100 лет без подзарядки

Российские ученые научились обогащать радиоизотоп никель-63 до максимально возможного уровня и создали на его основе миниатюрный источник питания. Энергия этой батарейки на несколько порядков превосходит запас в обычных химических.

Два лица атомной батарейки

Батарейки и аккумуляторы повсюду — в мобильных телефонах, ноутбуках и планшетах, в часах, фонариках, фотоаппаратах, пультах управления, игрушках, зубных щетках и т. д. Потребитель не хочет быть привязанным к розетке, ему нужны легкие гаджеты с длительной автономностью, а обычные элементы питания хоть и совершенствуются, увеличивая емкость и уменьшаясь в размерах, но все равно требуют регулярной подзарядки или замены. И если в часах переставить батарейку секундное дело, то, например, в кардиостимуляторе — хирургическая операция.

Ученые много лет ищут, на чем батарейка могла бы работать если не вечно, то хотя бы несколько десятилетий. Один из вариантов — радиоизотопы. Источники на их основе условно делят на две большие группы: термоэлектрические преобразователи, РИТЭГи, и бета-вольтаические, больше известные как ядерные батарейки.

Принцип работы первых основан на альфа-излучении. Оно нагревает подложку почти до 1,5 тыс. °C, затем тепло преобразуется в электрический ток. РИТЭГи — громоздкие конструкции весом до 2,5 т: помимо самого источника альфа-излучения им требуется радиационная защита.

В ядерной батарейке в электрический ток преобразуется энергия бета-распада. Для этого на излучатель, испускающий электроны, накладывают полупроводник, замыкая электрическую цепь. Первый радиоизотопный источник энергии представил в 1913 году английский физик Генри Мозли. В центре посеребренного изнутри стеклянного шара на изолированном электроде располагался радиевый источник. Электроны, испускаемые при бета-распаде, создавали разность потенциалов между серебряным слоем сферы и электродом и генерировали ток. Однако ток был слабый, эксперимент не пошел дальше лаборатории.

Первые успехи

В 1953 году американец Пол Раппапорт предложил использовать для преобразования энергии бета-распада радиоактивных элементов полупроводниковую структуру. Его схема напоминает сэндвич: слои бета-излучателя, испускающие электроны, чередуются со слоями полупроводника, который их улавливает.

В 1970-е американец Ларри Олсен создал батарейку Betacel на основе прометия-147. Это был первый коммерчески успешный бета-вольтаический источник. Для своего времени он стал революционным продуктом: около кубического дюйма в объеме, мог работать до 10 лет. Betacel использовали для питания кардиостимуляторов, в 1970-е в США устройства с радиоизотопным источником получили более 20 тыс. пациентов.

Владимир Рисованный
Директор по научному развитию, научный руководитель АО «Наука и инновации», профессор, д. т. н.

— Человечество скоро поймет, что запасенную в радиоизотопах колоссальную энергию можно и нужно использовать для решения разнообразных задач. Эта энергия превышает на единицу массы энергию всех имеющихся на сегодня источников питания. В техническом плане потенциально российские атомные батарейки на никеле-63 могут стать лучшими в мире. Единственное, что пока сдерживает массовое производство, — их высокая стоимость. Когда на такие источники энергии появится устойчивый спрос, мы сможем масштабировать производство, и батарейки станут доступнее для широкого потребителя.

Однако позднее исследования показали, что использовать такие батарейки опасно: помимо бета-излучения, которое можно блокировать тонким слоем алюминия, радиоизотоп испускает гамма-излучение, повреждающее ткани и органы. Производители кардиостимуляторов переключились на литиевые батареи, а ученые начали поиски более безопасного кандидата.

В Советском Союзе работа по созданию ядерной батарейки тоже велась. Так, в марте 1975 года советские хирурги имплантировали первый отечественный кардиостимулятор РЭКС-А1 с плутониевым источником питания. Однако плутоний стоил дорого, и использовать новые модели литиевых батарей с длительным сроком службы было выгоднее.

Лучшие в мире

Впрочем, от идеи сделать вечную батарейку наши ученые не отказались и сконцентрировали исследования на другом радиоизотопе — никеле-63, период полураспада которого 100 лет. В 2007 году в НИИАР создали первые макеты ядерной батарейки. Радиоизотоп наработали, облучая стабильный никель-62 в исследовательском высокопоточном реакторе СМ-3.

Однако активность изотопа была довольно низкой — 15 Ки/г. Увеличить ее в три-четыре раза можно было, обогатив никель-63 до предельных значений — порядка 80 Ки/г. Для этого в Радиевом институте совместно с ГХК и ЭХЗ разработали и запатентовали уникальную технологию и обогатили никель-63 на центрифугах практически в два раза — до 27 Ки/г. Затем по той же технологии ЭХЗ совместно с ГХК произвел дообогащение, получив самый высокообогащенный никель-63 в мире — 70 Ки/г. В этом году специалисты ЭХЗ планируют добиться максимума — 80 Ки/г. Исходный никель-62 для этого сейчас облучается в реакторе РБМК-1000 на Ленинградской АЭС.

Другая сложность, с которой столкнулись исследователи, — самопоглощение электронов в бета-излучателе. Чтобы отдать энергию, электроны, вылетающие с поверхности источника, должны попасть на полупроводник. Если слой бета-излучателя слишком толстый, то львиная доля электронов остается внутри, а до полупроводника долетают лишь обитатели верхнего микронного слоя. Чем тоньше слой, тем больше электронов смогут покинуть излучатель. Самые тонкие в мире слои радиоизотопа научились делать в НПО «Луч». Там разработали и запатентовали технологию создания пленок никеля-63 толщиной всего 2 мк. Это в 30 раз тоньше человеческого волоса.

Вторая составляющая ядерной батарейки — полупроводник. На роль приемника электронов рассматривали германий, кремний и его оксид, но у этих материалов слишком низкий КПД. На помощь пришел Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ), специалисты которого начали делать полупроводники высокой энергетической проводимости из искусственных алмазов. Сотрудники ТИСНУМ и МФТИ разработали уникальную технологию синтеза и отщепления тонких, всего 10 мк, алмазных пластин от многоразовых алмазных подложек.

Энергия в миниатюре

Образец российской ядерной батарейки похож на слоеный пирог: 200 алмазных полупроводников чередуются с 200 слоями никеля-63. Размеры образца — 5×5 мм. Это в разы меньше всех аналогов, компактность — один из плюсов российской разработки. Другой — энергоемкость: 300 ватт-часов на грамм. Не сравнить с другими ядерными батарейками и тем более с химическими элементами питания.

В перспективе ядерные батарейки на никеле-63 можно использовать в микроэлектронике и медицине — в кардио- и нейростимуляторах, ушных и глазных имплантатах, биоэлектрических протезах. Миниатюрные источники пригодятся при перевозке грузов, особенно в космосе, где транспортировка каждого килограмма обходится минимум в 20 тыс. долларов.