Ядерные, или радиоизотопные, или атомные батареи – это автономные источники электропитания, способные работать без подзарядки годами.
Ядерные батарейки – это источники тока, в которых энергия радиоактивного распада метастабильных ядер преобразуется в электричество. В качестве радиоактивных элементов в атомных батареях используются alpha- и beta -радиоактивные ядра с периодом полураспада от сотни дней до сотни лет в зависимости от решаемой задачи. Выбор ядра для атомной батареи из широко спектра радионуклидов, используемых в радиоизотопной энергетике, зависит от конкретной цели, для которой создается источник питания, режима его эксплуатации и целого ряда других условий.
Выбор радиоизотопа и схемы преобразования
Области применения ядерных батарей разнообразны: в ближайшем будущем ядерные батарейки станут незаменимы на территориях, удаленных от инфраструктуры, например, в Арктике, на больших глубинах, на газо- и нефтепроводах большой протяженности, в космосе, а также в связи и медицине – там, где нужен длительный мониторинг без возможности подзарядки или замены источников энергии. Кроме высокой удельной мощности, важны также простота и удобство наработки радионуклида (например, в атомном реакторе) и такой параметр, как отсутствие гамма-излучения – поэтому, скажем, для ядерных батареек в кардиостимуляторах или датчиков артериального давления и показателей крови подходят только плутоний-238 и никель-63. Требование безопасного радиоизотопа резко сужает круг потенциальных кандидатов, поскольку ядра при распаде должны либо все переходить в основное состояние дочернего ядра, либо заселять возбужденные состояния дочернего ядра с очень низкой вероятностью.
Кроме выбора радиоизотопа, принципиально важным при разработке радиоизотопных источников энергии является и выбор схемы преобразования энергии ядерного распада в электричество. На практике преобразование ядерной энергии в электрическую осуществляется преимущественно по непрямому ступенчатому принципу: кинетическая и кулоновская энергия альфа- и бета-частиц сначала превращаются в иную, например, тепловую, химическую, механическую, световую и т.д., а затем – в электрическую.
Почему никель-63?
Ученые НИЯУ МИФИ занялись исследованием возможностей использования никеля-63 (63Ni) в качестве радиоизотопа для ядерных батарей в гражданском секторе. Это наиболее перспективный радионуклид в бета-вольтаике – средняя энергия бета-частиц 63Ni 17.5 кэВ, период полураспада 100,1 лет – и к нему можно легко создать физзащиту от мягкого бета-излучения источника в миниатюрном элементе питания.
Группа ученых из Института ЛаПлаз под руководством Петра Борисюка предложила оригинальную физическую систему на основе 63Ni, позволяющая провести эффективную генерацию вторичных электронов непосредственно внутри наноструктурированных пленок никеля и значительно увеличить токовый сигнал, вызванный каскадом многократных неупругих соударения бета-частиц. Эта система является относительно простой с точки зрения экспериментальной реализации и представляет собой ансамбль плотно упакованных нанокластеров никеля с градиентным распределением наночастиц по размеру, осажденных на поверхности широкополосного диэлектрика — оксида кремния. Ключевая особенность системы основана на том, что вследствие размерной зависимости энергии Ферми, наличие пространственно неоднородного распределения металлических наночастиц по размерам приводит к пространственному перераспределению заряда в такой системе. Это означает, что в электропроводящей системе соприкасающихся друг с другом металлических наночастиц, средний размер которых монотонно изменяется в выделенном направлении, в этом же направлении должна регистрироваться разность потенциалов. Таким образом, формирование нанокластерных пленок никеля-63 с градиентным распределением наночастиц по размерам открывает уникальную возможность и позволяет совместить сразу два важных процесса:
формировать покрытия с фиксированной разностью потенциалов (определяется разницей размеров наночастиц в выделенном направлении);
осуществлять преобразование энергии бета-распада 63Ni в ток электронов без использования дополнительных сложных для реализации полупроводниковых систем.
Прототип и новый универсальный подход к ЯБ
В результате был создан прототип автономного радиоизотопного источника питания средней мощности (от 1 мВт до 100 Вт) на основе узкозонных полупроводниковых термофотовольтаических материалов с КПД преобразования теплового излучения (ближнего ИК диапазона) не ниже 15 %, что более чем в два раза превосходит КПД преобразования радиоизотопных источников питания, выполненных по технологии радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ).Также было проведено исследование технических характеристик прототипа, разработан полный комплект конструкторской документации для масштабирования, отработана технология преобразования тепловой энергии ядерного распада в электричество с помощью термофотовольтаических преобразователей, позволяющих работать в ближнем ИК диапазоне.
