Атомная батарейка в современном мире. Ядерная энергия в миниатюре Росатом представил компактную атомную батарею
Никель-63 является очень удобной основой для миниатюрных, но в то же время безопасных и не требующих обслуживания бета-вольтаических источников питания со сроком службы не менее 50 лет и высокой удельной мощностью. Они могут использоваться в разных областях, в том числе в космонавтике и медицине, а также в различных экстремальных условиях и труднодоступных районах.
ПО ТЕМЕ
По словам участника проекта, заместителя начальника лаборатории "Луча" Александра Павкина, макет компактного источника питания на основе никеля-63 – это результат завершенной научно-исследовательской работы, выполненной в инициативном порядке. "В данном случае мы получили мощность источника порядка одного микроватта – она уже достаточна для обеспечения, например, работы кардиостимулятора", – подчеркнул он.
Стоит отметить, что в природе никеля-63 не существует. Его получают искусственным путем посредством облучения нейтронами природного изотопа никель-62 в ядерном реакторе. В дальнейшем полученный материал подвергается радиохимической переработке и разделению на газовых центрифугах.
В основе работы представленного источника используется никель с уровнем обогащения 20% по никелю-63, заявил Александр Павкин. Однако если использовать никель большего обогащения, добавил он, то можно повысить мощность и в то же время уменьшить размеры устройства. "Никель-63 – это так называемый "мягкий" бета-излучатель. В данном случае нет нейтронного, ни гамма-излучения. А электроны бета-излучения полностью поглощаются преобразователем, поэтому, скажем, в случае применения источника для работы кардиостимулятора они даже не будут достигать поверхности кожи", – сказал замначальника лаборатории "Луч".
Напомним, ранее Росатом начал реализацию масштабного проекта на юге России. Речь идет о строительстве ветропарков в Адыгее и Краснодарском крае. Общий объем финансирования на ближайшие 10 лет превышает 63 миллиарда рублей.
Соглашение о строительстве первого в Адыгее ветропарка мощностью 150 мегаватт было достигнуто в прошлом году на Международном инвестиционном форуме в Сочи. Реализация проекта позволит снизить дефицит энергосистемы республики примерно на треть.
Ветропарк или ветряная электростанция – это несколько ветрогенераторов, собранных в одном или нескольких местах и объединенных в единую сеть. Крупные ветряные электростанции могут состоять из 100 и более ветрогенераторов, которые позволяют использовать экономически эффективно энергию даже самых слабых ветров – от 4 метров в секунду.
Источник питания может использоваться также в медицине
Росатом презентовал на IX форуме «Атомэкспо-2017» одну из последних разработок - ядерную батарейку на основе радиокативного изотопа никель-63. Уникальный источник питания может использоваться в медицине и космосе, позволяя сэкономить миллионы долларов на оборудовании. При этом выставочный макет имеет миниатюрные размеры - всего 1 куб сантиметр, а срок его службы составляет минимум 50 лет.
«Простыми словами, это ядерная батарейка, а если говорить научным языком - это источник бета-излучения, который состоит из бета-вольтарического элемента и полупроводникового преобразователя на основе алмаза. Никеля-63 в природе не существует, его получают путем облучения нейтронами природного изотопа никель-62 в ядерном реакторе с дальнейшей радиохимической переработкой и разделением на газовых центрифугах», - рассказал в беседе с «МК» заместитель начальника лаборатории НИИ НПО «Луч», предприятия научного дивизиона «Росатома» Александр Павкин. Он отметил, что свойства никеля-63 делают батарейку очень удобным, компактным, а главное безопасным элементом питания с удельной мощностью в 1 микроватт и напряжением 2 Вольт. Безопасность такого источника питания специалист объяснил тем, что никель-63 считается «мягким» бета-излучателем, поскольку в его случае нет ни нейтронного, ни гамма-излучения, а электроны бета-излучения полностью поглощаются преобразователем и полностью безвредны для человека.
При этом мощность батарейки можно увеличивать или уменьшать исходя из потребностей: чем больше габариты, чем больше мощность. По словам Павкина, мощности в 1 микроватт достаточно для использования батарейки в кардиостимуляторе или нейростимуляторе. Специалист также добавил, что помимо медицины такие источники питания могут применяться в космонавтике, а также как элемент питания в труднодоступных районах и экстремальных условиях.
Стоимость такой чудо-батарейки подсчитать пока сложно: все зависит от требований заказчика к ее мощности. Но в любом случае, использование такого элемента окупит его закупочную стоимость очень быстро. «Для сравнения: чтобы отправить в космос 1 кг проводов нужен $1 млн, если мы заменим их на беспроводной источник питания выгода очевидна», - подчеркнул представитель «Росатома».
Разработка выполнена совместно НИИ «Луч», базирующимся в Подольске, совместно с Технологическим институтом сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ, Троицк). В настоящее время батарейка является опытным образцом, однако «Росатом» уже ведет подготовку к запуску устройства в серийное производство. Как отметил Александр Павкин, интерес к разработке проявили многие компании и потенциальные инвесторы, ознакомившиеся с образцом на выставке. «Росатом» планирует выходить со своим изобретением на внутренний и внешний рынки. Представители госкорпорации отмечают, что благодаря инновационным свойствам цена на новинку будет очень конкурентноспособной и позволит завоевать популярность не только в России, но и на Западе.
Как отмечают ученые и специалисты, использование источников питания на основе никеля-63 создаст предпосылки для технологического прорыва во многих областях. В промышленности такие элементы могут использоваться в датчиках контроля состояния зданий, трубопроводов, они пригодятся для обеспечения работы электротехнического оборудования, в том числе для проектов по освоению Арктики, для обеспечения работы космической техники и робототехники. Серийное производство новых источников позволит создать новую линейку устройств в микроэлектронике, в частности, автономные микропроцессорные цифровые устройства со встроенным источником питания. При этом Россия выступает новатором в производства высокообогащенного никеля-63: ни в какой другой стране его не используют.
Наконец на нашей аккумуляторной поляне засветился Росатом, показав на форуме «Атомэкспо-2017» ядерную батарейку со сроком службы не менее 50 лет. Пользуясь этим знаменательным поводом, рассмотрим перспективы использования мирного атома для мобильных устройств.
Атомный (ядерный) аккумулятор - это все-таки батарейка, а не аккумулятор, так как - это по определению одноразовый источник электрического тока, без возможности перезаряда. Несмотря на это, воображение публики активно будоражит перспектива использования атомных аккумуляторов в мобильных устройствах. Но обо всем по порядку.
Что именно представил Росатом на форуме? Генеральный директор ФГУП «НИИ НПО Луч», Павел Зайцев заявил, что представленный источник, работающий на изотопе Ni63, способен в течение 50 лет выдавать 1mkW с напряжением 2V. Павел Зайцев вполне откровенно говорит про скромные вольт-амперные характеристики, делая основной упор на длительный срок службы. Наверно, исключительно из личной скромности, Генеральный директор ФГУП «НИИ НПО Луч» указал в технических характеристиках только мощность, а не общепринятую ёмкость. Но мы не будем придавать этому большое значение и просто рассчитаем ёмкость:
C = 0,000001W * 50 лет * 365 дней * 24 часа / 2V = 219mA
Получается, что ёмкость ядерной батарейки, размером с небольшой универсальный аккумулятор , всего лишь как у литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора для блютуз наушников! Павел Зайцев предполагает использование своей ядерной батарейки в кардиологии, что вызывает большие сомнения при столь огромных размерах. Возможно эта ядерная батарея может рассматриваться как некий прототип получения электричества из изотопов, но Росатому потребуется уменьшить батарею в тысячи раз, чтобы соответствовать современным электрокардиостимуляторам.
Совсем не порадовала стоимость ядерного аккумулятора - директор государственного унитарного предприятия объявил цену изотопа никеля в долларах (!) 4000USD/грамм. Означает ли это, что основной компонент будет приобретаться за границей России? А сколько грамм необходимо на изготовление одного аккумулятора? Одновременно с этим было замечено, что потребуются также алмазные элементы (также не ясно сколько?), но стоимость которых (уже в рублях) колеблется от 10 000 до 100 000 рублей за штуку. Какова же будет полная стоимость такой батарейки? Электрокардиостимуляторы в России устанавливаются по полису ОМС бесплатно в экстренных случаях или при наличии квоты. При недостаточности квоты и за электрокардиостимуляторы иностранного производства больным приходится оплачивать самостоятельно. Будут ли ядерные батареи устанавливаться за счет бюджета ОМС или пожилые люди должны будут приобретать их отдельно? Если бы руководство Росатома впомнило, что российские пенсионеры живут в режиме "день простоять и ночь продержаться", то, наверно, осознало бы тот нелепый диссонанс между космическим сроком службы и стоимостью. Это наталкивает на мысль, что уважаемый Павел Зайцев активно осваивает средства, выделенные на НИОКР, ничуть не задумываясь о конечных пользователях. Аналогичную оценку "изобретения" Росатома дают пользователи социальных сетей:
Едва ли ее где-нибудь получится использовать. Я более чем уверен, что бюджет как всегда освоили, часть его потратили на презентацию, а само изделие никто никогда не увидит:)
Заявленный срок службы (50 лет), как мы догадались - это как раз половина периода полураспада Ni 63 (100лет). Такую же логику используют ученые Бристольского университета в концептуальном ролике. В отличие от батарейки Росатома, бристольская атомная батарейка использует изотоп C 14 и может работать 5730 лет! В Бристольском университете правда забыли поделить на 2, но и 2865 лет слишком много для кардиостимулятора. Уникальность бристольской концепции заключается в том, что проблема ядерных отходов решается путем переработки их в ядерные батарейки .
Если внимательно прослушать и перевести текст этого ролика, то открывается гораздо больше интересной информации. Сначала подробно рассказывается о происхождении изотопа С 14
С 1940 Англия сделала много ядерных реакторов научного, военного и гражданского назначения. Все эти реакторы используют уран как топливо, а внутри реактор сделан из графитовых блоков. Эти графитовые блоки используются в процессе ядерного расщепления, позволяя контролировать цепную реакцию, которая даёт постоянный источник тепла. Это тепло потом используется, чтобы превратить воду в пар, которое потом крутит турбины, чтобы сделать электричество. Ядерные электростанции производят ядерные отходы, которые необходимо безопасно утилизировать. Надо просто подождать, чтобы эти отходы перестали быть радиоактивными. К сожалению, это занимает тысячи и миллионы лет. Это также требует очень много денег, чтобы контролировать безопасность в течение этих многих лет. Так как мы используем графитовые реакторы, Англия создала 95000 тон графитовых блоков содержащих радиацию. Этот графит только один из форм углерода, простой и стабильный элемент, но если положить эти блоки в высоко радиоактивное место, то тогда часть углерода превращается в углерод 14 . Углерод 14 может превратиться обратно в обычный углерод 12 когда её дополнительная энергия уйдет. Но это очень долгий процесс потому что период полураспада углерода 14 составляет 5730 лет.
Недавно ученные из университета Bristol"s Cabot Institute продемонстрировали, что углерод 14 концентрируется в блоках радиацией снаружи. Это значит, что возможно убрать большинство радиации нагревая их - большинство радиации выходит как газ, который потом может быть собран. Оставшиеся графитовые блоки все-равно радиоактивны, но не так сильно, это значит, что утилизировать их будет проще и дешевле. Радиоактивный углерод 14 в форме газа, может быт переделан при низких давлениях и высоких температурах в алмаз - это еще одна форма углерода. Искусственные алмазы, сделанные из радиоактивного углерода, излучают поток бета-излучения, которое может создать электрический ток. Это дает нам ядерную энергию алмазной батареи. Чтобы она была безопасной для нашего использования она покрывается слоем не радиоактивного алмаза, который полностью поглощает всю радиацию и превращает её в электричество почти на 100%. Там нет движущейся частей, ее не надо обслуживать, алмаз просто производит электричество. Так как алмаз самое твердое вещество на свете, то ни какое другое вещество не может дать такую защиту для радиоактивного углерода 14 . Поэтому снаружи можно обнаружить очень маленькое количество радиации. Но это почти то же самое количество радиации, сколько выделяет банан, так что оно совсем безопасно. Как мы уже сказали только половина углерода 14 распадается через каждый 5730 лет, это значит что наша батарея-бриллиант имеет удивительное время жизни - она разрядится на 50% только в 7746 году. Эти бриллиантовые батареи будут лучше всего использованы там, где нельзя менять обычные батарей. Например в спутниках для космических исследований или для имплантированных устройств, таких как кардиостимуляторы.
Мы просим всех отправлять свои предложения на #diamondbattery. Разработка этой новой технологии решила бы много проблем, например: ядерного мусора, чистого электричества и увеличения срока службы батарей. Это перенесет нас в "бриллиантовый век" производства энергии.
Очень красивая концепция ученых из Бристоля 2016 года и очень скромная коробочка Росатома возможно (?) когда-нибудь будут доработаны до алмазных электростанций, но никак не ядерных батареек для мобильных устройств. Сложно будет уговорить людей ходить с Фукусимой в кармане, даже если за это начнут доплачивать.
Использование атома в мирных целях - это один из спорных вопросов современности, если учесть, что энергетика - это наиболее монополизированная отрасль экономики, когда в цене KW электроэнергии более 90% составляют налоги и сборы. Эффективность мирного атома вызывают сомнения, так как в цену условно дешевой атомной энергии не включается стоимость техногенных последствий. Поэтому некоторые страны, в том числе Германия и Япония приняли решение полностью отказаться от использования атома в энергетике. Ведь развивая возобновляемые источники энергии, можно не только полностью отказаться от атомной энергии, но и создать высокотехнологическую отрасль с миллионами высококвалифицированных рабочих мест.
Подводя итог, мы, скорее всего, имеем очередную технодурилку типа "Супераккумулятор ", а не прорывное "изобретение" бриллиантового века. Другими словами, применять мирный атом в микроэнергетике - это что свинью брить - визгу много, а шерсти мало!
На предприятии госкорпорации «Росатом» «Горно-химический комбинат» (ГХК, Железногорск, Красноярский край) завершилось преобразование (конверсия) газа, обогащенного по целевому изотопу никель-63 (Ni-63), в форму, пригодную для нанесения на полупроводниковый преобразователь для получения опытного образца источника энергии. Об этом РИА Новости сообщил представитель пресс-службы предприятия.
В настоящий момент ожидается поставка соответствующих комплектующих для нанесения Ni-63 и окончательной сборки опытного образца «ядерной батарейки».
В основе принципа работы бета-вольтаических источников электроэнергии лежит превращение энергии радиоактивного бета-распада в электричество с помощью полупроводникового преобразователя. Свойства никеля-63 делают его очень удобной основой миниатюрных, безопасных и не требующих обслуживания бета-вольтаических источников питания с длительным (не менее 50 лет) сроком службы и высокой, до 100 микроватт на кубический сантиметр, удельной мощностью. Такие источники питания можно использовать в труднодоступных районах и в экстремальных условиях. С точки зрения безопасности для потребителей преимущество никеля-63 заключается в том, что это так называемый «мягкий» бета-излучатель, поэтому излучение полностью экранируется корпусом элемента питания.
Элементы питания на основе Никеля-63. Фото: YouTube
Никеля-63 в природе не существует, поэтому его получают путем облучения нейтронами природного изотопа никель-62 в ядерном реакторе с дальнейшей радиохимической переработкой и разделением на газовых центрифугах.
«Горно-химический комбинат» выступает системным интегратором проекта. ГХК организовал работы по двум направлениям: получение высокообогащенного изотопа Ni-63 и создание специальной структуры полупроводникового преобразователя. В проекте задействованы предприятия Росатома, обладающие уникальными компетенциями. В частности, за обогащение никеля по изотопу Ni-63 отвечает «Электрохимический завод» (Зеленогорск, Красноярский край, входит в топливную компанию Росатома ТВЭЛ). Завершающий этап, сборка опытного образца источника питания, пройдёт на ГХК.
Как отметил представитель пресс-службы ГХК, в основе конструкции полупроводникового преобразователя лежит новый дизайн, который качественно повышает эффективность всех компонентов. По мнению специалистов, источники питания на основе высокообогащенного Ni-63 и с новым дизайном преобразователя создают прорывную платформу для проектирования устройств новых поколений в области кибернетики и искусственного интеллекта. Это новый тип приборов, который станет базой для новой архитектуры электронных устройств.