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.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКА

100 мкВт/см

УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ

16.6,2 мм

ГАБАРИТЫ

>50 лет

СРОК СЛУЖБЫ

20 %

КПД

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.
— Технология прорывная — опережающая все известные на сегодня западные аналоги даже не на шаг, а на несколько шагов. Для реализации проекта необходимо решить фундаментальные и прикладные научные задачи, а также применить промышленные технологии «Росатома», которые опять-таки обошли западные. И все это в целом, как мы рассчитываем, позволит к началу следующего года создать уникальный продукт. Петр Гаврилов, генеральный директор ГХК
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.
Потенциальные потребители
Медицинские кардиостимуляторы используют в качестве источника энергии плутоний-238 и служат порядка 10 лет. Замена кардиостимуляторов — сложная операция, с ядерной батарейкой деимплантация не понадобится в течение 50 лет. В атомной промышленности ядерные батарейки можно установить в датчики контроля температуры и радиационного излучения. Ядерные батарейки станут незаменимым компонентом сетей автономного навигационного оборудования, систем телеметрии и онлайн-мониторинга широкого спектра параметров. На ура долгоиграющие источники примут создатели различных подводных систем, покорители Севера, военная промышленность.
Производство
Никель-63 — чистый источник энергии: мягкое бета-излучение не сопровождается вредным гамма-излучением. Период полураспада — 100 лет. Для наработки изотопа требуется две стадии обогащения: сначала на центрифугах по никелю-62, затем, после обогащения и выделения, — по никелю-63.
В каждый дом?
Кто из нас не хочет, чтобы смартфоны, компьютеры или планшеты работали 50 лет без подзарядки? С точки зрения безопасности препятствий нет: бета-излучение никеля-63 поглощается корпусом батарейки. Однако есть опасение, что найдутся желающие разобрать батарейку. И вот тогда могут быть негативные последствия. Есть еще одно препятствие для доступа широкого потребителя к ядерным батарейкам и генераторам — цена. Из-за сложной технологии получения 1 г никеля-63 стоит сотни тысяч рублей. Даже при том что батарейке нужно гораздо меньше грамма, стоит она дорого. Однако, когда продукт апробируют в наукоемких, высокотехнологичных отраслях, спрос вырастет, и тогда начнется промышленное производство никеля-63, а себестоимость станет гораздо ниже. Важный вопрос: как утилизировать компактные ядерные источники энергии? «Оптимально сдавать их на переработку для извлечения не распавшегося изотопа», — считает замначальника технического отдела ГХК Дмитрий Друзь.
Поделиться
Есть интересная история?
Напишите нам
Читайте также:
Люди
«Регламент для нас — святая книга»: впечатления китайских атомщиков о жизни и учебе в Нововоронеже
Федеральный номер «Страна Росатом» №22 (630)
Скачать
Федеральный номер «Страна Росатом» №22 (630)

Интерес к Севморпути проявляют все больше международных
компаний — стр. 4

В отрасли началась акция для желающих стать донорами костного мозга — стр. 9

«Из пяти моих рабочих дней четыре точно идут не по плану» — стр. 12

Скачать
Технологии
Корейские ученые создали натрийионный аккумулятор со сверхбыстрой зарядкой
Синхроинфотрон
«Фактически это другая лига»: как в отрасли поднимают престиж рабочих профессий
Технологии
Российские ученые хотят построить телескоп на Луне
Технологии
NICA вместо БАКа: новости субатомной физики
Показать ещё