Ученые НИТУ «МИСиС» разработали компактную батарейку на атомной энергии, заряда которой хватит на 20 лет.
Российские ученые создали атомную батарейку с зарядом на 20 лет
Конструкция ядерной батареи BV100. Ядерный аккумулятор BV100 очень маленький — его габариты составляют 15x15x5 миллиметров. С учётом улучшенных характеристик российская атомная батарейка сможет занять существенную долю этого рынка, уверены исследователи, пишет RT. Атомные батарейки, то есть источники электрического тока, получающие энергию от распада радиоактивных веществ.
Почему не делают смартфоны и ноутбуки на атомных батарейках? И могут ли они появиться в будущем?
Об этом сообщает пресс-служба вуза. Разработка описана в научном журнале Applied Radiation and Isotopes. Новая батарейка преобразует энергию радиоактивного распада в электрическую и может использоваться для питания микроэлектронной аппаратуры. Она относится к так называемым бетавольтаическим элементам.
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.
Менделеева создали батарейку, работающую на энергии, которая выделяется при бета-распаде изотопа никеля. Делаем электричество из изотопов Вспоминаем школьный курс химии и физики. Слово "изотоп" означает, что мы имеем дело с химическим элементом, который занимает ту же клеточку в таблице Менделеева, но имеет другую массу ядра. Разницу в массе обеспечивают "лишние" или "недостающие" нейтроны. Например, кроме обычного водорода с одним протоном 1H существует его более тяжёлый изотоп - дейтерий 2H , у которого в ядре протон и нейтрон. Есть ещё и тритий с одним протоном и двумя нейтронами 3H.
Если химических элементов в таблице Менделеева больше сотни, то изотопов - свыше трёх тысяч. Большинство из них нестабильны: одни распадаются миллиарды лет, другие - за доли секунды. При распаде выделяется энергия, которую можно использовать себе во благо. Самый очевидный пример - атомные электростанции, в которых тепло от распада урана-237 превращается в электроэнергию. Такой источник энергии не обязательно должен быть громадным, как АЭС. Например, на космических аппаратах "Пионер" и "Вояджер" установлены вполне компактные энергетические установки, работающие на изотопе плутония. Благодаря им эти аппараты смогли покинуть пределы Солнечной системы и продолжают свой путь во Вселенной. Другой вариант использования энергии распада изотопа - новая технология под названием бетавольтаика.
Как она работает? В результате бета-распада ядро изотопа выбрасывает электрон и антинейтрино либо - реже - позитрон и нейтрино излучение попадает в полупроводник, который преобразует его в электрический ток. Аналогичным образом устроена солнечная батарея, только здесь вместо фотонов от Солнца улавливается электрон от изотопа. Почему бетавольтаика так перспективна?
Я не могу сказать, что в России такое бы разрешили, потому что с точки зрения законодательства такие радиоактивные материалы все-таки нуждаются в строгом учете и контроле.
За изобретением новой батареи, которая не потребует заряда, будущее для гаджетов. Но смогут ли люди к этому быстро привыкнуть? Рассуждает эксперт по мобильным технологиям Николай Турубар. Николай Турубар эксперт по мобильным технологиям «Это все уже очень быстро решается. Например, блютуз-гарнитура очень долго не могла войти в рынок, хотя была давно известна, давно разработана, но людям не нравилось, когда человек идет по улице и говорит как будто с самим собой.
Производители специально сделали светодиоды, чтобы они мигали, чтобы люди видели, что это не бзик, что он говорит не сам с собой, что он говорит в эту штучку, и люди специально прикладывали руку к пустому уху, где гарнитура, чтобы окружающие видели, что это не психоз.
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.
Как делают ядерные батарейки и зачем они нужны
Но вот о стоимости разработчики не говорят. Но можно подсчитать ее и без них. От сюда можно сделать вывод что на полноценную батарею потребуется очень много денег. 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.
Как утверждают в стартапе, многослойная конструкция батареи позволяет избежать возгорания или взрыва из-за внешнего воздействия. Она также способна работать при температуре от минус 60 до плюс 120 градусов Цельсия. Фото: Betavolt Фото: Betavolt Также в компании заявили, что атомная батарея абсолютно безопасна для здоровья человека и окружающей среды, не генерирует ионизирующего излучения и пригодна для использования в медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы и искусственные сердца. После распада 63 изотопа превращаются в стабильный изотоп меди, который нерадиоактивен и не представляет никакой угрозы. США и Европа также работают над созданием миниатюрных ядерных батарей Ядерные батареи или радиоизотопные генераторы — это устройство, в которых энергия распада радиоактивного изотопа преобразуется в электрическую энергию.
От ядерных реакторов они отличаются тем, что в них не используется цепная реакция. Технически радиоизотопные генераторы не являются батареями, поскольку в отличие от электрохимических аккумуляторов их нельзя заряжать или перезаряжать.
Например, тритий даёт довольно слабое излучение, поэтому делать огромный корпус с толстыми стенками для него не нужно. А вот для плутония нужна куда более серьёзная защита: его рекомендуют применять только там, где минимален риск потенциальной аварии. А для гипотетического бытового применения можно использовать изотопы с низкими энергиями, например тритий или никель-63. Защитные корпуса для них могут быть тоньше и меньше, ведь глубина проникновения излучения очень низкая. Даже если человек случайно возьмёт в руки никель-63, ему будет достаточно просто помыть руки, чтобы избежать негативного влияния». Корпус разрабатывают так, чтобы он мог выдерживать большие нагрузки: перепады давления вплоть до полного вакуума, повышенные и пониженные температуры, удары и катаклизмы.
Ведь существующие сейчас прототипы собираются использовать в довольно суровых условиях. Даже если с источником питания что-то случится — контур закрытый, и радиация не выйдет наружу. А ещё современные батарейки оснащают системами контроля обстановки, в том числе мониторингом радиационного фона и геолокацией. Так можно следить за работой устройства, даже если оно находится в космосе или на дне океана. Для чего нужны такие батарейки Ядерные батарейки способны бесперебойно питать элементы годами, пока не достигнут периода полураспада радиоактивного изотопа. Для трития это 12 лет, а для никеля-63 — около 100. И даже после этого батарейка не перестанет работать совсем, просто её мощность упадёт вдвое. На протяжении всего срока службы её не надо подзаряжать или заменять источники питания, она полностью автономна.
Реактор для кофеварки Поэтому ядерные батарейки можно использовать для питания критичных узлов. Например, на космических или арктических станциях. Обычно ядерные батарейки применяют как дополнительный источник питания вместе с химическими и солнечными батареями. Дело в том, что в производстве ядерная батарейка очень дорогая — использовать её как основной источник электричества невыгодно, хотя характеристики это позволяют. Впрочем, свою сферу применения такие элементы питания всё-таки находят. Сейчас привлекают финансирование для создания малых серий тритиевых батареек, которые отправят в космос для питания важных технологических узлов. А плутониевые термофотовольтаические батарейки от НИЯУ «МИФИ» планируют пустить в производство в ближайшие три года — и использовать на объектах вдоль Северного морского пути, к примеру на маяках или метеостанциях. А в магазинах они появятся?
К сожалению, вряд ли. Главная проблема с ядерными батарейками — стоимость. Любые радиоактивные изотопы очень дорогие. Чтобы обогатить вещество и создать из него подходящее сырьё для батарейки, нужно годами держать его в центрифуге и постоянно питать оборудование, это требует больших вложений. В итоге себестоимость изотопов выходит огромной, а конечная цена одной батарейки может достигать миллионов рублей. Поэтому сейчас ядерные батарейки производят только по индивидуальному заказу, и позволить их себе могут исключительно огромные корпорации. И то — только для самых важных узлов и элементов и в крайне небольших количествах. Может быть, когда-нибудь люди найдут способ обогащать вещества с меньшими усилиями — и тогда сырьё для батареек станет доступнее, а в нашей жизни появятся чистые и безопасные источники электроэнергии.
Автор статьи:.
Китайская Betavolt тоже этого не сделала и обещает революцию завтра, а не сегодня. Хотелось бы в это верить. В основе атомной батарейки Betavolt используется изотоп никель-63 и алмазные полупроводники. В процессе радиоактивного распада он превращается в изотоп медь-64. В природе изотопа никель-63 не существует. Он получается в специальных ядерных реакторах, поэтому цена 1 г изотопа запредельная.
В России создана атомная батарейка, которая способна работать 20 лет
- Неоружейный плутоний: российские ученые создали уникальную ядерную батарейку
- Ядерная батарейка
- Российские учёные создали прототип ядерной батарейки, которую можно не заряжать годами
- Что дальше?
- Что за ядерную батарейку создали российские учёные?
Для каких применений?
- Главные новости
- Что еще почитать
- От смартфона до ракеты. Учёные создали "вечную" атомную батарейку
- Регистрация
- Без зарядки 50 лет: в Китае разработали ядерную батарею
- Как работают ядерные батареи
Российская армия получит портативные атомные источники электропитания военной техники
Но учёные уверяют: когда атомная батарейка выйдет на массовое производство, её стоимость существенно снизится и она станет доступна многим потребителям. О сервисе Прессе Авторские права Связаться с нами Авторам Рекламодателям Разработчикам. Новая российская атомная батарейка стала в десять раз мощнее и вдвое дешевле аналогов.
В МИФИ создали прототип плутониевой батарейки
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. Кристаллическая структура вырабатывает электричество за счёт энергии, выделяемой распадающимся изотопом никеля Никель-63 в виде пластинок толщиной 2 микрометра. Использование радиоактивных источников никеля-63 более высокой чистоты позволит дополнительно улучшить плотность и мощность батарей.
Изделие способно работать до двадцати лет. Причём батарейка может быть применена в нескольких функциональных режимах: в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах и в труднодоступных или недоступных местах, например, в космосе, под водой или в высокогорных районах.
В итоге «щитом» в SNAP-2 стал усеченный конус, заполненный гидридом лития. Реактор разместили вверху, капсулу с условной командой и грузом — за нижней частью.
Последовавшие испытания показали, что идея хороша, да только не работает: в определенных условиях, вероятность появления которых высока, смертельная доза радиации пройдет сквозь защиту. Кроме того, конструкция оказалась весьма взрывоопасной. Transit 4A. Атомные батарейки на плутонии-238, которого потратили 96 граммов, установили в навигационные спутники военных Transit 4A и 4B. Они выдавали 2,5 Вт электрической энергии тепловая была намного больше.
Это был 1961 год. Спустя еще примерно год Transit 4B и некоторые другие спутники были повреждены из-за проведенных США ядерных испытаний в рамках программы Starfish Prime. Тогда на высоте 400 километров взорвали 1,44-мегатонный заряд, устроив небесный фейерверк, а заодно повредив собственную технику. Ведь ядерную энергию воспринимали как-то не всерьез. После проведения испытаний Starfish Prime во многих точках мира наблюдалось полярное сияние.
Ошибок случалось немало, в том числе после того, как в гонку «радиоактивных» спутников включился СССР, который вначале использовал полоний-210, а затем перешел на уран-235. Иногда атомные батарейки падали в океан упоминается несколько случаев , другие горели в атмосфере или были уничтожены при запуске. Были вопросы и к конструкции советских космических аппаратов: ситуацию можно сравнить с водителем, выбрасывающим весь мусор которого тонны из машины в окно — чего только не оказалось на мусорной орбите вокруг Земли! Собственный опыт и опыт «коллег» подтолкнул американских инженеров к тому, чтобы разработать системы, которые активируются лишь после удаления от Земли. Это было важно, так как мощность батареек планировали нарастить.
Однако особенно преуспели в этом Советы, которые быстро перешли на киловаттные установки, но уже в 1970-е. Американцы также запустили экспериментальный вариант на 500 Вт и 30—40 кВт тепловой энергии в 1975 году. В 1979 году началось частичное разрушение объекта. Причины остались неизвестны, предполагалось столкновение.
И такие источники уже имеют свою реализацию в виде так называемых «атомных батареек». В основе ее лежит патент на оригинальную микроканальную 3D-структуру никелевого бетавольтаического элемента.
Примененные подходы позволили в три раза уменьшить по сравнению с существующими аналогами габариты батареи. Одновременно с этим в 10 раз возросла удельная мощность источника. Расчеты, проведенные учеными, позволяют утверждать, что такой источник способен проработать не менее 20 лет без необходимости замены.
Поделиться
- Ядерная батарейка: принцип действия, сколько работает?
- В России создана миниатюрная и долговечная атомная батарейка - Бора-медиа
- "Ядерная" батарейка. В России придумали элемент питания, работающий тысячи
- Как делают ядерные батарейки и зачем они нужны — Журнал «Луч»: объединяем жителей атомных городов
Почему ядерные батарейки так и не стали популярны? История почти забытой технологии
| Атомные батарейки и зарядка по Wi-Fi: будущее рынка сохранения энергии | РБК Тренды | По их заверениям, энергоэффективность атомных батареек настолько высока, что их можно ставить в пару с литиевыми аккумуляторами. |
| Атомная батарейка в современном мире | В итоге атомная батарейка способна проработать не менее 50 лет. |
| Российские ученые создали атомную батарейку, которая может работать 20 лет — Нож | Ученые НИТУ «МИСиС» представили инновационный автономный источник питания — компактную атомную батарейку, которая может работать до 20 лет. |
| Что за ядерную батарейку создали российские учёные? | Устройство ядерной батарейки можно сравнить с полупроводниковой солнечной батареей. |
День, когда появилась атомные батарейки с зарядом на 20 лет
Российская ядерная батарейка в отличие от традиционных источников питания получает электрическую энергию в результате естественного распада радиоактивных изотопов. 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. На заводе «Элемаш» в Электростали делают батарейки для ядерных реакторов, которые используют по всему миру.
Создана уникальная ядерная батарейка
При распаде выделяется энергия, которую можно использовать себе во благо. Самый очевидный пример - атомные электростанции, в которых тепло от распада урана-237 превращается в электроэнергию. Такой источник энергии не обязательно должен быть громадным, как АЭС. Например, на космических аппаратах "Пионер" и "Вояджер" установлены вполне компактные энергетические установки, работающие на изотопе плутония.
Благодаря им эти аппараты смогли покинуть пределы Солнечной системы и продолжают свой путь во Вселенной. Другой вариант использования энергии распада изотопа - новая технология под названием бетавольтаика. Как она работает?
В результате бета-распада ядро изотопа выбрасывает электрон и антинейтрино либо - реже - позитрон и нейтрино излучение попадает в полупроводник, который преобразует его в электрический ток. Аналогичным образом устроена солнечная батарея, только здесь вместо фотонов от Солнца улавливается электрон от изотопа. Почему бетавольтаика так перспективна?
Она даёт энергию долго - десятилетиями. Не требует обслуживания. Да, у такой батарейки низкая мощность, но зато высокая энергоёмкость.
И тут не нужны тяжёлые радиоактивные изотопы вроде плутония. Бета-распад куда более невинен. Как получить тяжёлый никель Патент на бетавольтаику был получен ещё в 1957 году, но реализовать его удалось только сейчас.
Одно дело теория, другое - реально работающий гаджет. Сначала ориентировались на сверхтяжёлый водород - тритий.
Аналогичную оценку "изобретения" Росатома дают пользователи социальных сетей: Едва ли ее где-нибудь получится использовать. Я более чем уверен, что бюджет как всегда освоили, часть его потратили на презентацию, а само изделие никто никогда не увидит : Заявленный срок службы 50 лет , как мы догадались - это как раз половина периода полураспада Ni63 100лет.
Такую же логику используют ученые Бристольского университета в концептуальном ролике. В отличие от батарейки Росатома, бристольская атомная батарейка использует изотоп C14 и может работать 5730 лет! В Бристольском университете правда забыли поделить на 2, но и 2865 лет слишком много для кардиостимулятора. Уникальность бристольской концепции заключается в том, что проблема ядерных отходов решается путем переработки их в ядерные батарейки.
Если внимательно прослушать и перевести текст этого ролика, то открывается гораздо больше интересной информации. Сначала подробно рассказывается о происхождении изотопа С14 С 1940 Англия сделала много ядерных реакторов научного, военного и гражданского назначения. Все эти реакторы используют уран как топливо, а внутри реактор сделан из графитовых блоков. Эти графитовые блоки используются в процессе ядерного расщепления, позволяя контролировать цепную реакцию, которая даёт постоянный источник тепла.
Это тепло потом используется, чтобы превратить воду в пар, которое потом крутит турбины, чтобы сделать электричество. Ядерные электростанции производят ядерные отходы, которые необходимо безопасно утилизировать. Надо просто подождать, чтобы эти отходы перестали быть радиоактивными. К сожалению, это занимает тысячи и миллионы лет.
Это также требует очень много денег, чтобы контролировать безопасность в течение этих многих лет. Так как мы используем графитовые реакторы, Англия создала 95000 тон графитовых блоков содержащих радиацию.
Хлопина, также входящем в научный дивизион «Росатома», полученный материал очистили и создали рабочий газ для каскада газовых центрифуг Электрохимического завода. Высокий уровень обогащения по изотопу никель-63 необходим для разработки источников энергии длительного срока действия, производство которых планирует организовать «Росатом» на одном из своих предприятий. Компактные «атомные батарейки» со сроком службы до 50 лет крайне востребованы в приборах и системах, где замена источников питания затруднительна, высокозатратна или небезопасна.
Потенциальные области применения таких батареек — космическая техника, медицина, телекоммуникационное оборудование, продукция военно-промышленного комплекса, объекты промышленности и инфраструктуры.
Этот прорыв ставит его «далеко впереди» всех других европейских и американских академических и коммерческих учреждений, отмечается в публикации. При этом инженеры уверяют, что устройство безопасно для людей: в нем используется никель и алмазные полупроводники, уточняет «Газета. Компания планирует начать массовое производство батареи в этом году, а через год планирует представить еще более мощную версию.
Отмечается, что по мере совершенствования разработки мы вскоре можем увидеть батареи для смартфонов, которые не требуют подзарядки.
Ядрена батарейка
Заново изобрели электричество: батарейка с сердечником из ядерных отходов будет работать 28 тысяч лет. В Китае изобрели атомную батарейку BV100, которая может работать до 50 лет без подзарядки. Главная/Новости/Китай представил ядерную батарейку размером с монету, которой хватит на 50 лет. Ученые НИЯУ МИФИ вплотную подошли к созданию ядерной батарейки принципиально нового типа. Миниатюрную атомную батарейку разработали учёные НИТУ «МИСиС». атомная батарейка. Батарейку можно применять в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах.