Ученые отделения «Твэлы и конструкционные материалы» АО «НИИ НПО «ЛУЧ» рассказали «Ученым Росатома» историю создания уникальной технологии получения тончайшего радиоактивного бета-излучателя и источника питания на его основе. Небольшая бета-излучающая фольга сможет питать устройства микроваттного диапазона на протяжении как минимум 50 лет.
В 2017 году на выставке «Атомэкспо» на стенде «Росатома» лежала небольшая металлическая коробочка с надписью: «Источник питания 63Ni-C, 2 Вольта». Коробочка размером с аккумулятор для смартфона — лишь корпус, сам источник гораздо меньше — всего 1,5 кубических сантиметра. В его «сердце» — микроскопически тонкая фольга из радиоактивного никеля-63, готовая излучать электроны на протяжении 100 лет.
Из чего состоит ядерная батарея?
Ядерная батарея — и ни в коем случае не «батарейка»! — источник энергии, в котором энергия от радиоактивного распада радиоизотопа преобразуется в электричество. Она состоит из двух основных компонентов: самого источника радиоактивного излучения и полупроводникового преобразователя. В качестве источника, конечно, используют радиоизотопы с бета-излучением, то есть потоком электронов и позитронов.
Этой идее уже больше 100 лет. Первый радиоизотопный источник энергии создал еще в 1913 году британский физик Генри Мозли, один из основоположников рентгеновской спектроскопии. Вновь к созданию источников вернулись в 1950-х годах — использовали радиоизотопы с периодом полураспада около двух лет, но они все же оказались довольно небезопасны из-за примесей других радиоизотопов. С развитием электронной техники в начале 2000-х годов ученые вновь вернулись к этой технологии.
Почему выбор пал на никель-63?
Никель-63 — изотоп, который можно получить только искусственным путем через длительное облучение в ядерном реакторе и последующей переработкой, что делает его чрезвычайно дорогим ресурсом. Зато с ним легко работать, и он очень долгоживущий.
«С никелем-63 можно работать за простым столом, настолько у него низкая энергетика. Даже не существует детектора, способного засечь его радиоактивность. Собственно, в этом и состоит задача, ведь такой эффективный детектор можно использовать как преобразователь излучения в электрический ток»,
— объясняет ведущий инженер Алексей Шадский.
Еще одно преимущество низкой энергетики — она не разрушает полупроводник, который превращает излучение в электрический ток. В общем, смеются ученые, при такой долгоживучести источника скорее сломается питающееся от него устройство.
После выступления на «Атомэкспо» создатели ядерной батареи на никеле-63 на протяжении нескольких лет занимались поиском и тестированием подходящих материалов. Но вернемся к истории разработки.
«Нам говорили, что ничего не получится, но мы сделали»
Проект начался в 2013 году, когда занимающийся новыми материалами институт ТИСНУМ из Троицка, обратился к ученым с задачей создать источник бета-излучения под разработанный ими полупроводниковый преобразователь из алмазов. Сделать его нужно было из маленькой пробирки с раствором хлорида никеля-63: 0,7 грамма металла на три миллилитра. По словам ученых, это меньше половины спичечной головки.
«Мы рассмотрели много методов: и напыление, и гальванику, и другие варианты. Пришли к выводу, что наиболее оптимальным решением и по использованию энергии, и по затратам материала будет простая фольга»,
— рассказал главный научный сотрудник Евгений Федоров.
Толщина фольги из никеля-63 должна была составлять два микрона. Для сравнения: толщина человеческого волоса — около 80 микрон. При большей толщине сама фольга поглощает выпущенные электроны, и они не выходят на поверхность, где их может поймать преобразователь и превратить в электрический ток.
«Даже некоторые доктора наук нам говорили, что меньше 10 микрон мы получить не сможем, материал будет слишком хрупким. Но мы его получили. Мы не ошиблись в подходе, и главное, мы ничего не потеряли. По расчетам и массовым измерениям, мы перевели в фольгу как минимум 99,5% раствора. Можно считать, что потерь не было»,
— отметил главный научный сотрудник Евгений Федоров.
На что способны такие ядерные батарейки?
Такие источники питания, по словам ученых, на данном этапе могут разрабатываться только под заказчика и конкретное устройство, способное работать при таких небольших энергиях. Такие устройства и датчики существуют, но их очень мало.
«Наша работа не вовремя приостановилась. Был получен реальный результат на карбиде кремния, который можно продолжать развивать»,
— отметил Алексей Шадский.
На кристалле карбида кремния площадью в один квадратный сантиметр и толщиной 350 микрон достигнуто два вольта напряжения и 30 наноампер, что на тот момент было в несколько раз лучше, чем у аналогичных разработок США и Китая.
«Мы эту работу не бросаем. Занимаемся подготовкой предложений заказчикам. Осенью 2024 года мы выступили на научно-техническом совете корпорации, и увидели полную поддержку и заинтересованность в наших разработках. Мы предлагаем использовать такие автономные источники питания для создания энергонезависимой памяти»,
— заключил Евгений Федоров.