Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Для получения радиоактивных изотопов см. Генератор радионуклидов .

Атомная батарея , ядерная батареи , радиоизотопные батареи или радиоизотопный генератор представляет собой устройство , которое использует энергию от распада в виде радиоактивного изотопа , чтобы генерировать электричество . Как и ядерные реакторы , они вырабатывают электроэнергию из ядерной энергии, но отличаются тем, что не используют цепную реакцию . Хотя их обычно называют аккумуляторами , они технически не являются электрохимическими и не подлежат зарядке или перезарядке. По сравнению с ними они очень дороги, но имеют чрезвычайно долгий срок службы и высокую плотность энергии., и поэтому они в основном используются в качестве источников питания для оборудования, которое должно работать без присмотра в течение длительных периодов времени, такого как космические корабли , кардиостимуляторы , подводные системы и автоматизированные научные станции в удаленных частях мира. [1] [2]

Технология ядерных батарей началась в 1913 году, когда Генри Мозли впервые продемонстрировал ток, генерируемый излучением заряженных частиц. В 1950-х и 1960-х годах в этой области было уделено серьезное внимание исследованиям в области приложений, требующих источников питания с длительным сроком службы для космических нужд. В 1954 году RCA исследовала небольшую атомную батарею для небольших радиоприемников и слуховых аппаратов. [3] Со времени первых исследований и разработок RCA в начале 1950-х годов было разработано множество типов и методов для извлечения электроэнергии из ядерных источников. Научные принципы хорошо известны, но современные наноразмерные технологии и новые широкозонные полупроводники создали новые устройства и интересные свойства материалов, ранее недоступные.

По технологии преобразования энергии ядерные батареи можно разделить на две основные группы: термопреобразователи и нетепловые преобразователи . Тепловые типы преобразуют часть тепла, выделяемого при ядерном распаде, в электричество. Наиболее ярким примером является радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), часто используемый в космических кораблях. Нетепловые преобразователи извлекают энергию непосредственно из испускаемого излучения, прежде чем оно превращается в тепло. Их легче минимизировать, и для работы не требуется температурный градиент, поэтому они подходят для использования в небольших приложениях. Наиболее ярким примером является бета-гальванический элемент .

Атомные батареи обычно имеют КПД 0,1–5%. Высокоэффективные бетавольтаические устройства могут достигать КПД 6–8%. [4]

Тепловое преобразование [ править ]

Термоэмиссионное преобразование [ править ]

Термоэмиссионный преобразователь состоит из горячего электрода, который испускает электроны термоэлектронным над пространственным зарядом барьером к охладителю электроду, производя полезную выходную мощность. Пары цезия используются для оптимизации рабочих функций электрода и обеспечения поступления ионов (посредством поверхностной ионизации ) для нейтрализации объемного заряда электронов . [5]

Термоэлектрическое преобразование [ править ]

Основная статья: Радиоизотопный термоэлектрический генератор
Планируется, что кардиостимулятор с радиоизотопным питанием, разрабатываемый Комиссией по атомной энергии, будет стимулировать пульсирующее действие неисправного сердца. Около 1967 года.

В радиоизотопном термоэлектрическом генераторе (РИТЭГ) используются термопары.. Каждая термопара состоит из двух проводов из разных металлов (или других материалов). Температурный градиент по длине каждого провода создает градиент напряжения от одного конца провода к другому; но разные материалы производят разное напряжение на градус разницы температур. Соединяя провода на одном конце, нагревая этот конец, но охлаждая другой конец, между неподключенными концами провода генерируется полезное, но небольшое (милливольты) напряжение. На практике многие из них подключаются последовательно (или параллельно), чтобы генерировать большее напряжение (или ток) от одного и того же источника тепла, поскольку тепло течет от горячих концов к холодным. Металлические термопары имеют низкую теплоэлектрическую эффективность. Тем не мение,плотность и заряд носителей можно регулировать в полупроводниковых материалах, таких как теллурид висмута и кремний-германий, для достижения гораздо более высокой эффективности преобразования.[6]

Термофотоэлектрическое преобразование [ править ]

Термофотоэлектрические (TPV) элементы работают по тем же принципам, что и фотоэлектрические элементы , за исключением того, что они преобразуют инфракрасный свет (а не видимый свет ), излучаемый горячей поверхностью, в электричество. Термоэлектрические элементы имеют КПД немного выше, чем термоэлектрические пары, и их можно накладывать на термоэлектрические пары, потенциально удваивая эффективность. Университет Хьюстон Т радиоизотопы Мощность усилий по развитию технологии преобразования направлен на объединение Термофотоэлектрических клеток одновременно с термопарами , чтобы обеспечить 3- до 4-кратного повышения эффективности системы по сравнению с современными термоэлектрическими генераторами радиоизотопов. [ необходима цитата]

Генераторы Стирлинга [ править ]

Основная статья: Радиоизотопный генератор Стирлинга

Радиоизотопный генератор Стирлинга является двигателем Стирлинга обусловлен разницей температур , создаваемой радиоактивным изотопом. Более эффективная версия, усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга , разрабатывалась НАСА , но была отменена в 2013 году из-за крупномасштабного перерасхода средств. [7]

Нетепловое преобразование [ править ]

Нетепловые преобразователи извлекают энергию из испускаемого излучения до того, как оно превращается в тепло. В отличие от термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей их мощность не зависит от разницы температур. Нетепловые генераторы можно классифицировать по типу используемых частиц и по механизму преобразования их энергии.

Электростатическое преобразование [ править ]

Энергия может быть извлечена из испускаемых заряженных частиц, когда их заряд накапливается в проводнике , создавая таким образом электростатический потенциал . Без режима диссипации напряжение может увеличиваться до энергии излучаемых частиц, которая может варьироваться от нескольких киловольт (для бета-излучения) до мегавольт (альфа-излучение). Накопленная электростатическая энергия может быть преобразована в полезную электроэнергию одним из следующих способов.

Генератор прямой зарядки [ править ]

Генератор с прямой зарядкой состоит из конденсатора, заряжаемого током заряженных частиц из радиоактивного слоя, нанесенного на один из электродов. Расстояние может быть вакуумным или диэлектрическим . Отрицательно заряженные бета-частицы или положительно заряженные альфа-частицы , позитроны или осколки делениямогут быть использованы. Хотя эта форма ядерно-электрического генератора возникла в 1913 году, в прошлом было найдено мало применений для чрезвычайно низких токов и неудобно высоких напряжений, обеспечиваемых генераторами с прямой зарядкой. Системы генератора / трансформатора используются для снижения напряжения, затем выпрямители используются для преобразования мощности переменного тока обратно в постоянный ток.

Английский физик Х. Дж. Мозли построил первый из них. Аппарат Мозли состоял из посеребренного изнутри стеклянного шара с излучателем радия, установленным на конце провода в центре. Заряженные частицы радия создавали поток электричества, быстро перемещаясь от радия к внутренней поверхности сферы. Еще в 1945 году модель Мозли руководила другими усилиями по созданию экспериментальных батарей, вырабатывающих электричество за счет выбросов радиоактивных элементов.

Электромеханическое преобразование [ править ]

Основная статья: Радиоизотопный пьезоэлектрический генератор

Электромеханические атомные батареи используют накопление заряда между двумя пластинами, чтобы тянуть одну изгибаемую пластину к другой, пока две пластины не соприкоснутся, не разрядятся, уравновешивая накопление электростатического заряда, и отскочат. Создаваемое механическое движение можно использовать для производства электричества за счет изгиба пьезоэлектрического материала или с помощью линейного генератора. Милливатты мощности вырабатываются импульсами в зависимости от скорости заряда, в некоторых случаях несколько раз в секунду (35 Гц). [8]

Радиовольтаическое преобразование [ править ]

Radiovoltaic (RV) устройство преобразует энергию ионизирующего излучения , непосредственно в электрическую энергию с использованием полупроводникового перехода , подобный конверсией фотонов в электричество в фотоэлементе . В зависимости от типа направленного излучения эти устройства называются альфа-вольтаическими (AV, αV), бетавольтаическими (BV, βV) и / или гамма-вольтаическими (GV, γV). Бетавольтаике традиционно уделяется наибольшее внимание, поскольку (низкоэнергетические) бета-излучатели вызывают наименьшее количество радиационных повреждений, что обеспечивает более длительный срок службы и меньшую защиту. Интерес к альфа-гальваническим и (в последнее время) гаммавольтаическим устройствам обусловлен их потенциально более высокой эффективностью.

Алфавитное преобразование [ править ]

В устройствах Alphavoltaic используется полупроводниковый переход для производства электроэнергии из энергичных альфа-частиц . [9] [10]

Бетавольтаическое преобразование [ править ]

Основная статья: Бетавольтаическое устройство

Бетавольтаические устройства используют полупроводниковый переход для производства электроэнергии из энергичных бета-частиц ( электронов ). Обычно используемым источником является изотоп водорода тритий .

Бетавольтаические устройства особенно хорошо подходят для маломощных электрических приложений, где требуется длительный срок службы источника энергии, таких как имплантируемые медицинские устройства или военные и космические приложения.

Гаммавольтаическая конверсия [ править ]

Гаммавольтаические устройства используют полупроводниковый переход для производства электроэнергии из энергичных гамма-частиц ( фотонов высокой энергии ). Они были рассмотрены совсем недавно (в 2010-х годах). [11] [12] [13] [14]

Сообщалось о гаммавольтаическом эффекте в перовскитных солнечных элементах . [11] Другая запатентованная конструкция включает в себя рассеяние гамма-частицы до тех пор, пока ее энергия не уменьшится до уровня, достаточного для поглощения в обычном фотоэлектрическом элементе. [12] Гаммавольтаические конструкции с использованием алмазных диодов и диодов Шоттки также исследуются. [13] [14]

Радиофотоэлектрическое (оптоэлектрическое) преобразование [ править ]

Основная статья: Оптоэлектрическая ядерная батарея

В радиофотоэлектрическом устройстве (RPV) преобразование энергии является косвенным: испускаемые частицы сначала преобразуются в свет с помощью радиолюминесцентного материала ( сцинтиллятор или люминофор ), а затем свет преобразуется в электричество с помощью фотоэлектрического элемента . В зависимости от типа нацеленной частицы тип преобразования может быть более точно определен как альфа-фотоэлектрический (APV или α-PV), [15] бетафотоэлектрический (BPV или β-PV) [16] или гаммафотоэлектрический ( GPV или γ-PV). [17]

Радиофотоэлектрическое преобразование можно комбинировать с радиовольтаическим преобразованием для повышения эффективности преобразования. [18]

Кардиостимуляторы [ править ]

Medtronic и Alcatel разработали кардиостимулятор Numec NU-5 с питанием от плутония, работающий от порции плутония-238 2,5 Ки, впервые имплантированный пациенту в 1970 году. Ожидается, что ядерные кардиостимуляторы Numec NU-5 139, имплантированные в 1970-х годах, будут никогда не нуждаются в замене, что является преимуществом перед неядерными кардиостимуляторами, которые требуют хирургической замены батарей каждые 5-10 лет. Ожидается, что плутониевые «батареи» будут производить достаточно энергии, чтобы управлять цепью в течение периода, превышающего 88-летний период полураспада плутония. [19] [20] [21] [22]

Используемые радиоизотопы [ править ]

В атомных батареях используются радиоизотопы, которые производят бета-частицы низкой энергии или иногда альфа-частицы различной энергии. Бета-частицы с низкой энергией необходимы для предотвращения образования проникающего тормозного излучения с высокой энергией , которое потребует сильного экранирования. Радиоизотопы, такие как тритий , никель- 63, прометий- 147 и технеций- 99, были протестированы. Были использованы плутоний- 238, кюрий- 242, кюрий- 244 и стронций- 90. [23]

Микро-батареи [ править ]

Инженеры- ядерщики из Университета Висконсина в Мэдисоне исследовали возможности производства крохотных батарей, в которых для производства электроэнергии используются радиоактивные ядра таких веществ, как полоний или кюрий. В качестве примера интегрированного приложения с автономным питанием исследователи создали колеблющуюся консольную балку, которая способна совершать последовательные периодические колебания в течение очень длительных периодов времени без необходимости дозаправки. Текущие работы демонстрируют, что этот кантилевер способен передавать радиочастоты, позволяя устройствам MEMS связываться друг с другом по беспроводной сети.

Эти микробатареи очень легкие и вырабатывают достаточно энергии для работы в качестве источника питания для использования в устройствах MEMS, а также в качестве источника питания для наноустройств. [24]

Выделяемая энергия излучения преобразуется в электрическую энергию, которая ограничена областью устройства, в которой находится процессор и микробатарея, которая снабжает его энергией. [25] : 180–181

См. Также [ править ]

  • Список типов батарей
  • Ячейка кнопки
  • Индуцированное гамма-излучение долгоживущих возбужденных ядер определенных ядерных изомеров.
  • Блок радиоизотопного нагревателя
  • Радиоизотопная ракета и ядерная электрическая ракета

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Ядерная батарея размером и толщиной с пенни» . Гизмаг , 9 октября 2009 г.
  2. ^ "Обнародованы крошечные" ядерные батареи " . BBC News , четверг, 8 октября 2009 г.
  3. ^ «Атомная батарея преобразует радиоактивность непосредственно в электричество» . Popular Mechanics , апрель 1954 г., стр. 87.
  4. ^ "Термоэлектрические генераторы" . electronicbus.com . Архивировано из оригинального 10 января 2016 года . Проверено 23 февраля 2015 года .
  5. ^ Фитцпатрик, GO "Термоэлектронный преобразователь". ОСТИ 6377296 .  Cite journal requires |journal= (help)
  6. ^ Маккой, JC "Обзор программы системы транспортировки радиоизотопных термоэлектрических генераторов". ОСТИ 168371 .  Cite journal requires |journal= (help)
  7. ^ Отмена ASRG в контексте будущих планетарных исследований
  8. ^ Лал, Амит; Раджеш Дуггирала; Хуэй Ли (2005). «Повсеместная власть: пьезоэлектрический генератор на основе радиоизотопов» (PDF) . IEEE Pervasive Computing . 4 : 53–61. DOI : 10.1109 / MPRV.2005.21 . S2CID 18891519 . Архивировано из оригинального (PDF) 21 июня 2007 года.  
  9. ^ NASA Glenn Research Center, альфа- и бета-voltaics архивации 18 октября 2011 в Wayback Machine (доступ4 октября 2011)
  10. ↑ Шейла Г. Бейли, Дэвид М. Уилт, Райн П. Рафаэль и Стефани Л. Кастро, Исследованные конструкции альфа-вольтаических источников энергии. Архивировано 16 июля 2010 г. в Wayback Machine , Research and Technology 2005, NASA TM-2006-214016, (по состоянию на 4 октября 2011 г.)
  11. ^ a b Сегава, Кожокару, Учида (7 ноября 2016 г.). «Гаммавольтаические свойства перовскитового солнечного элемента - на пути к новой ядерной энергетике» . Материалы международной конференции «Азиатско-Тихоокеанский гибрид и органическая фотоэлектрическая энергия» . Дата обращения 1 сентября 2020 .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  12. ^ a b 20180350482 , Райан, Майкл Дойл, «Гамма-гальваническая ячейка», опубликовано 6 декабря 2018 г. 
  13. ^ a b Маккензи, Гордон (октябрь 2017 г.). «Алмазный гаммавольтаический элемент» . Британские исследования и инновации .
  14. ^ a b Маккензи, Робби (19 июня 2020 г.). «Алмазные гамма-гальванические элементы для безискренной гамма-дозиметрии» . Юго-Западный ядерный узел . Дата обращения 1 сентября 2020 .
  15. ^ Пурбандари, Десси; Фердиансья, Фердиансья; Суджитно, Тджипто (2019). «Оптимизация альфа-энергии, депонированной в тонкой пленке радиолюминесценции для альфа-фотоэлектрических приложений» . не определено . S2CID 141390756 . Проверено 31 августа 2020 года . 
  16. ^ Берман, Вероника; Литц, Марк Стюарт; Руссо, Джонни (2018). «Исследование деградации электроэнергии в бета-фотоэлектрических (βPV) и бета-вольтаических (βV) источниках энергии с использованием 63Ni и 147Pm» . S2CID 139545450 .  Cite journal requires |journal= (help)
  17. ^ Liakos, Джон К. (1 декабря 2011). "Фотоэлектрические элементы, управляемые гамма-излучением, через сцинтилляционный интерфейс" . Журнал ядерной науки и технологий . 48 (12): 1428–1436. DOI : 10.1080 / 18811248.2011.9711836 . ISSN 0022-3131 . S2CID 98136174 .  
  18. ^ Го, Сяо; Лю, Юньпэн; Сюй Чжихэн; Цзинь, Чжананг; Лю, Кай; Юань, Цзычэн; Гонг, Пин; Тан, Сяобинь (1 июня 2018 г.). «Многоуровневые радиоизотопные батареи на основе γ-источника 60Co и двойных радиогальванических / радиофотовольтаических эффектов» . Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 275 : 119–128. DOI : 10.1016 / j.sna.2018.04.010 . ISSN 0924-4247 . 
  19. ^ «Мемуары MedTech: кардиостимулятор на основе плутония» .
  20. ^ "Ядерный кардиостимулятор все еще находится под напряжением спустя 34 года" .
  21. ^ RL Shoup. "Кардиостимуляторы на ядерной энергии" .
  22. ^ Кристалл Phend. «Дополнительное время автономной работы - не всегда плюс для кардиостимулятора с ядерной энергией» .
  23. ^ Бинду, KC; Хармон, Фрэнк; Старовойтова Валерия; Стоунер, Джон; Уэллс, Дуглас (2013). «Оптимизация фотоядерного производства радиоизотопов в промышленных масштабах». Материалы конференции AIP . 1525 (1): 407–411. DOI : 10.1063 / 1.4802359 .
  24. ^ Вальднер, Жан-Батист (2007). Inventer l'Ordinateur du XXIème Siècle . Лондон: Наука Гермеса . п. 172. ISBN. 978-2-7462-1516-0.
  25. ^ Вальднер, Жан-Батист (2008). Нанокомпьютеры и Swarm Intelligence . Лондон: ISTE John Wiley & Sons . ISBN  978-1-84704-002-2. ... радиоактивные ядра выпускают электроны, которые стреляют в отрицательный полюс батареи

Внешние ссылки [ править ]

  • Бетавольтайческий исторический обзор
  • Консольная электромеханическая атомная батарея
  • Типы радиоизотопных батарей
  • Предложена концепция америциевых батарей для космического применения - статья TFOT
  • Обнародованы крошечные «ядерные батарейки» , статья BBC об исследовании Джэ Ван Квона и др. из Университета Миссури .