Структуру, состоящую из изотопа и полупроводников, помещают внутрь специального защищённого корпуса. Он спроектирован таким образом, чтобы радиация не выходила наружу, а сама батарейка могла пережить ударные нагрузки, перепады температур и давления. Получается надёжная и практически автономная конструкция, изолированная от окружающей среды.

Ядерные батарейки не нуждаются в подзарядке и могут работать в течение многих лет. В теории — пока не достигнут периода полураспада изотопа, который в них находится. На практике ещё нужно учитывать деградацию других элементов, например полупроводников.

Какими бывают ядерные батарейки и как они работают

Источники энергии на основе изотопов можно разделить на две категории: тепловые и нетепловые. Всё зависит от того, каким образом из энергии ядерного распада получают электричество.

РИТЭГ: что было до ядерных батареек. Классическим тепловым преобразователем был РИТЭГ — радиоизотопный термоэлектрический генератор. Такие устройства использовали в космосе, в тех местах, где невозможно применять солнечные батареи. Например, на космических кораблях, которые отходят далеко от Солнца.

Именно РИТЭГ показан в фильме «Марсианин». Внутри устройства — радиоактивный изотоп, который распадается естественным путём и при этом выделяет тепло. Специальные элементы преобразуют это тепло в электричество.

РИТЭГ — хорошо изученная технология, но не слишком эффективная. При таком способе преобразования теряется много энергии. Коэффициент полезного действия даже в усовершенствованных генераторах составляет всего 26% — это значит, что больше 70% энергии изотопа уходит в никуда. А в классических РИТЭГ коэффициент и того ниже — около 7%. 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.

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.

Такая батарейка — тепловая, как РИТЭГ, но намного более эффективная. Даже на стадии прототипа её КПД в два с половиной раза выше, чем у РИТЭГ. 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

1. 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».
2. 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.
3. 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.
4. Помещают батарейку в защитный корпус. Одна пара «изотоп — полупроводник» даёт довольно низкую энергию. Поэтому, чтобы достигнуть нужной мощности, обычно в батарейке размещают несколько десятков или даже сотен таких пар. Потом конструкция помещается в герметичный защитный корпус, который не выпускает наружу радиационное излучение и защищает саму батарейку от внешних воздействий.

Чем больше пар «изотоп — полупроводник» в батарейке, тем крупнее она в итоге оказывается. Маленькие батарейки, работающие со слабыми токами, могут помещаться, например, в кардиостимулятор — такой проект действительно существовал в США. А вот чтобы собрать батарейку, способную питать условный компьютер, уже нужна конструкция весом как минимум в несколько килограммов.

Если используемый изотоп более мощный и выдаёт больше энергии, с ним можно сделать более компактную батарейку. Скажем, элементы питания для тех же кардиостимуляторов делались на основе более активного плутония и потому занимали очень мало места. Но и защита у мощных изотопов должна быть сложнее, а ещё интенсивное излучение изнашивает элементы батарейки.

А это надёжно?

Защитный корпус батарейки проектируют с учётом условий эксплуатации. А ещё учитывают, какой именно изотоп используется внутри. 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.

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.

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.

«90% стоимости батарейки складывается из цены изотопа, поэтому смысла удешевлять процессы сейчас нет. Единственный потенциальный путь сделать ядерные батарейки доступнее — уменьшить стоимость изотопа, — объясняет Сергей Леготин. — Например, найти новые технологии обогащения, снизить время работы центрифуг или удешевить их обслуживание. Если такие технологии найдутся, то батарейки, конечно, начнут использовать более широко».

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.

Основной технологией создания так называемой «вечной батарейки» является сегодня использование радиоактивного изотопа, энергия излучения которого преобразуется в электрическую. Российские атомщики уже готовят производство такого источника питания на основе никеля-63 (Ni-63) в Красноярском крае с 2017 года. Но сегодня мы расскажем еще об одном варианте «батарейки», созданном в Самарском национальном исследовательском университете, – на основе углерода-14.

Томские разработчики предлодили ядерную батарейку

Если источник питания на базе Ni-63 стоит довольно дорого и больше подходит для космической и военной сферы, то «атомная батарейка» на углероде-14 практически нетоксична и главное – стоит значительно дешевле. При этом период полураспада изотопа, использованного в самарской разработке, составляет 5700 лет. Как говорят разработчики, «в качестве «подложки» под радиоактивный элемент используется принципиально новая структура – пористая карбидокремниевая гетеро-структура».

Технология уже запатентована российскими учёными: на готовой кремниевой подложке наращивается карбидная пленка «методом эндотаксии», а стоимость такой «подложки» уменьшается в 100 раз. Кроме того, карбидокремниевая структура устойчива к радиации. При излучении изотопа она остается практически неизменной, что и позволяет батарейке работать неограниченный срок по меркам человеческой жизни.

Также создатели «атомной батарейки» отмечают, что они уже «научились делать нано- и мезопоры на подложке кремния, затем преобразовывать их нестабильные свойства в стабильные». То есть переводить фазу кремния в фазу карбида кремния.

«Это тоже полупроводниковый материал. Он химически более устойчив, способен работать при температуре до 350 градусов. Кремниевые датчики температур работают максимум до 200. Карбид кремния в 10 раз радиационно пассивнее кремния, то есть, если в Чернобыльской ситуации роботы переставали слушаться, то на карбиде кремния уровень облучения допускается в 10 раз выше», – сообщает научный руководитель и главный конструктор проекта, доцент кафедры радиофизики, полупроводниковой микро- и наноэлектроники Самарского университета Виктор Чепурнов.

Удешевление технологии «вечной батарейки» и ее безопасность позволяют говорить о приближении времени, когда многие приборы и датчики смогут работать автономно десятилетиями вне зависимости от климатических условий и наличия «традиционных» источников питания.

Массовое производство китайской ядерной батарейки

Китайская компания Betavolt приступила к массовому производству сверхкомпактного атомного элемента питания BV100, имеющего срок службы до 50 лет и не нуждающегося в подзарядке, пишет TechSpot. Размер первой партии и перечень заказчиков не уточняются.

BV100, о создании которого Betavolt сообщила в начале 2024 г., представляет собой своего рода сэндвич, состоящий из тончайших чередующихся пластин, которые выполнены из никеля-63; материала на основе полупроводникового алмаза и заключены в компактный корпус с контактной площадкой на одной из его внешних граней. Толщина каждого полупроводникового слоя составляет 10 мк, радиоактивной пластины-сердечника – 2 мк.

Источником энергии в BV100 выступает никель-63, не встречающийся в природе радиоактивный изотоп металла никеля, имеющий период полураспада 100 лет. Никель-63 испускает мягкое бета-излучение (поток быстрых электронов/позитронов). Продуктом его распада является медь-63, нерадиоактивный изотоп меди, наиболее распространенный в природе. Его утилизация не требует значительных усилий и финансовых расходов. Однако исходный материал «ядра» вряд ли можно считать безопасным – он представляет значительную угрозу здоровью человека при употреблении внутрь.

По заявлению Betavolt, BV100 сохраняет работоспособность в условиях, которые традиционные химические батареи не выдерживают. Элемент питания продолжает функционировать при экстремальных температурах в диапазоне от -60 до +120 градусов Цельсия, не создавая угрозы возгорания или стремительной разрядки, как это делают, к примеру, литий-ионные аккумуляторы.

Текущий вариант элемента питания Betavolt обеспечивает мощность в 100 мкВт (0,0001 Вт) при напряжении в 3В. Размеры корпуса BV100 составляют 15x15x5 мм, что сопоставимо с габаритами монеты достоинством пять юаней. Одной BV100 не хватит для того, чтобы запитать от него девайсы со сравнительно высоким уровнем энергопотребления, такое как смартфон или портативный компьютер. Однако Betavolt рассматривает возможность построения батарей на основе множества таких элементов. Удельная энергоемкость BV100 составляет 3300 мВт*ч/г, что, как отмечает TechSpot, в 10 раз превышает аналогичный показатель типичной тройной литиевой батареи.

Более мощная версия не за горами

До конца 2025 г. китайская компания рассчитывает вывести на рынок гораздо более мощную, одноваттную версию устройства, которая, как отмечает TechSpot, сможет найти применение в технике самых разных типов: от потребительской электроники до беспилотных летательных аппаратов.

Элементы питания на основе радиоизотопов производятся достаточно давно. Источники электроэнергии, построенные на базе термоэлектрических генераторов, могут применяться при решении узкого круга задач, в частности, для поддержания работоспособности космических аппаратов, рассчитанных на полет при значительном удалении от Солнца. К примеру, в марсоходе NASA Curiosity используется генератор такого типа, в качестве топлива потребляющий плутоний-238.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы родом из прошлого века отличаются высокой стоимостью, значительными габаритами и могут представлять опасность для окружения, поскольку в силу специфики устройства имеют высокую внутреннюю температуру.

В свою очередь изделие Betavolt компактно и относительно безопасно, однако о его цене пока ничего не известно.

Со слов представителей компании, у технологии практически неограниченный спектр областей применения, аэрокосмические системы, устройства на основе ИИ, медицинское оборудование, миниатюрные дроны и роботы.

Интерес к технологии за пределами Китая

«Прорыв», совершенный Betavolt, вызвал всплеск интереса к идее создания элементов питания на основе радиоактивных материалов по всему миру, отмечает TechSpot. Тем не менее информация о проектах разработки бета-гальванических батарей, дошедших до стадии прототипа, периодически появлялась в СМИ задолго до анонса Betavolt. Так, в 2020 г. CNews писал о подобном проекте американской компании Nano Diamond Battery.

Собственные исследования сегодня в этом направлении ведет Северо-западный педагогический университет Китая, выбравший в качестве основного материала углерод-14. Свои наработки имеются у компаний City Labs в США, Kronos Advanced Technologies, Yasheng Group и Arkenlight в Великобритании.

City Labs недавно получила грант от Национальных институтов здравоохранения (входит в структуру Минздрава США) на разработку элемента питания с продолжительным сроком службы без подзарядки на принципе бета-излучения для медицинских устройств вроде водителей сердечного ритма. Правда, технология, которую доводит до ума City Labs, предполагает использование изотопа водорода – трития.

В 2023 г. российский НИЯЮ МИФИ сообщил о создании прототипа элемента питания средней мощности на основе никеля-63 и узкозонных полупроводниковых термофотовольтаических материалов с КПД преобразования теплового излучения как минимум не ниже 15%.

По словам Чжан Вэя (Zhang Wei), главного исполнительного директора Betavolt, компания является единственным в мире глобальным производителем материалов на основе алмазных полупроводников, которые также задействуются при выпуске суперконденсаторов и ультрадлинных углеродных нанотрубок.

Betavolt уже добилась признания научного сообщества Китая. Компания заняла третье место на конкурсе инноваций Китайской национальной ядерной корпорации 2023 г. и зарегистрировала несколько связанных с технологий патентов внутри страны, а в настоящее время ведет работу над регистрацией международных патентов.

Источники: https://goroda.media/, https://www.cnews.ru/