Бетавольтаическое устройство

Betavoltaic устройство ( betavoltaic клеток или betavoltaic батареи ) является типом ядерной батареи , который генерирует электрический ток от бета - частиц ( электронов ) , испускаемого из радиоактивного источника, используя полупроводник . Обычно используется изотоп водорода тритий . В отличие от большинства ядерных источников энергии в которых используется ядерное излучение для генерации тепла, которое затем используется для выработки электричества, бета-гальванические устройства используют нетепловой процесс преобразования, преобразовывая электронно-дырочные пары, образованные ионизационным следом бета-частиц, проходящих через полупроводник. ^[1]

Бетавольтаические источники энергии (и связанная с ними технология алфавитных источников питания ^[2] ) особенно хорошо подходят для маломощных электрических приложений, где требуется длительный срок службы источника энергии, таких как имплантируемые медицинские устройства или военные и космические приложения. ^[1]

История [ править ]

Бетавольтаика была изобретена в 1970-х годах. ^[3] Некоторые кардиостимуляторы в 1970 - е годы , используемых betavoltaics на основе прометия , ^[4] , но было прекращено, как более дешевые литиевые батареи были разработаны. ^[1]

Ранние полупроводниковые материалы не могли эффективно преобразовывать электроны из бета-распада в полезный ток, поэтому использовались более высокоэнергетические, более дорогие и потенциально опасные изотопы . Более эффективные полупроводниковые материалы, используемые сегодня ^[5], можно сочетать с относительно безвредными изотопами, такими как тритий, которые производят меньше излучения. ^[1]

Betacel считался первым успешно коммерчески betavoltaic батареи.

Предложения [ править ]

Основное применение бетавольтаики - это удаленное и долгосрочное использование, такое как космический корабль, требующий электроэнергии в течение десятилетия или двух. Недавний прогресс побудил некоторых предложить использовать бетавольтаику для подзарядки обычных батарей в потребительских устройствах, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры . ^[6] Еще в 1973 году бетавольтаики были предложены для использования в медицинских устройствах длительного пользования, таких как кардиостимуляторы . ^[4]

В 2016 году было предложено использовать углерод-14 в кристаллической структуре алмаза в качестве более долгоживущего бетавольтаического устройства ( алмазной батареи ). Углерод-14 может быть получен из графитовых блоков выведенных из эксплуатации реакторов с графитовым замедлителем . ^[7]^[8]^[9] В остальном блоки обрабатываются как ядерные отходы с периодом полураспада 5700 лет. Путем экстракции углерода-14 из графитовых блоков и превращения его в алмазе кристаллической структуру, радиоактивный изотоп углерода может быть использован в качестве источника энергии, позволяя остальной нерадиоактивный графит , чтобы быть повторно использовано для других приложений , таких каккарандаши или щетки электродвигателя . Хотя удельная активность углерода-14 мала и, следовательно, удельная мощность ядерно-алмазной батареи мала, их можно использовать для сетей датчиков малой мощности и мониторинга состояния конструкций . ^[10]

В 2018 году была представлена российская конструкция, основанная на пластинах никель-63 толщиной 2 мкм, зажатых между слоями алмаза 10 мкм. Он давал выходную мощность около 1 мкВт при плотности мощности 10 мкВт / см ³ . Его удельная энергия составляла 3,3 кВтч / кг. Период полураспада никеля-63 составляет 100 лет. ^[11]^[12]^[13]

Недостатки [ править ]

По мере того, как радиоактивный материал испускается, его активность медленно снижается (относится к периоду полураспада ). Таким образом, со временем бета-гальваническое устройство будет обеспечивать меньшую мощность. Для практических устройств это уменьшение происходит в течение многих лет. Для тритиевых устройств период полураспада составляет 12,32 года. При проектировании устройства необходимо учитывать, какие характеристики батареи требуются в конце срока службы, и гарантировать, что характеристики в начале срока службы учитывают желаемый срок службы.

Ответственность, связанная с экологическим законодательством и воздействием трития на человека и его бета-распадом, также должна приниматься во внимание при оценке рисков и разработке продукции. Естественно, это увеличивает как время выхода на рынок, так и и без того высокую стоимость, связанную с тритием. В отчете 2007 года Консультативной группы Агентства по охране здоровья Великобритании по ионизирующей радиации говорится, что риски для здоровья от воздействия трития в два раза выше, чем ранее установленные Международной комиссией по радиологической защите, расположенной в Швеции. ^[14]

Доступность [ править ]

Бетавольтайческие ядерные батареи можно купить на коммерческой основе. Доступные устройства включают устройство с тритиевым питанием мощностью 100 мкВт и весом 20 граммов. ^[15]^[16]

Безопасность [ править ]

Хотя в бетавольтаике в качестве источника энергии используется радиоактивный материал, используемые бета-частицы имеют низкую энергию и их легко остановить с помощью экранирования в несколько миллиметров. При правильной конструкции устройства (то есть с надлежащей защитой и защитой) бетавольтаическое устройство не будет излучать опасное излучение. Утечка закрытого материала может вызвать риск для здоровья, так же как утечка материалов в других типах батарей (таких как литиевые , кадмиевые и свинцовые ) приводит к серьезным проблемам со здоровьем и окружающей средой. ^[17]

См. Также [ править ]

Атомная батарея
Алмазный аккумулятор
Оптоэлектрическая ядерная батарея
Технология тонких пленок из поливинилиденфторида (ПВДФ)
Радиоизотопный термоэлектрический генератор
Радиоизотопный пьезоэлектрический генератор
Список типов батарей

Ссылки [ править ]

^ a b c d Батарея на 25 лет: долгоживущие ядерные батареи, работающие на изотопах водорода, проходят испытания для использования в военных целях , Кэтрин Бурзак, Technology Review , Массачусетский технологический институт, 17 ноября 2009 г.
^ NASA Glenn Research Center, альфа- и бета-voltaics Заархивированные 2011-10-18 на Wayback Machine (доступ4 октября 2011 г.)
^ «Обзор и предварительный просмотр технологии ядерных батарей» . large.stanford.edu . Проверено 30 сентября 2018 .
^ a b Olsen, LC (декабрь 1973 г.). «Бетавольтайческое преобразование энергии». Преобразование энергии . Elsevier Ltd. 13 (4): 117–124, IN1, 125–127. DOI : 10.1016 / 0013-7480 (73) 90010-7 .
^ Максименко, Сергей И .; Мур, Джим Э .; Affouda, Chaffra A .; Дженкинс, Филип П. (декабрь 2019 г.). «Оптимальные полупроводники для бетавольтаики 3H и 63Ni» . Научные отчеты . 9 (1): 10892. Bibcode : 2019NatSR ... 910892M . DOI : 10.1038 / s41598-019-47371-6 . ISSN 2045-2322 . PMC 6659775 . PMID 31350532 .
^ "betavoltaic.co.uk" . Проверено 21 февраля +2016 .
^ « „ Разработан алмазный возраст“производство электроэнергии в ядерных батареях» . Институт окружающей среды Кэбота, Бристольский университет .
↑ Бристольский университет (27 ноября 2016 г.). « „ Алмаз-возраст“производства электроэнергии , как ядерные батареи разработаны» . Phys.org . Проверено 1 сентября 2020 .
^ Duckett, Адам (29 ноября 2016). «Алмазная батарея из ядерных отходов» . Инженер-химик . Архивировано 2 декабря 2016 года . Проверено 2 декабря 2016 .
^ Overhaus, Daniel (31 августа 2020). «Являются ли радиоактивные алмазные батареи лекарством от ядерных отходов?» . Проверено 31 августа 2020 г. - через Wired.com.
^ Бормашов, В.С.; Трощиев, С.Ю .; Тарелкин С.А.; Волков А.П .; Тетерук, Д.В.; Голованов А.В.; Кузнецов, М.С. Корнилов, Н.В.; Терентьев С.А.; Бланк, ВД (01.04.2018). «Прототип ядерной батареи высокой плотности на основе алмазных диодов Шоттки» . Алмазы и сопутствующие материалы . 84 : 41–47. DOI : 10.1016 / j.diamond.2018.03.006 . ISSN 0925-9635 .
^ "Прототип ядерных аккумуляторных батарей в 10 раз большей мощности" . Московский физико-технический институт . Проверено 1 сентября 2020 .
↑ Ирвинг, Майкл (3 июня 2018 г.). «Российские ученые вложили больше энергии в прототип ядерной батареи» . newatlas.com . Проверено 14 июня 2018 .
↑ Эдвардс, Роб (29 ноября 2007 г.). «Рейтинг опасности трития« следует увеличить вдвое » » . NewScientist .
^ «Технические характеристики серии NanoTritium TM Betavoltaic P200» . 2018 . Проверено 1 сентября 2020 .
^ «Коммерчески доступные батареи NanoTritium могут питать микроэлектронику более 20 лет» . Новый Атлас . 2012-08-16 . Проверено 1 сентября 2020 .
^ Махер, Джордж (октябрь 1991). «Основы работы с батареями» . Комиссии округов, Государственный университет Северной Дакоты и Министерство сельского хозяйства США . Государственный университет Северной Дакоты . Проверено 29 августа 2011 года .

Внешние ссылки [ править ]

Ресурсы в вашей библиотеке
Ресурсы в других библиотеках

Пресс-релиз Рочестерского университета
Городские лаборатории
Widetronix
Армандо Антониацци. «Рассвет ядерных батарей» . Blog.kinectrics.com. Архивировано из оригинала на 2012-03-21 . Проверено 22 августа 2012 .
«Коммерчески доступные батареи NanoTritium могут питать микроэлектронику более 20 лет» . Gizmag.com. 2012-08-16 . Проверено 22 августа 2012 .

[tr20091109-1] Батарея на 25 лет: долгоживущие ядерные батареи, работающие на изотопах водорода, проходят испытания для использования в военных целях , Кэтрин Бурзак, Technology Review , Массачусетский технологический институт, 17 ноября 2009 г.

[2] NASA Glenn Research Center, альфа- и бета-voltaics Заархивированные 2011-10-18 на Wayback Machine (доступ4 октября 2011 г.)

[3] «Обзор и предварительный просмотр технологии ядерных батарей» . large.stanford.edu . Проверено 30 сентября 2018 .

[olsen1973-4] Olsen, LC (декабрь 1973 г.). «Бетавольтайческое преобразование энергии». Преобразование энергии . Elsevier Ltd. 13 (4): 117–124, IN1, 125–127. DOI : 10.1016 / 0013-7480 (73) 90010-7 .

[5] Максименко, Сергей И .; Мур, Джим Э .; Affouda, Chaffra A .; Дженкинс, Филип П. (декабрь 2019 г.). «Оптимальные полупроводники для бетавольтаики 3H и 63Ni» . Научные отчеты . 9 (1): 10892. Bibcode : 2019NatSR ... 910892M . DOI : 10.1038 / s41598-019-47371-6 . ISSN 2045-2322 . PMC 6659775 . PMID 31350532 .

[6] "betavoltaic.co.uk" . Проверено 21 февраля +2016 .

[7] « „ Разработан алмазный возраст“производство электроэнергии в ядерных батареях» . Институт окружающей среды Кэбота, Бристольский университет .

[8] Бристольский университет (27 ноября 2016 г.). « „ Алмаз-возраст“производства электроэнергии , как ядерные батареи разработаны» . Phys.org . Проверено 1 сентября 2020 .

[9] Duckett, Адам (29 ноября 2016). «Алмазная батарея из ядерных отходов» . Инженер-химик . Архивировано 2 декабря 2016 года . Проверено 2 декабря 2016 .

[10] Overhaus, Daniel (31 августа 2020). «Являются ли радиоактивные алмазные батареи лекарством от ядерных отходов?» . Проверено 31 августа 2020 г. - через Wired.com.

[11] Бормашов, В.С.; Трощиев, С.Ю .; Тарелкин С.А.; Волков А.П .; Тетерук, Д.В.; Голованов А.В.; Кузнецов, М.С. Корнилов, Н.В.; Терентьев С.А.; Бланк, ВД (01.04.2018). «Прототип ядерной батареи высокой плотности на основе алмазных диодов Шоттки» . Алмазы и сопутствующие материалы . 84 : 41–47. DOI : 10.1016 / j.diamond.2018.03.006 . ISSN 0925-9635 .

[12] "Прототип ядерных аккумуляторных батарей в 10 раз большей мощности" . Московский физико-технический институт . Проверено 1 сентября 2020 .

[13] Ирвинг, Майкл (3 июня 2018 г.). «Российские ученые вложили больше энергии в прототип ядерной батареи» . newatlas.com . Проверено 14 июня 2018 .

[14] Эдвардс, Роб (29 ноября 2007 г.). «Рейтинг опасности трития« следует увеличить вдвое » » . NewScientist .

[15] «Технические характеристики серии NanoTritium TM Betavoltaic P200» . 2018 . Проверено 1 сентября 2020 .

[16] «Коммерчески доступные батареи NanoTritium могут питать микроэлектронику более 20 лет» . Новый Атлас . 2012-08-16 . Проверено 1 сентября 2020 .

[17] Махер, Джордж (октябрь 1991). «Основы работы с батареями» . Комиссии округов, Государственный университет Северной Дакоты и Министерство сельского хозяйства США . Государственный университет Северной Дакоты . Проверено 29 августа 2011 года .

[1]