Ядерная энергия в миниатюре

 

На Московском международном салоне изобретений «Архимед», который прошел 29 марта — 1 апреля, ГХК представил инновационный проект — технологию получения никеля-63 для производства ядерной батарейки.

Разработать бета-вольтаические батареи — источник питания нового поколения, пытаются уже полвека, однако до промышленного выпуска никто до сих пор не дошел. Начинка для батарейки, изотоп никель-63, не встречается в природе: его можно наработать только искусственно.
В некоторых странах, например США, придумали технологии, позволяющие получить никель, но только низкообогащенный — с содержанием 63-го изотопа около 20 %. С ним эффективную ядерную батарейку не сделаешь. Предприятия «Росатома» добились более чем 80 %-ного обогащения.
Российская ядерная батарейка — совместный проект ГХК, ряда других отраслевых предприятий и Академии наук. «В рамках кооперации несколько задач, основная — системная интеграция, — рассказал «СР» заместитель начальника технического отдела ГХК Дмитрий Друзь. — Сейчас выполняется ряд опытно-конструкторских работ по технологии получения никеля с высоким обогащением по 63-му изотопу и ряд работ по созданию опытного образца элемента питания».
Принцип действия ядерной батарейки основан на бета-вольтаическом эффекте: бета-излучение радиоактивного изотопа никеля с помощью полупроводника преобразуется в электрическую энергию. Аналог фотоэлектрического эффекта, с той разницей, что образование электрон-дырочных пар в кристаллической решетке полупроводника происходит под воздействием бета-частиц (быстрых электронов), а не фотонов.
«Принципиально батарейка на основе изотопа никель-63 состоит из четырех частей: полупроводникового преобразователя бета-излучения, нанесенного на него сверхтонким слоем высокообогащенного изотопа никель-63, контакторов элемента питания и миниатюрного герметичного корпуса», — рассказывает Дмитрий Друзь.

Первый образец ядерной батарейки на ГХК намерены получить в конце 2016-го — начале 2017 года. По форме и габаритам источники адаптируют под элементы питания микроваттного класса, в частности для нейро- и кардиостимуляторов. В дальнейшем характеристики и особенности продукта будут зависеть от области применения и требований заказчика. «Это могут быть привычные форм-факторы — «таблетки» или миниатюрные пальчиковые батарейки, либо микроминиатюрные форм-факторы», — перечисляет Дмитрий Друзь.
На волне интереса к новинке в прессе появились публикации о разработках других организаций.
Так, коллектив ученых из МИСиСа, ТИСНУМа, МФТИ и НПО «Луч» создал прототип нового преобразователя энергии ионизирующего излучения изотопа никель-63. Но это не ядерная батарейка, а ядерный генератор. Руководитель исследовательского коллектива, заведующий кафедрой материаловедения полупроводников и диэлектриков МИСиСа, профессор Юрий Пархоменко комментирует: «Перед нами стояла принципиально другая задача — разработка радиационно-стимулированного механоэлектрического генератора переменного напряжения, действующего за счет энергии ионизирующего излучения изотопа никель-63».
Сердце этого элемента питания — кантилевер, тонкая пластина из пьезокристаллического ниобата лития с бидоменной структурой. Энергия, выделяемая в изотопе никель-63 при бета-распаде, преобразуется в энергию механических колебаний пьезокристаллического кантилевера, которая, в свою очередь, преобразуется в переменное напряжение на электродах.
И бета-вольтаические, и микроэлектромеханические источники (аналог разработки МИСиСа и партнеров) появились более 10 лет назад, но всем им не хватает КПД и мощности, которую может дать никель-63 высокого обогащения. Как отмечает Дмитрий Друзь, уже на нынешней стадии НИОКР понятно, что батарейка ГХК превзойдет все образцы элементов питания, использующие энергию бета-распада никеля-63. «Наш источник имеет многократные преимущества как по эффективности и мощности, так и по габаритам и неприхотливости. Его можно применять в самых экстремальных условиях», — подчеркнул Дмитрий Друзь.
Ядерная батарейка под брендом «Росатома» совсем скоро станет реальностью, и есть все основания полагать, что этот продукт перевернет не только отечественный, но и мировой рынок.