Atombatteriet i den moderne verden

Vitenskapen er i stadig utvikling. Et atombatteri er allerede oppfunnet. En slik energikilde kan vare i opptil 50, og noen ganger opptil 100 år. Alt avhenger av størrelsen og det radioaktive stoffet som brukes.

Rosatom var først ute med å annonsere produksjonen av et atombatteri. I 2017 presenterte selskapet en prototype på en utstilling.

Forskere har lykkes med å optimalisere lagene i et atombatteri som bruker beta-henfallet til nikkel-63-isotopen til å generere elektrisitet.

1 gram av dette stoffet inneholder 3300 milliwattimer.

Hvordan et atombatteri fungerer

Et atombatteri, også kjent som en radioisotopvarmegenerator (RIHG), er en strømkilde som bruker nedbrytningsprosessen til radioaktive isotoper til å generere varme og igjen omdanne den til elektrisk energi.

Prinsippet for et atombatteri er basert på radioaktiv nedbrytning, der atomkjernene går i oppløsning og avgir partikler og energi. Et av de vanligste materialene som brukes i atombatterier er plutonium-238, som har lang halveringstid. Plutonium-238 henfaller til uran-234 og avgir alfapartikler. Disse partiklene inneholder høy energi, som omdannes til varme når de samhandler med miljøet.

Varmeproduksjon er et viktig trinn i driften av et atombatteri. Varme overføres gjennom en varmeveksler til en termoelektrisk omformer. Denne omformeren inneholder materialer som er i stand til å generere elektrisk strøm når den utsettes for en temperaturforskjell. Dermed overføres varme fra det radioaktive nedbrytningen av plutonium-238 til den ene siden av den termoelektriske omformeren, noe som skaper en temperaturforskjell mellom de to sidene. Denne temperaturforskjellen muliggjør generering av elektrisk energi ved hjelp av Seebeck-termoelektriske effekten.

Den elektriske energien som genereres av en termoelektrisk omformer brukes til å drive elektriske apparater. Hovedfordelen med atombatterier er at de gir en stabil og langvarig energikilde som ikke krever utskifting eller lading på mange år. På grunn av bruken av radioaktive materialer medfører imidlertid atombatterier visse risikoer og krever spesielle sikkerhetsforanstaltninger under bruk og håndtering.

 

Er atombatterier farlige?

Utviklerne hevder at disse batteriene er helt trygge for vanlige folk. Dette er fordi huset er godt designet.

Betastråling er kjent for å være skadelig for kroppen. Men i det nyopprettede atombatteriet er den myk og vil bli absorbert i energicellen.

For tiden identifiserer eksperter flere bransjer der det russiske atombatteriet A123 er planlagt brukt:

1. Medisin.
2. Romfartsindustrien.
3. Industri.
4. Transportere.

Foruten disse områdene kan nye langtidsvirkende energikilder også brukes i andre.

Fordeler med et atombatteri

En rekke positive egenskaper fremheves:

• Holdbarhet. De kan vare i opptil 100 000 år.
• Evne til å motstå kritiske temperaturer.
• Den lille størrelsen gjør at de kan gjøres bærbare og brukes i kompakt utstyr.

Ulemper med et atombatteri

• Produksjonens kompleksitet.
• Det er risiko for strålingseksponering, spesielt hvis huset er skadet.
• Dyrt. Et enkelt atombatteri kan koste mellom 500 000 og 4 500 000 rubler.
• Tilgjengelig for en begrenset krets av mennesker.
• Lite utvalg.

Forskning og utvikling av atombatterier drives ikke bare av store selskaper, men også av vanlige studenter. En student i Tomsk har for eksempel utviklet sitt eget atomdrevne batteri som kan fungere i omtrent 12 år uten opplading. Oppfinnelsen er basert på nedbrytning av tritium. Dette batteriets egenskaper forblir uendret over tid.

Atombatteri for smarttelefoner

Fra og med 2019 produseres det kjernekraftkilder for telefoner. De ser ut som den som er vist på bildet nedenfor.

De ligner en mikrochip som passer inn i spesielle spor i en mobiltelefon. Et slikt batteri kan vare i 20 år, og det trenger ikke å lades i løpet av den tiden. Dette er mulig takket være prosessen med kjernefysisk fisjon. Denne energikilden kan imidlertid være alarmerende for mange. Tross alt vet alle at stråling er skadelig og skadelig for kroppen. Og få mennesker ville like å bære rundt på en slik telefon hele dagen.

Men forskere hevder at dette atombatteriet er helt trygt. Tritium brukes som aktivt stoff. Strålingen som sendes ut under nedbrytningen er ufarlig. Du kan se tritium i aksjon på en selvlysende kvartsklokke. Batteriet tåler temperaturer så lave som -50 °C og fungerer pålitelig ved temperaturer så høye som 150 °C.⁰Samtidig ble det ikke registrert noen svingninger i arbeidet.

Det hadde vært fint å ha et slikt batteri for hånden, i det minste for å lade telefonen med et vanlig batteri.

Spenningen til et slikt batteri svinger mellom 0,8 og 2,4 volt. Det genererer også mellom 50 og 300 nanoampere. Og alt dette skjer over en periode på 20 år.

Kapasiteten beregnes slik: C = 0,000001W * 50 år * 365 dager * 24 timer / 2V = 219mA

Batteriet er for tiden verdt 1122 dollar. Omregnet til rubler med dagens valutakurs (65,42) ville det være 73 400 rubler.

Hvor brukes atombatterier?

Bruksområdet er praktisk talt det samme som for konvensjonelle batterier. De brukes i:

• Mikroelektronikk.
• Trykk- og temperatursensorer.
• Implantater.
• Som powerbanker for litiumbatterier.
• Identifikasjonssystemer.
• Timer.
• SRAM-minne.
• For å drive prosessorer med lavt strømforbruk, som FPGA og ASIC.

Dette er ikke de eneste enhetene; listen over dem vil utvides betydelig i fremtiden.

Nikkel-63 kjernebatteri og dets egenskaper

Denne kjernekraftkilden, basert på 63-isotopen, kan vare i opptil 50 år. Den opererer gjennom den betavoltaiske effekten. Den er nesten identisk med den fotoelektriske effekten. I denne effekten dannes elektron-hull-par i halvlederkrystallgitteret ved hjelp av raske elektroner eller betapartikler. I den fotoelektriske effekten dannes de ved hjelp av fotoner.

Et nikkel-63 atombatteri produseres ved å bestråle nikkel-62-mål i en reaktor. Forsker Gavrilov hevder at denne prosessen tar omtrent et år. De nødvendige målene er allerede tilgjengelige i Zheleznogorsk.

Hvis vi sammenligner de nye russiske nikkel-63-atombatteriene med litiumionbatterier, vil de være 30 ganger mindre.

Eksperter hevder at disse energikildene er trygge for mennesker fordi de sender ut svake betastråler. Dessuten slippes de ikke ut eksternt, men forblir inne i enheten.

Denne strømkilden er for tiden ideell for medisinske pacemakere. Utviklerne har imidlertid ikke opplyst om kostnaden. Den kan imidlertid beregnes uten dem. Ett gram Ni-63 koster for tiden omtrent 4000 dollar. Derfor ville et fullt funksjonelt batteri kreve en betydelig investering.

Sammensetningen av et atombatteri

Nikkel-63 utvinnes fra diamanter. For å få tak i denne isotopen måtte man imidlertid utvikle en ny teknologi for å skjære det slitesterke diamantmaterialet.

Et atombatteri består av en emitter og en kollektor som er atskilt av en spesiell film. Når det radioaktive elementet henfaller, sender det ut betastråling. Dette resulterer i en positiv ladning. Samtidig blir kollektoren negativt ladet. Dette skaper en potensialforskjell som genererer en elektrisk strøm.

I hovedsak er atomkraftcellen vår en lagdelt kake. 200 nikkel-63-strømkilder er klemt mellom 200 diamanthalvledere. Strømkilden er omtrent 4 mm høy og veier 250 milligram. Den lille størrelsen er en stor fordel for det russiske atombatteriet.

Det er vanskelig å finne de riktige dimensjonene. En tykk isotop vil hindre elektronene den produserer i å slippe ut. En tynn isotop er en ulempe, da den reduserer antall beta-henfall per tidsenhet. Det samme gjelder tykkelsen på halvlederen. Batteriet yter best med en isotoptykkelse på omtrent 2 mikron, mens en diamanthalvleder krever 10 mikron.

Men det forskere har oppnådd så langt er ikke grensen. Eksosutslippene kan økes med minst tre ganger. Dette betyr at et atombatteri kan bli tre ganger billigere.

Et karbon-14-atombatteri som varer i 100 år.

Dette atombatteriet har følgende fordeler i forhold til andre strålingskilder:

1. Billighet.
2. Miljøvennlig.
3. Lang levetid på opptil 100 år.
4. Lav toksisitet.
5. Sikkerhet.
6. I stand til å operere under ekstreme temperaturforhold.

Den radioaktive isotopen karbon-14 har en halveringstid på 5700 år. Den er fullstendig giftfri og billig.

Ikke bare USA og Russland, men også andre land jobber aktivt med å modernisere atombatterier! Forskere har lært å dyrke film på et karbidsubstrat. Som et resultat har substratets kostnad blitt redusert med en faktor på 100. Denne strukturen er motstandsdyktig mot stråling, noe som gjør denne energikilden trygg og holdbar. Ved å bruke silisiumkarbid i atombatterier er det mulig å oppnå drift ved temperaturer på 350 grader Celsius.

Dermed klarte forskere å lage et atombatteri med egne hender!