Atomska baterija u modernom svijetu

Znanost trenutno napreduje i razvija se. Nuklearna baterija je već izumljena. Takav izvor energije može trajati do 50, a ponekad i do 100 godina. Sve ovisi o veličini i korištenoj radioaktivnoj tvari.

Rosatom je prvi najavio proizvodnju nuklearne baterije. Tvrtka je 2017. godine predstavila prototip na izložbi.

Istraživači su uspjeli optimizirati slojeve nuklearne baterije koja koristi beta raspad izotopa nikla-63 za proizvodnju električne energije.

1 gram ove tvari sadrži 3300 milivatsati.

Kako radi atomska baterija

Atomska baterija, poznata i kao radioizotopski generator topline (RIHG), izvor je energije koji koristi proces raspada radioaktivnih izotopa za stvaranje topline i njezino pretvaranje u električnu energiju.

Princip rada atomske baterije temelji se na radioaktivnom raspadu, u kojem se jezgre atoma raspadaju, emitirajući čestice i energiju. Jedan od najčešćih materijala koji se koriste u atomskim baterijama je plutonij-238, koji ima dugo vrijeme poluraspada. Plutonij-238 raspada se na uranij-234, emitirajući alfa čestice. Ove čestice sadrže visoku energiju koja se pretvara u toplinu pri interakciji s okolinom.

Generiranje topline ključni je korak u radu atomske baterije. Toplina se prenosi kroz izmjenjivač topline do termoelektričnog pretvarača. Ovaj pretvarač sadrži materijale sposobne za generiranje električne struje kada su izloženi temperaturnoj razlici. Dakle, toplina od radioaktivnog raspada plutonija-238 prenosi se na jednu stranu termoelektričnog pretvarača, stvarajući temperaturnu razliku između njegove dvije strane. Ova temperaturna razlika omogućuje generiranje električne energije korištenjem Seebeckovog termoelektričnog efekta.

Električna energija koju generira termoelektrični pretvarač koristi se za napajanje električnih uređaja. Glavna prednost atomskih baterija je što pružaju stabilan, dugotrajan izvor energije, koji ne zahtijeva zamjenu ili ponovno punjenje dugi niz godina. Međutim, zbog upotrebe radioaktivnih materijala, atomske baterije nose određene rizike i zahtijevaju posebne sigurnosne mjere tijekom upotrebe i rukovanja.

 

Jesu li nuklearne baterije opasne?

Programeri tvrde da su ove baterije potpuno sigurne za obične ljude. To je zato što je kućište dobro dizajnirano.

Poznato je da je beta zračenje štetno za tijelo. Ali u novostvorenoj nuklearnoj bateriji ono je mekano i bit će apsorbirano unutar energetske ćelije.

Trenutno stručnjaci identificiraju nekoliko industrija u kojima se planira koristiti ruska nuklearna baterija A123:

1. Lijek.
2. Svemirska industrija.
3. Industrija.
4. Prijevoz.

Osim ovih područja, novi dugotrajni izvori energije mogu se koristiti i u drugima.

Prednosti nuklearne baterije

Ističe se niz pozitivnih kvaliteta:

• Trajnost. Mogu trajati i do 100.000 godina.
• Sposobnost izdržavanja kritičnih temperatura.
• Njihova mala veličina omogućuje im da budu prenosivi i koriste se u kompaktnoj opremi.

Nedostaci nuklearne baterije

• Složenost proizvodnje.
• Postoji rizik od izloženosti zračenju, posebno ako je kućište oštećeno.
• Skupo. Jedna nuklearna baterija može koštati između 500.000 i 4.500.000 rubalja.
• Dostupno ograničenom krugu ljudi.
• Mali izbor.

Istraživanje i razvoj nuklearnih baterija ne provode samo velike tvrtke, već i obični studenti. Student u Tomsku, na primjer, razvio je vlastitu bateriju na nuklearni pogon koja može raditi otprilike 12 godina bez ponovnog punjenja. Izum se temelji na raspadanju tricija. Karakteristike ove baterije ostaju nepromijenjene tijekom vremena.

Nuklearna baterija za pametne telefone

Od 2019. godine proizvode se nuklearni izvori energije za telefone. Izgledaju kao što je prikazano na slici ispod.

Nalikuju mikročipu koji se uklapa u posebne utore u mobitelu. Takva baterija može trajati 20 godina, a tijekom tog vremena je ne treba puniti. To je moguće zahvaljujući procesu nuklearne fisije. Međutim, ovaj izvor energije mnogima može biti alarmantan. Uostalom, svi znaju da je zračenje štetno i pogubno za tijelo. I malo tko bi uživao u nošenju takvog telefona cijeli dan.

No znanstvenici tvrde da je ova nuklearna baterija potpuno sigurna. Kao aktivna tvar koristi se tricij. Zračenje koje se emitira tijekom njezina raspada je bezopasno. Tricij možete vidjeti u djelovanju na kvarcnom satu koji svijetli u mraku. Baterija može izdržati temperature do -50°C i pouzdano radi na temperaturama do 150°C.⁰Istovremeno, nisu zabilježene nikakve fluktuacije u njegovom radu.

Bilo bi lijepo imati takvu bateriju pri ruci, barem za punjenje telefona običnom baterijom.

Napon takve baterije varira između 0,8 i 2,4 volta. Također generira između 50 i 300 nanoampera. I sve se to događa tijekom razdoblja od 20 godina.

Kapacitet se izračunava na sljedeći način: C = 0,000001 W * 50 godina * 365 dana * 24 sata / 2 V = 219 mA

Baterija trenutno vrijedi 1.122 dolara. Preračunato u rublje po trenutnom tečaju (65,42), to bi bilo 73.400 rublja.

Gdje se koriste nuklearne baterije?

Područje primjene je praktički isto kao i kod konvencionalnih baterija. Koriste se u:

• Mikroelektronika.
• Senzori tlaka i temperature.
• Implantati.
• Kao power bankovi za litijeve baterije.
• Identifikacijski sustavi.
• Sati.
• SRAM memorija.
• Za napajanje procesora male snage, kao što su FPGA, ASIC.

Ovo nisu jedini uređaji; njihov će se popis u budućnosti znatno proširiti.

Nikal-63 nuklearna baterija i njezine karakteristike

Ovaj nuklearni izvor energije, baziran na izotopu 63, može trajati do 50 godina. Djeluje putem beta-voltaičnog efekta. Gotovo je identičan fotoelektričnom efektu. U ovom efektu, parovi elektron-šupljina u kristalnoj rešetki poluvodiča nastaju djelovanjem brzih elektrona ili beta čestica. U fotoelektričnom efektu nastaju djelovanjem fotona.

Atomska baterija od nikla-63 proizvodi se ozračivanjem meta od nikla-62 u reaktoru. Istraživač Gavrilov tvrdi da taj proces traje oko godinu dana. Potrebne mete već su dostupne u Železnogorsku.

Ako usporedimo nove ruske nikal-63 nuklearne baterije s litij-ionskim baterijama, one će biti 30 puta manje.

Stručnjaci tvrde da su ovi izvori energije sigurni za ljude jer emitiraju slabe beta zrake. Nadalje, one se ne oslobađaju izvana, već ostaju unutar uređaja.

Ovaj izvor napajanja trenutno je idealan za medicinske pacemakere. Međutim, razvojni inženjeri nisu otkrili cijenu. Međutim, može se izračunati i bez njih. Jedan gram Ni-63 trenutno košta otprilike 4000 dolara. Stoga bi potpuno funkcionalna baterija zahtijevala značajno ulaganje.

Sastav nuklearne baterije

Nikal-63 se ekstrahira iz dijamanata. Međutim, dobivanje ovog izotopa zahtijevalo je razvoj nove tehnologije za rezanje izdržljivog dijamantnog materijala.

Nuklearna baterija sastoji se od emitera i kolektora odvojenih posebnim filmom. Kako se radioaktivni element raspada, on emitira beta zračenje. To rezultira njegovim pozitivnim nabojem. Istovremeno, kolektor postaje negativno nabijen. To stvara potencijalnu razliku, generirajući električnu struju.

U osnovi, naša atomska energetska ćelija je slojevita pita. 200 nikl-63 izvora energije smješteno je između 200 dijamantnih poluvodiča. Izvor energije visok je otprilike 4 mm i težak 250 miligrama. Njegova mala veličina glavna je prednost ruske atomske baterije.

Pronalaženje pravih dimenzija je teško. Debeli izotop spriječit će bijeg elektrona koje proizvodi. Tanki izotop je nepovoljan jer smanjuje broj beta raspada po jedinici vremena. Isto vrijedi i za debljinu poluvodiča. Baterija najbolje funkcionira s debljinom izotopa od oko 2 mikrona, dok dijamantni poluvodič zahtijeva 10 mikrona.

Ali ono što su znanstvenici do sada postigli nije granica. Emisije ispušnih plinova mogle bi se povećati najmanje tri puta. To znači da bi nuklearna baterija mogla biti tri puta jeftinija.

Nuklearna baterija ugljika-14 koja traje 100 godina.

Ova atomska baterija ima sljedeće prednosti u odnosu na druge izvore energije zračenja:

1. Jeftinoća.
2. Ekološki prihvatljivo.
3. Dug vijek trajanja do 100 godina.
4. Niska toksičnost.
5. Sigurnost.
6. Sposoban za rad u ekstremnim temperaturnim uvjetima.

Radioaktivni izotop ugljik-14 ima vrijeme poluraspada od 5700 godina. Potpuno je netoksičan i jeftin.

Ne samo SAD i Rusija, već i druge zemlje aktivno rade na modernizaciji nuklearnih baterija! Istraživači su naučili uzgajati film na karbidnoj podlozi. Kao rezultat toga, cijena podloge smanjena je za faktor 100. Ova struktura je otporna na zračenje, što ovaj izvor energije čini sigurnim i izdržljivim. Korištenjem silicijevog karbida u nuklearnim baterijama moguće je postići rad na temperaturama od 350 stupnjeva Celzija.

Tako su znanstvenici uspjeli vlastitim rukama stvoriti atomsku bateriju!