Bateria atomică în lumea modernă

Știința este în prezent în progres și dezvoltare. O baterie nucleară a fost deja inventată. O astfel de sursă de energie poate dura până la 50, iar uneori până la 100 de ani. Totul depinde de dimensiunea și substanța radioactivă utilizată.

Rosatom a fost prima companie care a anunțat producția unei baterii nucleare. În 2017, compania a prezentat un prototip la o expoziție.

Cercetătorii au reușit să optimizeze straturile unei baterii nucleare care utilizează dezintegrarea beta a izotopului nichel-63 pentru a genera electricitate.

1 gram din această substanță conține 3300 miliwați-oră.

Cum funcționează o baterie atomică

O baterie atomică, cunoscută și sub denumirea de generator de căldură cu radioizotopi (RIHG), este o sursă de energie care utilizează procesul de dezintegrare a izotopilor radioactivi pentru a genera căldură și, la rândul ei, a o converti în energie electrică.

Principiul de funcționare al unei baterii atomice se bazează pe dezintegrarea radioactivă, în care nucleele atomilor se dezintegrează, emițând particule și energie. Unul dintre cele mai comune materiale utilizate în bateriile atomice este plutoniul-238, care are un timp de înjumătățire lung. Plutoniul-238 se dezintegrează în uraniu-234, emițând particule alfa. Aceste particule conțin energie ridicată, care este transformată în căldură atunci când interacționează cu mediul înconjurător.

Generarea căldurii este o etapă cheie în funcționarea unei baterii atomice. Căldura este transferată printr-un schimbător de căldură către un convertor termoelectric. Acest convertor conține materiale capabile să genereze curent electric atunci când este supus unei diferențe de temperatură. Astfel, căldura provenită din dezintegrarea radioactivă a plutoniului-238 este transferată către o parte a convertorului termoelectric, creând o diferență de temperatură între cele două părți ale sale. Această diferență de temperatură permite generarea de energie electrică folosind efectul termoelectric Seebeck.

Energia electrică generată de un convertor termoelectric este utilizată pentru alimentarea dispozitivelor electrice. Principalul avantaj al bateriilor atomice este că acestea oferă o sursă de energie stabilă și de lungă durată, nenecesitând înlocuire sau reîncărcare timp de mulți ani. Cu toate acestea, din cauza utilizării materialelor radioactive, bateriile atomice prezintă anumite riscuri și necesită precauții speciale de siguranță în timpul utilizării și manipulării.

 

Sunt bateriile nucleare periculoase?

Dezvoltatorii susțin că aceste baterii sunt complet sigure pentru oamenii obișnuiți. Acest lucru se datorează faptului că carcasa este bine proiectată.

Radiațiile beta sunt cunoscute ca fiind dăunătoare organismului. Dar în bateria nucleară nou creată, acestea sunt moi și vor fi absorbite în celula energetică.

În prezent, experții identifică mai multe industrii în care este planificată utilizarea bateriei nucleare rusești A123:

1. Medicament.
2. Industria spațială.
3. Industrie.
4. Transport.

Pe lângă aceste domenii, noi surse de energie de lungă durată pot fi utilizate și în altele.

Avantajele unei baterii nucleare

Sunt evidențiate o serie de calități pozitive:

• Durabilitate. Pot rezista până la 100.000 de ani.
• Capacitatea de a rezista la temperaturi critice.
• Dimensiunile lor reduse le permit să fie portabile și utilizate în echipamente compacte.

Dezavantajele unei baterii nucleare

• Complexitatea producției.
• Există riscul expunerii la radiații, mai ales dacă carcasa este deteriorată.
• Scump. O singură baterie nucleară poate costa între 500.000 și 4.500.000 de ruble.
• Disponibil pentru un cerc limitat de persoane.
• Selecție mică.

Cercetarea și dezvoltarea bateriilor nucleare sunt desfășurate nu doar de companii mari, ci și de studenți obișnuiți. Un student din Tomsk, de exemplu, și-a dezvoltat propria baterie cu energie nucleară, care poate funcționa aproximativ 12 ani fără reîncărcare. Invenția se bazează pe descompunerea tritiului. Caracteristicile acestei baterii rămân neschimbate în timp.

Baterie nucleară pentru smartphone-uri

Începând cu 2019, se produc surse de energie nucleară pentru telefoane. Acestea arată ca cea din imaginea de mai jos.

Acestea seamănă cu un microcip care se potrivește în sloturile speciale dintr-un telefon mobil. O astfel de baterie poate dura 20 de ani și nu trebuie încărcată în acest timp. Acest lucru este posibil datorită procesului de fisiune nucleară. Cu toate acestea, această sursă de energie poate fi alarmantă pentru mulți. La urma urmei, toată lumea știe că radiațiile sunt dăunătoare și dăunătoare organismului. Și puțini oameni s-ar bucura să poarte un astfel de telefon toată ziua.

Însă oamenii de știință susțin că această baterie nucleară este complet sigură. Tritiul este folosit ca substanță activă. Radiațiile emise în timpul dezintegrării sale sunt inofensive. Puteți vedea tritiul în acțiune pe un ceas cu cuarț fosforescent. Bateria poate rezista la temperaturi de până la -50°C și funcționează fiabil la temperaturi de până la 150°C.⁰În același timp, nu s-au observat fluctuații în activitatea sa.

Ar fi frumos să ai la îndemână o astfel de baterie, măcar pentru a-ți reîncărca telefonul cu o baterie obișnuită.

Tensiunea unei astfel de baterii fluctuează între 0,8 și 2,4 volți. De asemenea, generează între 50 și 300 de nanoamperi. Și toate acestea se întâmplă pe o perioadă de 20 de ani.

Capacitatea se calculează după cum urmează: C = 0,000001W * 50 de ani * 365 de zile * 24 de ore / 2V = 219mA

Bateria este evaluată în prezent la 1.122 de dolari. Convertită în ruble la cursul de schimb actual (65,42), aceasta ar însemna 73.400 de ruble.

Unde se folosesc bateriile nucleare?

Domeniul de aplicare este practic același cu cel al bateriilor convenționale. Acestea sunt utilizate în:

• Microelectronică.
• Senzori de presiune și temperatură.
• Implanturi.
• Ca baterii externe pentru baterii cu litiu.
• Sisteme de identificare.
• Ore.
• Memoria SRAM.
• Pentru alimentarea procesoarelor de consum redus de energie, cum ar fi FPGA, ASIC.

Acestea nu sunt singurele dispozitive; lista lor se va extinde semnificativ în viitor.

Bateria nucleară Nichel-63 și caracteristicile acesteia

Această sursă de energie nucleară, bazată pe izotopul 63, poate dura până la 50 de ani. Funcționează prin efectul beta-voltaic. Este aproape identic cu efectul fotoelectric. În acest efect, perechile electron-gol din rețeaua cristalină semiconductoare sunt create prin acțiunea electronilor rapizi sau a particulelor beta. În efectul fotoelectric, acestea sunt create prin acțiunea fotonilor.

O baterie atomică nichel-63 este produsă prin iradierea unor ținte nichel-62 într-un reactor. Cercetătorul Gavrilov susține că acest proces durează aproximativ un an. Țintele necesare sunt deja disponibile în Jeleznogorsk.

Dacă comparăm noile baterii nucleare rusești nichel-63 cu bateriile litiu-ion, acestea vor fi de 30 de ori mai mici.

Experții susțin că aceste surse de energie sunt sigure pentru oameni, deoarece emit raze beta slabe. În plus, acestea nu sunt eliberate în exterior, ci rămân în interiorul dispozitivului.

Această sursă de alimentare este ideală în prezent pentru stimulatoarele cardiace medicale. Cu toate acestea, dezvoltatorii nu au dezvăluit costul. Totuși, se poate calcula costul și fără ele. Un gram de Ni-63 costă în prezent aproximativ 4.000 de dolari. Prin urmare, o baterie complet funcțională ar necesita o investiție semnificativă.

Compoziția unei baterii nucleare

Nichelul-63 este extras din diamante. Cu toate acestea, obținerea acestui izotop a necesitat dezvoltarea unei noi tehnologii pentru tăierea acestui material durabil, diamantat.

O baterie nucleară este formată dintr-un emițător și un colector, separați printr-o peliculă specială. Pe măsură ce elementul radioactiv se dezintegrează, acesta emite radiații beta. Aceasta duce la încărcarea sa pozitivă. În același timp, colectorul se încarcă negativ. Aceasta creează o diferență de potențial, generând un curent electric.

În esență, celula noastră atomică este o plăcintă stratificată. 200 de surse de alimentare cu nichel-63 sunt intercalate între 200 de semiconductori de diamant. Sursa de alimentare are aproximativ 4 mm înălțime și cântărește 250 de miligrame. Dimensiunile sale reduse reprezintă un avantaj major pentru bateria atomică rusească.

Găsirea dimensiunilor corecte este dificilă. Un izotop gros va împiedica electronii pe care îi produce să scape. Un izotop subțire este dezavantajos, deoarece reduce numărul de dezintegrari beta pe unitatea de timp. Același lucru este valabil și pentru grosimea semiconductorului. Bateria are cele mai bune performanțe cu o grosime a izotopului de aproximativ 2 microni, în timp ce un semiconductor cu diamant necesită 10 microni.

Însă ceea ce au realizat oamenii de știință până acum nu este limita. Emisiile de gaze de eșapament ar putea fi crescute de cel puțin trei ori. Aceasta înseamnă că o baterie nucleară ar putea fi fabricată de trei ori mai ieftină.

O baterie nucleară cu carbon-14 care durează 100 de ani.

Această baterie atomică are următoarele avantaje față de alte surse de energie prin radiații:

1. Ieftinătate.
2. Prietenos cu mediul.
3. Durată lungă de viață, de până la 100 de ani.
4. Toxicitate scăzută.
5. Siguranţă.
6. Capabil să funcționeze în condiții de temperatură extremă.

Izotopul radioactiv carbon-14 are un timp de înjumătățire de 5.700 de ani. Este complet netoxic și ieftin.

Nu doar SUA și Rusia, ci și alte țări lucrează activ la modernizarea bateriilor nucleare! Cercetătorii au învățat să crească pelicule pe un substrat de carbură. Drept urmare, costul substratului a scăzut cu un factor de 100. Această structură este rezistentă la radiații, ceea ce face ca această sursă de energie să fie sigură și durabilă. Prin utilizarea carburii de siliciu în bateriile nucleare, este posibilă funcționarea la temperaturi de 350 de grade Celsius.

Astfel, oamenii de știință au reușit să creeze o baterie atomică cu propriile mâini!