Атомная батарейка: дешевле, но все еще дорого

Разрабатывать атомные батарейки модно: только в России этим занимаются сразу несколько научных коллективов. Но на рынке отечественных бета-вольтаических источников энергии пока не встретишь, и во многом это объясняется высокой себестоимостью образцов. Ученые из МИСиСа предложили свой прототип ядерной батарейки — ​существенно дешевле аналогов.

Батарейку разработали специалисты кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников МИСиСа. Профиль коллектива — ​создание приборов электроники: сенсоров, элементов памяти, детекторов ионизирующего излучения, солнечных батарей на различных полупроводниковых материалах (кремний, арсенид галлия, алмаз и т. д.).

«Идея атомной батарейки не нова, ей более 50 лет, — ​рассказывает доцент МИСиСа Сергей Леготин. — ​Но достаточно эффективный и доступный источник питания пока никто не сделал. Мы решили попробовать: солнечные батареи успешно делали, а батарейка атомная — ​по сути то же самое, только источник излучения не cолнце, а радиоактивный материал».

Устройство всех ядерных батареек примерно одинаковое, в основе — ​бета-вольтаический эффект. Ученые МИСиСа изобретать велосипед не стали. «Батарейка состоит из двух компонентов: первый — ​полупроводниковый преобразователь, второй — ​радиоактивное вещество. Энергия, выделяемая радиоизотопом, преобразуется в электрический ток», — ​объясняет участник проекта Андрей Краснов. В качестве излучателя выбрали никель‑63. Тут тоже ничего нового: на него делают ставку большинство разработчиков атомных батареек. Никель‑63 — ​чистый источник энергии: мягкое бета-излучение не сопровождается вредным гамма-излучением. Период полураспада изотопа — ​целых 100 лет.

Инновационное решение МИСиСа — ​в уникальной 3D-структуре батарейки. Большинство разработчиков наносят изотоп сверху на плоскую поверхность полупроводника, и в итоге он излучает во все стороны, львиная доля энергии просто улетает в воздух. Ученые МИСиСа поместили изотоп внутрь полупроводника, в микроканалы, чтобы энергия не расходовалась вхолостую. Преобразователь сделали не из дорогого алмаза, а из дешевого кремния. Эта батарея втрое меньше аналогов, ее удельная мощность в 10 раз выше, а себестоимость вполовину ниже.

Разработанный в институте преобразователь стоит всего 300 рублей. Правда, сама батарейка все еще очень дорогая — ​за счет высокой стоимости никеля‑63 (порядка 4 тыс. долларов за грамм). Поэтому желающих начать серийное производство по технологии МИСиСа пока нет. Но в вузе уверены, что источник энергии может работать и на других, менее дорогих и более мощно излучающих радиоактивных изотопах. Вот только подтвердить это экспериментально у них пока нет возможности. «Опыты мы проводили с никелем‑63 минимальной активности 2,7 мКи: у нас в вузе нет условий и лицензии на работу с радиоактивными веществами высокой активности, — ​объясняет руководитель проекта, профессор МИСиСа Виктор Мурашев. — ​Мы ищем партнера, который поможет нам провести эксперименты. Думаю, это могли бы быть предприятия «Росатома»: ядерные центры в Сарове и Снежинске, «Маяк».

Ядерные батарейки могут стать идеальными резервными импульсными источниками питания для космоса, считают в МИСиСе. «Исследовательские космические аппараты в основном работают на солнечных батареях, — ​рассказывает Андрей Краснов. — ​Не раз бывало так: аппарат совершает жесткую посадку на теневой стороне небесного тела, солнечные батареи не заряжаются — ​и все, миссии конец. А был бы у аппарата резервный атомный источник питания, который дает минимальную энергию, он бы выехал на солнце и подзарядился». Другие сферы применения — ​ядерная медицина (питание кардиостимуляторов), освоение Арктики (резервный источник энергии для электроприборов) и т. д.

КСТАТИ

Никель‑63 в природе не встречается, его можно только искусственно наработать. Для этого требуются две стадии обогащения: сначала на центрифуге по никелю‑62, затем — ​в реакторе по никелю‑63. Чтобы получить достаточно мощную батарейку, нужен высокообогащенный продукт. В «Росатоме» разрабатывают технологию, позволяющую добиться обогащения до 80 Ки/г — ​почти в четыре раза выше, чем у конкурентов.