombatterier är plutonium-238, som har en lång halveringstid. Plutonium-238 sönderfaller till uran-234 och avger alfapartiklar. Dessa partiklar innehåller hög energi, som omvandlas till värme när de interagerar med omgivningen.

Värmegenerering är ett viktigt steg i driften av ett atombatteri. Värme överförs genom en värmeväxlare till en termoelektrisk omvandlare. Denna omvandlare innehåller material som kan generera elektrisk ström när den utsätts för en temperaturskillnad. Således överförs värme från det radioaktiva sönderfallet av plutonium-238 till ena sidan av den termoelektriska omvandlaren, vilket skapar en temperaturskillnad mellan dess två sidor. Denna temperaturskillnad möjliggör generering av elektrisk energi med hjälp av Seebecks termoelektriska effekt.

Den elektriska energi som genereras av en termoelektrisk omvandlare används för att driva elektriska apparater. Den största fördelen med atombatterier är att de ger en stabil och långvarig energikälla som inte kräver utbyte eller laddning på många år. På grund av användningen av radioaktiva material medför dock atombatterier vissa risker och kräver särskilda säkerhetsåtgärder vid användning och hantering.

 

Är kärnbatterier farliga?

Utvecklarna hävdar att dessa batterier är helt säkra för vanliga människor. Detta beror på att höljet är väldesignat.

Betastrålning är känd för att vara skadlig för kroppen. Men i det nyskapade kärnbatteriet är den mjuk och kommer att absorberas inuti energicellen.

För närvarande identifierar experter flera industrier där det ryska kärnbatteriet A123 planeras att användas:

1. Medicin.
2. Rymdindustrin.
3. Industri.
4. Transport.

Förutom dessa områden kan nya långsiktiga energikällor även användas i andra.

Fördelar med ett kärnbatteri

Ett antal positiva egenskaper framhävs:

• Hållbarhet. De kan hålla i upp till 100 000 år.
• Förmåga att motstå kritiska temperaturer.
• Deras lilla storlek gör att de kan göras bärbara och användas i kompakt utrustning.

Nackdelar med ett kärnbatteri

• Produktionens komplexitet.
• Det finns risk för strålningsexponering, särskilt om höljet är skadat.
• Dyrt. Ett enda kärnbatteri kan kosta mellan 500 000 och 4 500 000 rubel.
• Tillgänglig för en begränsad krets av människor.
• Litet urval.

Forskning och utveckling av kärnbatterier bedrivs inte bara av stora företag utan även av vanliga studenter. En student i Tomsk har till exempel utvecklat sitt eget kärnkraftsdrivna batteri som kan fungera i cirka 12 år utan att laddas om. Uppfinningen bygger på sönderfall av tritium. Detta batteris egenskaper förblir oförändrade över tid.

Kärnbatteri för smartphones

Från och med 2019 produceras kärnkraftkällor för telefoner. De ser ut som den som visas på bilden nedan.

De liknar ett mikrochip som passar i speciella platser i en mobiltelefon. Ett sådant batteri kan hålla i 20 år och behöver inte laddas under den tiden. Detta är möjligt tack vare kärnklyvningsprocessen. Denna energikälla kan dock vara alarmerande för många. Alla vet ju att strålning är skadlig och skadlig för kroppen. Och få människor skulle tycka om att bära runt på en sådan telefon hela dagen.

Men forskare hävdar att detta kärnbatteri är helt säkert. Tritium används som aktiv substans. Strålningen som avges under dess sönderfall är ofarlig. Du kan se tritium i aktion på en självlysande kvartsklocka. Batteriet tål temperaturer så låga som -50 °C och fungerar tillförlitligt vid temperaturer så höga som 150 °C.⁰Samtidigt noterades inga fluktuationer i dess arbete.

Det vore trevligt att ha ett sådant batteri till hands, åtminstone för att ladda telefonen med ett vanligt batteri.

Spänningen för ett sådant batteri varierar mellan 0,8 och 2,4 volt. Det genererar också mellan 50 och 300 nanoampere. Och allt detta sker under en period av 20 år.

Kapaciteten beräknas enligt följande: C = 0,000001W * 50 år * 365 dagar * 24 timmar / 2V = 219mA

Batteriet är för närvarande värderat till 1 122 dollar. Omräknat till rubel med nuvarande växelkurs (65,42) skulle det bli 73 400 rubel.

Var används kärnbatterier?

Användningsområdena är praktiskt taget detsamma som för konventionella batterier. De används i:

• Mikroelektronik.
• Tryck- och temperatursensorer.
• Implantat.
• Som powerbanks för litiumbatterier.
• Identifieringssystem.
• Timmar.
• SRAM-minne.
• För att driva processorer med låg effekt, såsom FPGA, ASIC.

Dessa är inte de enda enheterna; deras lista kommer att utökas avsevärt i framtiden.

Nickel-63 kärnbatteri och dess egenskaper

Denna kärnkraftkälla, baserad på isotopen 63, kan hålla i upp till 50 år. Den fungerar genom den betavoltaiska effekten. Den är nästan identisk med den fotoelektriska effekten. I denna effekt skapas elektron-hål-par i halvledarkristallgittret genom inverkan av snabba elektroner eller betapartiklar. I den fotoelektriska effekten skapas de genom inverkan av fotoner.

Ett nickel-63-atombatteri produceras genom att bestråla nickel-62-mål i en reaktor. Forskaren Gavrilov hävdar att denna process tar ungefär ett år. De nödvändiga målen finns redan tillgängliga i Zheleznogorsk.

Om vi ​​jämför de nya ryska nickel-63-kärnbatterierna med litiumjonbatterier, kommer de att vara 30 gånger mindre.

Experter hävdar att dessa energikällor är säkra för människor eftersom de avger svaga betastrålar. Dessutom släpps de inte utåt utan stannar kvar inuti enheten.

Denna strömkälla är för närvarande idealisk för medicinska pacemakers. Utvecklarna har dock inte avslöjat kostnaden. Den kan dock beräknas utan dem. Ett gram Ni-63 kostar för närvarande cirka 4 000 dollar. Därför skulle ett fullt fungerande batteri kräva en betydande investering.

Sammansättningen av ett kärnbatteri

Nickel-63 utvinns ur diamanter. För att få fram denna isotop krävdes dock utvecklingen av en ny teknik för att slipa det hållbara diamantmaterialet.

Ett kärnbatteri består av en emitter och en kollektor som är separerade av en speciell film. När det radioaktiva elementet sönderfaller avger det betastrålning. Detta resulterar i dess positiva laddning. Samtidigt blir kollektorn negativt laddad. Detta skapar en potentialskillnad, vilket genererar en elektrisk ström.

I grund och botten är vår atomkraftcell en skiktad paj. 200 nickel-63-strömkällor är inklämda mellan 200 diamanthalvledare. Strömkällan är ungefär 4 mm hög och väger 250 milligram. Dess lilla storlek är en stor fördel för det ryska atombatteriet.

Att hitta rätt dimensioner är svårt. En tjock isotop hindrar de elektroner den producerar från att fly. En tunn isotop är nackdelaktig, eftersom den minskar antalet betasönderfall per tidsenhet. Detsamma gäller halvledarens tjocklek. Batteriet presterar bäst med en isotoptjocklek på cirka 2 mikron, medan en diamanthalvledare kräver 10 mikron.

Men vad forskare hittills har uppnått är inte gränsen. Avgasutsläppen skulle kunna ökas med minst tre gånger. Det betyder att ett kärnbatteri skulle kunna tillverkas tre gånger billigare.

Ett kol-14-kärnbatteri som håller i 100 år.

Detta atombatteri har följande fördelar jämfört med andra strålningsenergikällor:

1. Billighet.
2. Miljövänlig.
3. Lång livslängd upp till 100 år.
4. Låg toxicitet.
5. Säkerhet.
6. Kan arbeta under extrema temperaturförhållanden.

Den radioaktiva isotopen kol-14 har en halveringstid på 5 700 år. Den är helt giftfri och billig.

Inte bara USA och Ryssland, utan även andra länder arbetar aktivt med att modernisera kärnbatterier! Forskare har lärt sig att odla film på ett karbidsubstrat. Som ett resultat har substratets kostnad minskat med en faktor 100. Denna struktur är strålningsbeständig, vilket gör energikällan säker och hållbar. Genom att använda kiselkarbid i kärnbatterier är det möjligt att uppnå drift vid temperaturer på 350 grader Celsius.

Således lyckades forskare skapa ett atombatteri med sina egna händer!