Зарядка отменяется

В 2026 году сотрудник Института Бочвара Александр Аникин и сотрудник «Фарматома» Павел Мосеев получили премию Президента России в области науки и инноваций для молодых ученых за разработку бета‑вольтаического источника питания — так называемой ядерной батарейки. Для генерации электричества она использует энергию распада радиоактивного элемента. В качестве источника энергии ученые взяли тритий.

Мощность такой батарейки невелика — всего около 200 нВт (0,0000002 Вт), зато расчетный срок службы достигает 15 лет. Ее преимущество — долгая и стабильная работа там, где подзарядка невозможна. Например, в системах автономного мониторинга в Арктике или в космосе — датчик может годами собирать данные и изредка отправлять короткий сигнал.

Энергия из распада

Тритий — радиоактивный изотоп водорода. В его ядре один протон и два нейтрона. При радиоактивном распаде тритий испускает бета-частицы — электроны. Их энергию и научились превращать в электричество.

Принцип чем-то напоминает солнечную батарею. Только в фотоэлементе полупроводник получает энергию от фотонов солнечного света, а в бета-вольтаическом источнике — от электронов, возникающих при распаде трития. Полупроводниковый преобразователь превращает энергию излучения в электрический ток. Пока тритий распадается, батарейка работает.

Преимущество такого решения — автономность. Источнику не нужен солнечный свет, топливо или периодическая зарядка. Поэтому разработка особо перспективна для использования там, где добраться до устройства для замены обычной батарейки трудно, дорого или вообще невозможно.

Батарейка в сборе

В основе батарейки — небольшие металлические диски‑подложки. Сначала их тщательно очищают и подвергают вакуумному отжигу, чтобы удалить газовые примеси. Затем методом магнетронного напыления на поверхность наносят специальный металлосорбент — материал, способный удерживать тритий. Дальше заготовки насыщают тритием. После контроля мощности и активности источников батарею собирают и измеряют электрические параметры. В результате получается компактная «таблетка» диаметром 30 мм и высотой 15 мм.

Маломощный, но надежный

200 нВт по сравнению с мощностью аккумулятора смартфона (при тяжелой нагрузке до 15 Вт) кажутся почти ничем. Этого не хватит даже на поддержание работы экрана, не говоря уже о процессоре. Но конкурировать с обычными литийионными батареями ядерная батарейка и не нацелена. Разработка предназначалась прежде всего для космической техники. В частности, речь шла о подпитке блоков памяти, в которых хранится чувствительная информация. Среди других возможных применений — маломощные электросистемы, микроэлектромеханические схемы и различные датчики.

Еще один вариант — автономные устройства на удаленных территориях. Такая батарейка теоретически способна годами питать датчики систем мониторинга сейсмической активности или предупреждения цунами. Перспективное направление — медицина. Например, для кардиостимуляторов особо важна не мощность, а длительность и надежность работы источника питания.

Операция «Детритизация»

Работа с тритием требует особых мер безопасности. Поэтому параллельно с батарейкой ученые Института Бочвара разработали технологию обращения с радиоактивным изотопом. На производстве действует уникальная система детритизации технологических газов методом фазового изотопного обмена. Тритий из технологического процесса собирают, переводят в тритированную воду, а затем фиксируют для дальнейшего обращения с ней как с радиоактивными отходами. Эффективность системы впечатляет: степень детритизации воздуха составляет 10⁶. Иными словами, выходящий из установки поток в миллион раз чище входящего.

От опытной партии к готовой технологии

Первой о разработке рассказала газета «Страна Росатом» в 2020 году. На тот момент в Институте Бочвара уже существовало производство источников бета-излучения, а на большинстве стадий технологического процесса можно было работать в полупромышленном масштабе. Тогда начальник научно-исследовательского отдела разработки технологий и оборудования для получения изотопов и изотопной продукции Института Бочвара Александр Аникин отмечал: «На российском рынке аналогов нашей разработки нет, самый известный конкурент на Западе — американская компания City Labs, выпускающая источники питания на основе трития. Мощность и цена сопоставимы. Наше устройство уступает зарубежному по КПД преобразования — ​мы принципиально использовали только российские комплектующие, и полупроводниковых преобразователей такого качества, как в США, на отечественном рынке нет. Но удельная активность потока бета-частиц в российских батареях выше. Если бы мы взяли американские полупроводники и поставили наши источники, то мощность батареек могла бы быть в два раза выше. Так что у нас большой потенциал для развития».

За последующие годы проект довели до производства. «Мы завершили проект: создано производство, выпущена опытная партия источников, прошли климатические испытания, испытания на механическую прочность, стойкость к воздействию ионизирующего излучения и другие», — говорит Александр Аникин, сегодня заместитель директора отделения, начальник научно-исследовательского отдела.

Как это работает

Тритий → бета-частицы → полупроводник → электрический ток

При распаде трития выделяются электроны. Полупроводниковый преобразователь превращает энергию этих частиц в электричество. Источник работает непрерывно, пока идет радиоактивный распад трития.