Baterija iz Rosatoma. Nuklearna energija u malom. Specifikacije izvora

Nickel-63 je vrlo prikladna osnova za minijaturne, ali u isto vrijeme sigurne beta-naponske izvore napajanja bez održavanja s radnim vijekom od najmanje 50 godina i velikom gustoćom snage. Mogu se koristiti u raznim područjima, uključujući astronautiku i medicinu, kao i u raznim ekstremnim uvjetima i teško dostupnim područjima.

NA OVU TEMU

Prema riječima sudionika projekta, zamjenika voditelja laboratorija Luch, Aleksandra Pavkina, prototip kompaktnog izvora energije na bazi nikla-63 rezultat je dovršenog istraživačkog rada provedenog na inicijativnoj osnovi. “U ovom slučaju dobili smo snagu izvora veličine jednog mikrovata – već je to dovoljno da osiguramo, primjerice, rad srčanog stimulatora”, naglasio je.

Vrijedno je napomenuti da nikal-63 ne postoji u prirodi. Proizvodi se umjetno zračenjem prirodnog izotopa nikla-62 neutronima u nuklearnom reaktoru. Potom se dobiveni materijal podvrgava radiokemijskoj obradi i odvajanju u plinskim centrifugama.

Rad predstavljenog izvora temelji se na niklu s razinom obogaćenja od 20% za nikal-63, rekao je Alexander Pavkin. Međutim, ako koristite više obogaćeni nikl, dodao je, možete povećati snagu i u isto vrijeme smanjiti veličinu uređaja. "Nikal-63 je takozvani "meki" beta emiter. U ovom slučaju nema neutronskog ili gama zračenja. A elektrone beta zračenja pretvarač potpuno apsorbira, pa, recimo, ako se izvor koristi za raditi pacemaker, neće doći ni do površine kože”, rekla je zamjenica voditelja laboratorija Luch.

Podsjetimo, Rosatom je ranije započeo realizaciju velikog projekta na jugu Rusije. Riječ je o izgradnji vjetroelektrana u Adigeji i Krasnodarska oblast. Ukupni iznos financiranja za sljedećih 10 godina premašuje 63 milijarde rubalja.

Dogovor o izgradnji prve vjetroelektrane u Adigeji snage 150 megavata postignut je prošle godine na Međunarodnom investicijskom forumu u Sočiju. Realizacijom projekta smanjit će se deficit u energetskom sustavu Republike za oko trećinu.

Vjetroelektrana ili vjetroelektrana je više vjetrogeneratora skupljenih na jednom ili više mjesta i povezanih u jedinstvenu mrežu. Velike vjetroelektrane mogu se sastojati od 100 ili više vjetrogeneratora, koji omogućuju isplativo korištenje energije i najslabijih vjetrova - od 4 metra u sekundi.

U poduzeću državne korporacije "Rosatom" "Rudarsko-kemijski kombinat" (GCC, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk Territory) dovršena je transformacija (pretvorba) plina obogaćenog ciljnim izotopom nikla-63 (Ni-63) u oblik pogodan za primjenu na poluvodičkom pretvaraču za dobivanje prototipa izvora energije. Predstavnik press službe poduzeća izvijestio je to za RIA Novosti.

Trenutačno se očekuje isporuka odgovarajućih komponenti za primjenu Ni-63 i završna montaža prototipa “nuklearne baterije”.

Princip rada beta-naponskih izvora električne energije temelji se na pretvaranju energije radioaktivnog beta raspada u električnu energiju pomoću poluvodičkog pretvarača. Svojstva nikla-63 čine ga vrlo prikladnom osnovom za minijaturne, sigurne beta-naponske izvore energije bez održavanja s dugim (najmanje 50 godina) radnim vijekom i velikom gustoćom snage, do 100 mikrovata po kubnom centimetru. Takvi izvori energije mogu se koristiti u teško dostupnim područjima iu ekstremnim uvjetima. Sa stajališta sigurnosti potrošača, prednost nikla-63 je u tome što je takozvani "meki" beta emiter, tako da je zračenje potpuno zaštićeno kućištem baterije.

Baterije na bazi nikla-63. Fotografija: YouTube

Nikal-63 ne postoji u prirodi, pa se dobiva zračenjem prirodnog izotopa nikal-62 neutronima u nuklearnom reaktoru uz daljnju radiokemijsku obradu i separaciju u plinskim centrifugama.

Rudarsko-kemijski kombinat je sistem integrator projekta. MCC je organizirao rad u dva smjera: dobivanje visoko obogaćenog izotopa Ni-63 i stvaranje posebne strukture za poluvodički pretvarač. Projekt uključuje poduzeća Rosatoma s jedinstvenim kompetencijama. Konkretno, Elektrokemijska tvornica (Zelenogorsk, Krasnoyarsk Territory, dio kompanije Rosatom za gorivo TVEL) odgovorna je za obogaćivanje nikla pomoću izotopa Ni-63. Završna faza, montaža prototipa izvora energije, odvijat će se u Rudarsko-kemijskom kombinatu.

Kao što je napomenuo predstavnik press službe MCC-a, dizajn poluvodičkog pretvarača temelji se na novi dizajn, što kvalitativno povećava učinkovitost svih komponenti. Prema mišljenju stručnjaka, napajanja temeljena na visoko obogaćenom Ni-63 i s novim dizajnom pretvarača stvaraju revolucionarnu platformu za dizajn uređaja nove generacije u području kibernetike i umjetna inteligencija. Riječ je o novom tipu uređaja koji će postati temelj za novu arhitekturu elektroničkih uređaja.

U ovom trenutku znanost napreduje i razvija se. Danas je nuklearna baterija već izumljena. Takav izvor energije može trajati do 50, a ponekad i do 100 godina. Sve ovisi o veličini i radioaktivnoj tvari koja se koristi.

Prvu objavu o proizvodnji nuklearne baterije dao je Rosatom. 2017. godine ova je tvrtka na izložbi predstavila prototip.

Istraživači su uspjeli optimizirati slojeve nuklearne baterije koja koristi beta raspad izotopa nikla 63 za proizvodnju električne energije.

1 gram ove tvari sadrži 3300 milivat sati.

Princip rada atomske baterije

Proizvodnja energije temelji se na kemijskoj reakciji pomoću različiti tipovi izotopi. Tijekom beta raspada stvara se električni potencijal. A ovo daje struju.

Jesu li nuklearne baterije opasne?

Programeri tvrde da su takve baterije potpuno sigurne za obične građane. I sve zato što je dizajn kućišta napravljen čvrsto.

Poznato je da beta zračenje šteti organizmu. Ali u stvorenoj nuklearnoj bateriji on je mekan i bit će apsorbiran unutar energetske ćelije.

U ovom trenutku stručnjaci identificiraju nekoliko industrija u kojima se planira koristiti ruska nuklearna baterija A123:

  1. Lijek.
  2. Svemirska industrija.
  3. Industrija.
  4. Prijevoz.

Također, osim u ovim područjima, novi trajni izvori energije mogu se koristiti iu drugim.

Prednosti nuklearne baterije

Postoji niz pozitivnih kvaliteta:

  • Izdržljivost. Mogu trajati i do 100.000 godina.
  • Sposobnost izdržavanja kritičnih temperatura.
  • Njihova mala veličina omogućuje im da budu prenosivi i da se koriste u kompaktnoj opremi.

Nedostaci jake baterije

  • Složenost proizvodnje.
  • Postoji rizik od izlaganja zračenju. Pogotovo ako je kućište oštećeno.
  • Skup. Jedna nuklearna baterija može koštati od 500.000 do 4.500.000 rubalja.
  • Dostupno uskom krugu ljudi.
  • Mali asortiman.

Istraživanje i razvoj nuklearnih baterija provode ne samo velike tvrtke, već i obični studenti. Tako je u Tomsku student razvio vlastitu bateriju, napajanu nuklearnom energijom, koja može raditi bez ponovnog punjenja oko 12 godina. Rad izuma temelji se na raspadu tricija. Takva baterija ne mijenja svoje karakteristike tijekom vremena.

Nuklearna baterija za pametni telefon

Za 2019. puštaju se nuklearni izvori energije za telefone. Izgledaju kao što je prikazano na slici ispod.

Oni nalikuju svojevrsnom mikro krugu koji se umeće u posebne konektore na mobilnom telefonu. Ova baterija može trajati 20 godina. Štoviše, cijelo to vrijeme ne treba ga puniti. To je moguće zahvaljujući procesu nuklearne fisije. Istina, takav izvor energije može uplašiti mnoge. Uostalom, svi znaju da je zračenje štetno i da uništava tijelo. I malo ljudi će voljeti nositi takav telefon pored sebe tijekom dana.

No, prema znanstvenicima, takva je nuklearna baterija potpuno sigurna. Budući da je tricij uključen kao aktivna tvar. Njegovo zračenje koje se javlja tijekom raspadanja je bezopasno. Djelovanje tricija možete vidjeti na kvarcnom satu koji svijetli u mraku. Baterija može izdržati mraz od minus 50 stupnjeva. Također radi stabilno na plus 150 C 0 . Istovremeno, nisu zabilježene nikakve fluktuacije u njezinom radu.

Dobro je imati takvu bateriju pri ruci, barem da napunite telefon običnom baterijom.

Napon takve baterije kreće se od 0,8 - 2,4 volta. Također stvara od 50 do 300 nanoampera. I sve se to događa tijekom 20 godina.

Kapacitet se izračunava na sljedeći način: C = 0,000001W * 50 godina * 365 dana * 24 sata / 2V = 219 mA

Trenutno je vrijednost baterije 1122 dolara. Ako preračunamo u rublje po trenutnom tečaju (65,42), to će biti 73.400 rubalja.

Gdje se koriste nuklearne baterije?

Opseg primjene je gotovo isti kao kod konvencionalnih baterija. Koriste se u:

  • Mikroelektronika.
  • Senzori tlaka i temperature.
  • Implantati.
  • Kao power bank za litijeve ćelije.
  • Identifikacijski sustavi.
  • Sati.
  • SRAM memorija.
  • Za napajanje procesora male snage, na primjer, FPGA, ASIC.

Ovo nisu jedini uređaji, u budućnosti će se njihov popis znatno proširiti.

Nikel 63 nuklearna baterija i njene karakteristike

Ovaj nuklearni izvor energije, napravljen na izotopu 63, može trajati do 50 godina. Djeluje zahvaljujući beta voltnom efektu. To je gotovo poput fotoelektričnog efekta. U njemu se pod djelovanjem brzih elektrona ili beta čestica stvaraju parovi elektron-šupljina u kristalnoj rešetki poluvodiča. A s fotoelektričnim efektom pojavljuju se pod utjecajem fotona.

Atomska baterija nikal-63 proizvodi se ozračivanjem meta nikal-62 u reaktoru.Istraživač Gavrilov tvrdi da to traje oko godinu dana. Potrebne mete već su dostupne u Zheleznogorsku.

Usporedimo li nove ruske nuklearne baterije na nikal 63 s litij-ionskim baterijama, one će biti 30 puta manje.

Stručnjaci kažu da su ti izvori energije sigurni za ljude jer emitiraju slabe beta zrake. Osim toga, oni ne izlaze, već ostaju unutar uređaja.

Takav izvor napajanja trenutno je idealan za medicinske srčane stimulatore. Ali programeri ne govore o cijeni. Ali možete to izračunati i bez njih. 1 gram Ni-63 trenutno košta oko 4000 dolara. Odavde možemo zaključiti da će puna baterija zahtijevati puno novca.

Nikal 63 se vadi iz dijamanata. Ali za dobivanje ovog izotopa bilo je potrebno stvoriti novu tehnologiju za rezanje izdržljivog dijamantnog materijala.

Općenito, nuklearna baterija sastoji se od emitera i kolektora odvojenih posebnim filmom. Kada se radioaktivni element raspadne, oslobađa beta zračenje. Kao rezultat toga, postaje pozitivno nabijen. U ovom trenutku, kolektor je nabijen negativno. Nakon toga se pojavljuje potencijalna razlika i a struja.

U biti, naša atomska baterija je kolač u slojevima. Između 200 dijamantnih poluvodiča nalazi se 200 izvora energije od nikla 63. Visina izvora energije je oko 4 mm. Njegova težina je 250 miligrama. Mala veličina veliki je plus za rusku nuklearnu bateriju.

Teško je pronaći tražene dimenzije. Velika debljina izotopa neće dopustiti da elektroni koji se pojavljuju u njemu pobjegnu. Mala debljina nije korisna, jer se smanjuje broj beta raspada po jedinici vremena. Ista stvar vrijedi i za debljinu poluvodiča. Baterija najbolje funkcionira kada je debljina izotopa oko 2 mikrona. A dijamantni poluvodič je 10 mikrona.

Ali ono što su znanstvenici dosad postigli nije granica. Emisije se mogu povećati najmanje tri puta više. To znači da se nuklearna baterija može napraviti 3 puta jeftinije.

Nuklearna baterija Carbon 14 traje 100 godina

Ova atomska baterija u usporedbi s drugima izvori zračenja energija ima sljedeće prednosti:

  1. Jeftinoća.
  2. Ekološka čistoća.
  3. Dugi vijek trajanja do 100 godina.
  4. Niska toksičnost.
  5. Sigurnost.
  6. Sposoban za rad u ekstremnim temperaturnim uvjetima.

Radioaktivni izotop ugljik 14 ima vrijeme poluraspada od 5700 godina. Apsolutno je netoksičan i ima niske cijene.

Ne samo SAD i Rusija, već i druge zemlje aktivno rade na modernizaciji nuklearne baterije! Istraživači su naučili uzgojiti film na karbidnoj podlozi. Time je cijena supstrata pala za čak 100 puta. Ova struktura je otporna na zračenje, što ovaj izvor energije čini sigurnim i dugotrajnim. Korištenjem silicijevog karbida u nuklearnim baterijama moguće je postići njegov rad na temperaturi od 350 stupnjeva Celzijusa.

Tako su znanstvenici uspjeli vlastitim rukama stvoriti atomsku bateriju!

Konačno, Rosatom se pojavio u našem području baterija, pokazujući se na forumu Atomexpo-2017 nuklearna baterija s vijekom trajanja od najmanje 50 godina. Iskoristivši ovu značajnu prigodu, razmotrit ćemo izglede za korištenje mirnog atoma za mobilne uređaje.

Atomska (nuklearna) baterija- ovo je ipak baterija, a ne akumulator, jer je po definiciji jednokratni izvor električne struje, bez mogućnosti punjenja. Unatoč tome, mašta javnosti aktivno je uzbuđena mogućnošću korištenja nuklearnih baterija u mobilnim uređajima. Ali prvo o svemu.

Što je točno Rosatom predstavio na forumu? direktor tvrtke FSUE NII NPO Luch, Pavel Zaitsev, izjavio je da je predstavljeni izvor, koji radi na izotopu Ni63, sposoban proizvesti 1mkW s naponom od 2V tijekom 50 godina. Pavel Zaitsev sasvim otvoreno govori o skromnim strujno-naponskim karakteristikama, stavljajući glavni naglasak na dug radni vijek. Vjerojatno, isključivo iz osobne skromnosti, generalni direktor FSUE NII NPO Luch je u tehničkim specifikacijama naveo samo snagu, a ne općeprihvaćeni kapacitet. Ali ovome nećemo pridavati veliku važnost i jednostavno izračunati kapacitet:

C = 0,000001W * 50 godina * 365 dana * 24 sata / 2V = 219 mA

Ispada da je kapacitet nuklearne baterije male veličine univerzalna baterija, baš kao i litij-polimer (Li-Pol) baterija za Bluetooth slušalice! Pavel Zaitsev predlaže korištenje njegove nuklearne baterije u kardiologiji, što izaziva ozbiljne sumnje s obzirom na tako veliku veličinu. Možda se ova nuklearna baterija može smatrati nekom vrstom prototipa za proizvodnju električne energije iz izotopa, ali Rosatom će morati smanjiti bateriju tisućama puta kako bi se uklopila u moderne srčane stimulatore.

Uopće nisam zadovoljan cijenom nuklearna baterija- ravnatelj drž jedinstveno poduzeće objavio je cijenu izotopa nikla u dolarima (!) 4000USD/gram. Znači li to da će glavna komponenta biti kupljena u inozemstvu iz Rusije? Koliko je grama potrebno za izradu jedne baterije? Istodobno je primijećeno da će biti potrebni i dijamantni elementi (također nije jasno koliko?), ali čija se cijena (već u rubljima) kreće od 10.000 do 100.000 rubalja po komadu. Koliki će biti ukupni trošak takve baterije? Pejsmejkeri se u Rusiji ugrađuju besplatno prema polici obveznog zdravstvenog osiguranja u hitnim slučajevima ili ako postoji kvota. Ako je kvota nedovoljna i za srčane stimulatore inozemne proizvodnje, pacijenti to moraju sami platiti. Hoće li se nuklearne baterije ugrađivati ​​na teret proračuna obveznog zdravstvenog osiguranja ili će ih starije osobe morati posebno kupovati? Kad bi se rukovodstvo Rosatoma sjetilo da ruski umirovljenici žive u načinu "stajanja jedan dan i izdržavanja noći", tada bi vjerojatno shvatili apsurdnu nesklad između kozmičkog vijeka trajanja i troškova. To sugerira da poštovani Pavel Zaitsev aktivno koristi sredstva dodijeljena za istraživanje i razvoj, ne razmišljajući uopće o krajnjim korisnicima. Korisnici daju sličnu ocjenu Rosatomovog "izuma" društvene mreže:

Malo je vjerojatno da će se igdje koristiti. Više sam nego siguran da je budžet potrošen kao i uvijek, dio je potrošen na prezentaciju, a sam proizvod nitko nikada neće vidjeti :)

Deklarirani radni vijek (50 godina), kao što smo pretpostavili, točno je pola vremena poluraspada Ni 63 (100 godina). Istu logiku koriste znanstvenici sa Sveučilišta u Bristolu u konceptualnom videu. Za razliku od baterije Rosatoma, nuklearna baterija Bristol koristi izotop C 14 i može raditi 5730 godina! Sveučilište u Bristolu zapravo je zaboravilo podijeliti s 2, ali 2865 godina je predugo za pacemaker. Jedinstvenost bristolskog koncepta je u tome što se problem nuklearnog otpada rješava recikliranjem u nuklearne baterije.

Ako pažljivo poslušate i prevedete tekst ovog videa, otkrit će vam se mnogo više. zanimljiva informacija. Prvo je detaljno opisano porijeklo izotopa C 14

Od 1940. Engleska je napravila mnogo nuklearnih reaktora za znanstvene, vojne i civilne svrhe. Svi ovi reaktori koriste uran kao gorivo, a unutrašnjost reaktora napravljena je od grafitnih blokova. Ovi grafitni blokovi koriste se u procesu nuklearne fisije, omogućujući kontroliranu lančanu reakciju koja proizvodi stalni izvor topline. Ta se toplina zatim koristi za pretvaranje vode u paru, koja potom vrti turbine za proizvodnju električne energije. Nuklearne elektrane proizvode nuklearni otpad koji se mora sigurno zbrinuti. Samo trebamo pričekati da ovaj otpad prestane biti radioaktivan. Nažalost, za to su potrebne tisuće i milijuni godina. Također je potrebno mnogo novca za praćenje sigurnosti tijekom ovih mnogo godina. Budući da koristimo grafitne reaktore, Engleska je proizvela 95.000 tona grafitnih blokova koji sadrže radijaciju. Ovaj grafit je samo jedan oblik ugljika, jednostavan i stabilan element, ali ako ove blokove stavite na visoko radioaktivno mjesto, tada se dio ugljika pretvara u ugljik 14. Ugljik 14 može se vratiti u obični ugljik 12 kada nestane njegove dodatne energije. Ali to je vrlo dug proces jer je vrijeme poluraspada ugljika 14 5730 godina.
Nedavno su znanstvenici sa Cabot instituta Sveučilišta u Bristolu pokazali da se ugljik 14 koncentrira u blokove zračenjem izvana. To znači da je moguće ukloniti većinu zračenja njihovim zagrijavanjem - većina zračenja izlazi kao plin, koji se potom mogu sakupiti. Preostali blokovi grafita su još uvijek radioaktivni, ali ne toliko, što znači da će ih se lakše i jeftinije zbrinuti. Radioaktivni ugljik 14 u obliku plina može se pretvoriti pri niskim tlakovima i visokim temperature u dijamant - ovo je još jedan oblik ugljika. Umjetni dijamanti napravljeni od radioaktivnog ugljika, emitiraju struju beta zračenja koja može stvoriti električnu struju. To nam daje nuklearnu energiju dijamantne baterije. Da bi bili sigurni za našu upotrebu, presvučen je slojem neradioaktivnog dijamanta, koji u potpunosti apsorbira svo zračenje i pretvara ga u električnu energiju gotovo 100%. Nema pokretnih dijelova, nema održavanja, dijamant jednostavno proizvodi električnu energiju. Pošto je dijamant najtvrđa tvar na svijetu , nijedna druga tvar ne može pružiti takvu zaštitu za radioaktivni ugljik 14. Stoga se vani mogu detektirati vrlo male količine zračenja. Ali ima gotovo istu količinu zračenja kao i banana, pa je potpuno sigurna. Kao što smo rekli, samo polovica ugljika 14 raspada se nakon svakih 5730 godina, što znači da naša dijamantna baterija ima nevjerojatan životni vijek - ispraznit će se samo 50% u 7746. Ove dijamantne baterije najbolje će se koristiti tamo gdje se obične baterije ne mogu zamijeniti. Na primjer u satelitima za svemirska istraživanja ili za ugrađene uređaje poput srčanih stimulatora.

Potičemo sve da pošalju svoje prijedloge na #diamondbattery. Razvoj ovoga nova tehnologija riješio bi mnoge probleme, kao što su: nuklearni otpad, čista električna energija i produljenje vijeka trajanja baterije. To će nas odvesti u "dijamantno doba" proizvodnje energije.

Vrlo lijep koncept znanstvenika iz Bristola 2016. godine i vrlo skromna kutija iz Rosatoma možda će se (?) jednog dana razviti u dijamantne elektrane, ali ne i nuklearne baterije za mobilne uređaje. Teško će biti nagovoriti ljude da hodaju okolo s Fukushimom u džepu, čak i ako je počnu dodatno plaćati.

Korištenje atoma u miroljubive svrhe jedno je od kontroverznih pitanja našeg vremena, s obzirom da je energetika najmonopoliziraniji sektor gospodarstva, kada porezi i naknade čine više od 90% cijene KW električne energije. Učinkovitost miroljubivog atoma je upitna, budući da cijena relativno jeftine nuklearne energije ne uključuje cijenu posljedica koje je stvorio čovjek. Stoga su neke zemlje, uključujući Njemačku i Japan, odlučile potpuno napustiti korištenje nuklearne energije u energetici. Uostalom, razvojem obnovljivih izvora energije moguće je ne samo potpuno napustiti nuklearnu energiju, već i stvoriti industriju visoke tehnologije s milijunima visokokvalificiranih radnih mjesta.

Ukratko, najvjerojatnije imamo još jednog tehnokrakera poput " Superbaterija", a ne prijelomni "izum" dijamantnog doba. Drugim riječima, korištenje miroljubivog atoma u mikroenergiji je kao brijanje svinje - puno cvile, ali malo vune!