Красиво, но дорого: мировая гонка по получению ядерной батарейки

Гонка за компактной и приемлемой по цене ядерной батарейкой продолжается, в лидерах — Китай, США и Россия. Последние достижения в бета-вольтаике — в нашем обзоре.

Основы бета-вольтаики

Источники электрического тока на основе радиоизотопов условно делят на две группы: радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) и бета-вольтаические источники, больше известные как ядерные батарейки.

РИТЭГ работает с альфа-излучением. В конструкции два проводника из разных металлов или сплавов, один содержит радиоактивный изотоп, например плутоний-238. При распаде изотоп выделяет тепло. Термоэлектрический модуль (батарея из термопар) находится между горячим радиоактивным источником и холодным внешним корпусом. Разница температуры заставляет электроны двигаться. Так тепло превращается в электрический ток (эффект Зеебека), а на выводах появляется небольшое напряжение — термоэлектродвижущая сила. Величина этого напряжения прямо зависит от разницы температуры. Как правило, РИТЭГ — тяжелая конструкция, поскольку включает громоздкую радиационную защиту.

В ядерной батарейке в электрический ток преобразуется энергия бета-распада. Бета-частицы имеют значительно меньшую, чем у альфа-частиц, кинетическую энергию — до 200 кэВ против 4–9 МэВ. На излучатель, испускающий бета-частицы, накладывают многослойный полупроводник. Попадая в полупроводниковый преобразователь, частицы вызывают лавинный эффект — выбивают из него электроны. Те аннигилируют в следующем слое, выбивая новые электроны. Это бета-вольтаический эффект, в ходе которого и возникает электрический заряд. По принципу действия похоже на солнечную панель, только вместо света используется радиация.

Основной проблемой бета-вольтаики остается низкая мощность — от нано- до микроватт. Этого недостаточно для питания смартфона или ноутбука. Зато хватит на бесперебойную работу сверхкомпактного прибора вроде кардиостимулятора. В США кардиостимуляторы с ядерной батарейкой Betacel на основе плутония-238 устанавливали пациентам в 1970-е годы. Однако исследования показали, что излучение Betacel опасно для организма, и их производство прекратили. В СССР в то же время разрабатывали кардиостимулятор РЭКС-А1 с плутониевым источником, но программу свернули: появились батареи существенно дешевле плутониевых — литийионные.

Сегодня самыми безопасными считаются бета-вольтаические источники питания на основе никеля-63.

Стартапы двигают ядерные батарейки

В 2024 году китайский стартап Betavolt начал продажи микробатарей BV100 с никелем-63 и алмазными полупроводниками. По заверениям разработчиков, модули размером меньше монеты способны выдавать энергию на протяжении 50 лет без подзарядки. КПД преобразователя составляет 8–10 %, батарейка выдает мощность 100 мкВт и напряжение 3 В. Покупают BV100 в основном производители микроэлектроники.

Поскольку основной целью разработок Betavolt называл создание беззарядного аккумулятора для смартфона, источники начали объединять в пакеты, чтобы получить более мощный, одноваттный источник энергии. В этом году Betavolt объявил о выпуске новых батарей, но размер партий и контракты держит в секрете. Сделать вечный аккумулятор для смартфона у стартапа пока не вышло, но его батарейки внедряют в медицинские импланты, автономные датчики, аэрокосмические системы и микроробототехнику.

В июле на Китайской инвестиционно-торговой ярмарке в Ланьчжоу Северо-Западный педагогический университет и компания Gansu Zhulong Technology представили свою батарейку Qianjiyuan Tianshu с углеродом-14 и преобразователем из карбида кремния. По сравнению с их предыдущей разработкой 2024 года мощность батарейки выросла в 2,6 раза при сохранении напряжения и стабильности и содержании не более 22 % радиоактивного материала. Габариты Qianjiyuan Tianshu — 16,8 см³. При активности углерода-14 129 мКи батарейка выдает 0,713 мкА, 2,06 В и 1,13 мкВт. Другие ключевые улучшения — повышение согласованности радиоактивного источника с преобразователем и трехмерная компоновка элементов, экономящая пространство. В конструкцию добавили систему управления мощностью и датчики, обеспечивающие работу батареи без внешнего контроля.

Еще один прорыв, на сей раз в США: 7 июля ракета SpaceX Falcon 9 вывела на околоземную орбиту микроспутник BOHR. В состав его оборудования входит тритиевая батарейка NanoTritium. И спутник, и батарея — разработки компании City Labs. Батарейка должна прослужить 10–12 лет и выдавать мощность несколько микроватт (точные данные не публикуются). Этого достаточно, чтобы снабжать энергией небольшой датчик. Большую часть энергии BOHR получает от солнечной панели. Но ключевая цель миссии — протестировать именно NanoTritium.

Российские разработки

Наши ученые тоже ведут исследования в сфере бета-вольтаики. В 2017 году НИИ НПО «Луч» представил на форуме «Атомэкспо» макет компактного источника питания, который способен работать не менее 50 лет. В макете использовался никель-63 20 %-го обогащения. С большим обогащением можно повысить мощность и уменьшить размер устройства. Разработка велась совместно с Технологическим институтом сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ). В «Луче» разработали технологию выделения из раствора хлорида никеля металлического никеля и изготовили из него фольгу толщиной около 2 мкм. В ТИСНУМе разработали алмазные полупроводниковые преобразователи.

В 2020–2022 годах работы над автономными бета-вольтаическими источниками питания в «Луче» продолжились в рамках Единого отраслевого тематического плана. Совместно с Ульяновским государственным университетом изготовили источники питания на основе карбида кремния и никеля-63 20 %-го обогащения. Эти батарейки имеют КПД около 10 %, в то время как у большинства бета-вольтаических батарей — 1–2 %. Преобразователи работают уже четыре года, и деградации не происходит. Их применение возможно, в частности, в питании элементов энергонезависимой памяти.

В феврале этого года заместитель директора отделения, начальник научно-исследовательского отдела Института Бочвара Александр Аникин и директор по развитию производства компании «Фарм-атом» Павел Мосеев получили премию Президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых за бета-вольтаические источники энергии на основе трития. Батарейка использует энергию распада трития, но может работать и с никелем-63 (Россия в числе глобальных лидеров производства обоих). Тритиевые источники бета-излучения мощнее никелевых, но прослужат меньше. Период полураспада трития — 12,3 года, никеля-63 — 100 лет.

«Наша работа предназначается прежде всего для космических аппаратов, в частности блоков памяти, где хранится чувствительная информация, — говорил в интервью «СР» Александр Аникин. — Мы не знаем, были ли батарейки в космосе: мы передали результаты заказчику, и нам ничего не сообщали. Кроме того, наши источники могут питать автономные датчики на удаленных территориях: в системах мониторинга сейсмоактивности, для предупреждения цунами и т. п.».

Ценный изотоп

Для одного из макетов ядерной батарейки на основе никеля-63 в научном институте «Росатома» в Димитровграде изотоп нарабатывали, облучая стабильный никель-62 в исследовательском высокопоточном реакторе СМ-3. Был получен изотоп с активностью около 10 Ки/г. Для увеличения активности потребовалось обогатить никель-63 до предельных значений. Для этого Радиевый институт им. Хлопина совместно с Горно-химическим комбинатом и Электрохимическим заводом разработали и запатентовали уникальную технологию. Никель-63 обогатили на центрифугах до 70 Ки/г — получили самый высокообогащенный никель-63 в мире.

Батарейка состоит из 200 слоев алмазных полупроводников, чередующихся с 200 слоями никеля-63, и способна стабильно выдавать энергию 50 лет. Но себестоимость ее производства до сих пор остается запредельной. Так что наряду с международной гонкой в сфере малых модульных и микрореакторов в ближайшие годы мы увидим еще одну. Тот, кто получит относительно дешевый никель-63, станет чемпионом.