Батарейки, работающие на энергии ядерного распада, не нуждаются в подзарядке. Они полностью автономны, способны функционировать много лет подряд и в теории могут применяться даже в быту. Но пока такой сценарий далёк от реальности — и дело вовсе не в страхах по поводу радиации.
Представьте себе батарейку, которая может работать годами. Её не нужно заряжать, она ничего не выделяет в окружающую среду и способна выдержать сильнейшие нагрузки без повреждений. Звучит как сказка, но такая технология существует. Речь идёт о ядерных батарейках, которые известны науке с 60-х годов.
Такие батарейки не найти в магазине. Их разрабатывают для долговременного питания важных технологических комплексов. Они стоят дорого, но зато крайне надёжны: их можно использовать даже на космических станциях. Разберёмся в этой технологии вместе с Сергеем Леготиным, доцентом кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ «МИСиС».
Что такое ядерная батарейка
Ядерная батарейка — устройство, которое использует энергию распада радиоактивного изотопа, чтобы вырабатывать электроэнергию. Излучение внутри батарейки «ловят» с помощью специальных элементов, чаще всего полупроводниковых. А они превращают ядерное излучение в электричество.
Структуру, состоящую из изотопа и полупроводников, помещают внутрь специального защищённого корпуса. Он спроектирован таким образом, чтобы радиация не выходила наружу, а сама батарейка могла пережить ударные нагрузки, перепады температур и давления. Получается надёжная и практически автономная конструкция, изолированная от окружающей среды.
Ядерные батарейки не нуждаются в подзарядке и могут работать в течение многих лет. В теории — пока не достигнут периода полураспада изотопа, который в них находится. На практике ещё нужно учитывать деградацию других элементов, например полупроводников.
Какими бывают ядерные батарейки и как они работают
Источники энергии на основе изотопов можно разделить на две категории: тепловые и нетепловые. Всё зависит от того, каким образом из энергии ядерного распада получают электричество.
РИТЭГ: что было до ядерных батареек. Классическим тепловым преобразователем был РИТЭГ — радиоизотопный термоэлектрический генератор. Такие устройства использовали в космосе, в тех местах, где невозможно применять солнечные батареи. Например, на космических кораблях, которые отходят далеко от Солнца.
Именно РИТЭГ показан в фильме «Марсианин». Внутри устройства — радиоактивный изотоп, который распадается естественным путём и при этом выделяет тепло. Специальные элементы преобразуют это тепло в электричество.
РИТЭГ — хорошо изученная технология, но не слишком эффективная. При таком способе преобразования теряется много энергии. Коэффициент полезного действия даже в усовершенствованных генераторах составляет всего 26% — это значит, что больше 70% энергии изотопа уходит в никуда. А в классических РИТЭГ коэффициент и того ниже — около 7%. К тому же термические преобразователи громоздкие и хрупкие, пользоваться ими не очень удобно. Нужна была более совершенная технология.
Электронно-вольтаический эффект и сэндвич-структура. В 50-х учёные выяснили, что бета-излучение радиоактивных изотопов может генерировать электрический ток, если проходит через полупроводники. На основе этого эффекта начали создавать генераторы.
С помощью таких «сэндвичей» стало можно создавать источники питания, которые вырабатывали бы энергию в течение многих лет без подзарядки. Но у таких батареек тоже были свои минусы: бета-вольтаические элементы дают довольно слабый электрический ток. Поэтому батарейка может питать только маломощные элементы, а для питания чего-то более мощного нужен целый кластер из множества бета-вольтаических элементов.
Со временем полупроводниковые технологии совершенствовались. Стало возможно создавать структуры с улучшенным качеством преобразования энергии изотопа в ток. Многие современные ядерные батарейки тоже пользуются бета-вольтаическими элементами.
Термофотовольтаика и светящиеся капсулы. Ещё одна технология — создавать батарейки на основе альфа-излучения, за счёт принципа, который называется термофотовольтаическим.
Изотоп, испускающий альфа-частицы, — чаще всего это плутоний — погружается в специальную капсулу с напылением. Стенки капсулы под воздействием радиации нагреваются до температуры в 1500 градусов по Кельвину. Капсула становится настолько горячей, что её стенки светятся. Этот свет улавливают фотоэлементы, расположенные вокруг капсулы, и преобразуют в электричество. Похоже на солнечные батареи, но вместо Солнца светится капсула с изотопом.
Такая батарейка — тепловая, как РИТЭГ, но намного более эффективная. Даже на стадии прототипа её КПД в два с половиной раза выше, чем у РИТЭГ. А ещё плутоний даёт намного большие мощности: одна батарейка может выдавать несколько сотен ватт.
Хотя есть и свои сложности. Альфа-излучение довольно интенсивное и чаще всего сопровождается гамма-излучением. Под его воздействием понемногу разрушаются узлы батарейки: провода, преобразователи энергии и другие комплектующие. Со временем их понадобится заменять. Например, в плутониевых батарейках оборудование способно «прожить» около 20 лет, хотя период полураспада самого изотопа куда больше — 87 лет. К тому же преобразование тут двойное: тепло превращается в свет, а потом в электричество, и по пути часть энергии теряется.
Существуют и другие способы преобразовывать альфа-излучение в электрический ток: нестандартные конструкции батареек, использование неравномерной эмиссии электронов. Но таких разработок меньше, и продвигаются они медленно из-за дороговизны комплектующих.
По какой технологии создают ядерные батарейки
Технологический процесс делится на несколько этапов. В зависимости от вида батарейки этапы могут различаться — для примера покажем процесс на основе современных тритиевых батареек с сэндвич-структурой.
- Подготавливают радиоактивные изотопы. Изотопы не берутся из ниоткуда, их получают с помощью долгих и сложных реакций обогащения в специальных центрифугах. Процесс создания изотопа может занимать несколько лет. Чаще всего производители ядерных батареек не готовят изотопы самостоятельно, а закупают — в России их подготовкой занимаются предприятия «Росатома».
- Разрабатывают полупроводниковый элемент. Для создания полупроводников могут использовать кремний, арсенид галлия, германий и другие элементы — тут всё зависит от потребностей. Фактически производитель батарейки создаёт полупроводниковый диод на основе нужного материала.
- Запускают в конструкцию изотоп. Тритий — это газ, который закачивают внутрь рабочей камеры. Там он вступает в реакцию со специальной подложкой и начинает излучать бета-частицы. Твёрдые элементы вроде никеля-63 наносят на полупроводник с помощью напыления или приклеивают в виде фольги, хотя это менее эффективно. Потом из батарейки откачивают воздух, чтобы частицы не сталкивались и полезное излучение не уходило в никуда.
- Помещают батарейку в защитный корпус. Одна пара «изотоп — полупроводник» даёт довольно низкую энергию. Поэтому, чтобы достигнуть нужной мощности, обычно в батарейке размещают несколько десятков или даже сотен таких пар. Потом конструкция помещается в герметичный защитный корпус, который не выпускает наружу радиационное излучение и защищает саму батарейку от внешних воздействий.
Чем больше пар «изотоп — полупроводник» в батарейке, тем крупнее она в итоге оказывается. Маленькие батарейки, работающие со слабыми токами, могут помещаться, например, в кардиостимулятор — такой проект действительно существовал в США. А вот чтобы собрать батарейку, способную питать условный компьютер, уже нужна конструкция весом как минимум в несколько килограммов.
Если используемый изотоп более мощный и выдаёт больше энергии, с ним можно сделать более компактную батарейку. Скажем, элементы питания для тех же кардиостимуляторов делались на основе более активного плутония и потому занимали очень мало места. Но и защита у мощных изотопов должна быть сложнее, а ещё интенсивное излучение изнашивает элементы батарейки.
А это надёжно?
Защитный корпус батарейки проектируют с учётом условий эксплуатации. А ещё учитывают, какой именно изотоп используется внутри. Например, тритий даёт довольно слабое излучение, поэтому делать огромный корпус с толстыми стенками для него не нужно. А вот для плутония нужна куда более серьёзная защита: его рекомендуют применять только там, где минимален риск потенциальной аварии.
Корпус разрабатывают так, чтобы он мог выдерживать большие нагрузки: перепады давления вплоть до полного вакуума, повышенные и пониженные температуры, удары и катаклизмы. Ведь существующие сейчас прототипы собираются использовать в довольно суровых условиях. Даже если с источником питания что-то случится — контур закрытый, и радиация не выйдет наружу.
А ещё современные батарейки оснащают системами контроля обстановки, в том числе мониторингом радиационного фона и геолокацией. Так можно следить за работой устройства, даже если оно находится в космосе или на дне океана.
Для чего нужны такие батарейки
Ядерные батарейки способны бесперебойно питать элементы годами, пока не достигнут периода полураспада радиоактивного изотопа. Для трития это 12 лет, а для никеля-63 — около 100. И даже после этого батарейка не перестанет работать совсем, просто её мощность упадёт вдвое. На протяжении всего срока службы её не надо подзаряжать или заменять источники питания, она полностью автономна.
Поэтому ядерные батарейки можно использовать для питания критичных узлов. Например, на космических или арктических станциях.
Обычно ядерные батарейки применяют как дополнительный источник питания вместе с химическими и солнечными батареями. Дело в том, что в производстве ядерная батарейка очень дорогая — использовать её как основной источник электричества невыгодно, хотя характеристики это позволяют.
Впрочем, свою сферу применения такие элементы питания всё-таки находят. Сейчас привлекают финансирование для создания малых серий тритиевых батареек, которые отправят в космос для питания важных технологических узлов. А плутониевые термофотовольтаические батарейки от НИЯУ «МИФИ» планируют пустить в производство в ближайшие три года — и использовать на объектах вдоль Северного морского пути, к примеру на маяках или метеостанциях.
А в магазинах они появятся?
К сожалению, вряд ли. Главная проблема с ядерными батарейками — стоимость. Любые радиоактивные изотопы очень дорогие. Чтобы обогатить вещество и создать из него подходящее сырьё для батарейки, нужно годами держать его в центрифуге и постоянно питать оборудование, это требует больших вложений. В итоге себестоимость изотопов выходит огромной, а конечная цена одной батарейки может достигать миллионов рублей.
Поэтому сейчас ядерные батарейки производят только по индивидуальному заказу, и позволить их себе могут исключительно огромные корпорации. И то — только для самых важных узлов и элементов и в крайне небольших количествах.
Может быть, когда-нибудь люди найдут способ обогащать вещества с меньшими усилиями — и тогда сырьё для батареек станет доступнее, а в нашей жизни появятся чистые и безопасные источники электроэнергии.
