С 1930-х годов ученые серьезно изучают возможности создания миниатюрных ядерных батарей, но их широкомасштабное производство остается сложной задачей. По словам исследователей, мощность этих систем обычно составляет порядка нановатта или микроватта. Несмотря на это, миниатюрные ядерные батареи находят применение в различных областях. Они ценны в космических технологиях, особенно для дальних миссий, где обычные источники энергии использовать сложно. Они также используются в медицине для определенных типов имплантатов.
Одним из основных преимуществ этих устройств является их долговечность, часто продолжающаяся несколько десятилетий. Это время зависит от природы используемого радиоизотопа, период полураспада некоторых из которых составляет несколько тысяч лет. Кроме того, на их работу не влияют такие факторы окружающей среды, как температура, давление и магнитные поля, что делает микроядерную батарею долговечным и надежным источником питания в тех случаях, когда обычные батареи оказываются непрактичными или их сложно заменить.
Поэтому не удивительно, что миниатюрная ядерная батарея, которую никогда не нужно заряжать и которая разряжается только после десятилетия использования, приковывает к себе внимание многих исследователей в разных странах мира. Эти устройства, вырабатывающие электричество за счет распада радиоактивных материалов, сильно отличающиеся от традиционных батарей, которые мы используем в повседневной жизни, стали предметом исследований на протяжении последних десятилетий.
Эти причины побуждают многих ученых активизировать свои усилия по более эффективному использованию такой формы накопления энергии. В Советском Союзе, а затем в России, США и ряде стран Европы уже давно ведутся работы по созданию микроядерных батарей, однако созданные радиоизотопные генераторы пока остаются дорогостоящими и громоздкими.
Весьма активно в последние годы указанное направление исследований развивается в Китае, где, в частности, 14-ый пятилетний план определил направления укрепления экономики страны в период с 2021 по 2025 год, выделив в том числе работы по разработке микроядерных батарей. Как свидетельствуют сообщения китайских и иностранных СМИ, отдельные успехи в этом плане китайским ученым уже удалось достичь: китайский стартап Betavolt в начале этого года объявил о создании им батареи с радиоактивными изотопами, способной генерировать электроэнергию в течение 50 лет.
Недавно в СМИ появилось новое сообщение, что еще одна группа китайских исследователей разработала ядерную батарею нового типа, вырабатывающую электричество в результате радиоактивного распада америция. Результаты этого исследования опубликованы на днях в журнале Nature. В частности, сообщается, что ученые из Университета Шучоу разработали новый тип ядерной батареи, гораздо более эффективный, чем его предшественники.
В основе этой новой батареи лежит америций-243 (Ам-243), высокорадиоактивный металл, образующийся в результате ядерных реакций в реакторах, который обычно считается ядерными отходами. Ам-243 испускает альфа-частицы, которые благодаря своей относительно значительной массе несут большое количество энергии. Однако эта энергия, которую исследователи пытаются использовать, очень быстро рассеивается в природе. Поэтому команда китайских исследователей интегрировала америций в полимерный кристалл. Этот материал поглощает энергию, излучаемую частицами, и преобразует ее в свет в виде зеленого свечения. Затем этот свет направляется на тонкую фотоэлектрическую ячейку для преобразования в электричество. Вся сборка заключена в кварцевую ячейку размером миллиметр на миллиметр.
Однако, это достижение выявило серьезную проблему для исследователей. Это связано с тем, что в других типах батарей, предназначенных для использования альфа-частиц, самопоглощение усложняет конструкцию устройства. Это явление, при котором энергия, излучаемая радиоизотопом, поглощается самим материалом в элементе без возможности преобразования в электричество.
Новая ядерная батарея ученых из Университета Шучоу была испытана в течение 200 часов. По мнению исследователей, она вырабатывала стабильную энергию на протяжении всего эксперимента. Кроме того, было показано, что ее эффективность преобразования выше, чем у предыдущих версий. Что касается мощности, батарея выдает 139 микроватт на Кюри (мкВт Ди-1).
Относительно долговечности такой батареи указывается, что она должна работать в течение нескольких десятилетий. Учитывая период полураспада Am-243 (7380 лет), срок службы мог бы быть еще больше, но компоненты устройства не могут служить так долго, поскольку они постепенно разрушались бы под воздействием радиации.
