Атомные батарейки: правда и вымысел

Батарейки и‏ аккумуляторы используются повсеместно: в‏ мобильных телефонах‏ и‏ ноутбуках, планшетах и часах,‏ фонариках и‏ фотоаппаратах, пультах управления,‏ игрушках,‏ зубных‏ щётках и так‏ далее. Потребители‏ хотят иметь лёгкие гаджеты‏ с‏ длительным‏ временем автономной‏ работы. Однако обычные‏ элементы питания,‏ несмотря‏ на постоянное‏ совершенствование, увеличение ёмкости и уменьшение‏ размеров, всё‏ равно‏ требуют регулярной подзарядки или замены. Если переставить батарейку‏ в часах ‏ —‏дело‏ несложное, то, например, замена батарейки в кардиостимуляторе уже требует‏ проведения‏ хирургической операции.

Много‏ лет учёные‏ пытаются найти источник питания, который‏ мог‏ бы‏ работать хотя‏ бы несколько‏ десятилетий без‏ перерыва.‏ Один из вариантов‏ — использование радиоизотопов. Источники‏ питания на‏ основе‏ радиоизотопов можно разделить на‏ две большие‏ группы: термоэлектрические преобразователи и‏ бета-вольтаические.‏ Первые‏ больше известны как‏ радиоизотопные термоэлектрические‏ генераторы (РИТЭГи), а вторые ‏ —‏ как‏ те самые‏ ядерные батарейки.

Принцип работы‏ первых основан‏ на‏ альфа-излучении. Оно‏ нагревает подложку почти до 1,5‏ тысячи °C,‏ затем‏ тепло преобразуется посредством термоэлектрической пары в электрический ток.

РИТЭГи — громоздкие конструкции весом до 2,5 тонны, требующие, помимо самого источника альфа-излучения, радиационную защиту.

В РИТЭГах используется принцип преобразования тепла в электрический ток путём работы термоэлектрического генератора.

В‏ ядерной батарейке‏ энергия‏ бета-распада‏ напрямую через полупроводниковую подложку преобразуется в электрический ток. Для‏ этого‏ на излучатель,‏ который испускает‏ электроны, накладывается полупроводник, что позволяет‏ замкнуть‏ электрическую‏ цепь.

Первый радиоизотопный‏ источник энергии‏ был изобретён‏ и‏ представлен в 1913‏ году английским физиком Генри‏ Мозли. В‏ центре‏ стеклянного шара, посеребрённого изнутри,‏ на изолированном‏ электроде находился радиевый источник.‏ Электроны,‏ испускаемые‏ радием при бета-распаде,‏ создавали разность‏ потенциалов между серебряным слоем‏ сферы‏ и‏ электродом, генерируя‏ ток. Хотя сила‏ тока была‏ очень‏ маленькой, но‏ измеримой, а эксперимент так и‏ не вышел‏ за‏ пределы лабораторных стен, был наглядно‏ продемонстрирован сам принцип радиоактивного источника питания‏.

• И‏ да,‏ получается, самой технологии уже более 110 лет.

Генри Гвин Джеффрис Мозли (23 ноября 1887 — 10 августа 1915) — английский физик, один из основоположников рентгеновской спектроскопии.

Если с «РИТЭГами»‏ всё‏ более-менее понятно,‏ и они‏ широко используются в качестве автономного‏ источника‏ питания‏ для космических‏ зондов и‏ арктических станций,‏ а‏ сама технология их‏ производства отработана, то вот‏ с атомной‏ батарейкой,‏ которая использует для преобразования‏ энергии бета-распада радиоактивных элементов полупроводниковую структуру,‏ дело‏ обстоит‏ куда сложнее.

Первыми в этой сфере стали‏ американцы, и‏ это неудивительно. Я уже‏ писал,‏ что‏ после Великой‏ Отечественной Войны, с 1945 по ‏1970 годы, каждый‏ второй инженер и учёный в‏ мире трудился‏ на‏ благо США. Так, в 1953 году американский учёный‏ Пол Раппапорт‏ предложил‏ использовать‏ полупроводниковую структуру для преобразования энергии бета-распада радиоактивных элементов. Его‏ схема‏ напоминала сэндвич:‏ слои бета-излучателя,‏ испускающего электроны, чередовались со слоями‏ полупроводника,‏ улавливающего‏ эти электроны.

Теоретически‏ каждая полупроводниковая‏ ячейка давала 0,8‏ микроватта мощности при‏ средней эффективности порядка 0,2%‏ КПД.

Устройство и принцип работы ядерной батарейки.

В 1970-х‏ годах‏ американский учёный Ларри Олсен‏ создал знаменитую‏ батарейку «Betacel», в основе‏ которой‏ лежал‏ прометий-147. Это был‏ первый коммерчески‏ успешный бета-вольтаический источник энергии.‏ Для‏ своего‏ времени это‏ был революционный продукт:‏ объём батарейки‏ составлял‏ примерно 16‏ кубических см, а срок службы‏ достигал 10‏ лет.

«Betacel»‏ использовали для питания кардиостимуляторов. В 1970-х годах в‏ США устройства‏ с‏ изотопным‏ источником получили более 20 тысяч пациентов.

Патент батарейки «Betacel»

"За последние несколько лет были внедрены разработки в области ядерных и химических аккумуляторов для увеличения надёжности и срока службы кардиостимулятора. Хотя клиническое применение кардиостимулятора с радиоизотопным питанием началось только в 1970 году, имеющиеся на сегодняшний день статистические данные подтверждают ожидаемую высокую надёжность. Требуется больше времени для подтверждения прогнозируемого относительно длительного срока службы".

• Период полураспада прометия-147 составляет 2,64‏ года. Он‏ подвергается бета-распаду,‏ превращаясь в самарий-147. Поскольку при‏ распаде‏ прометия-147‏ не выделяются‏ гамма-лучи, он‏ считается относительно‏ безопасным.

«Betacel»‏ на практике эффективно‏ работал от 8 до 10 лет.

«Betacel» похож на миниатюрный масляный фильтр для авто.

Было несколько моделей «Betacel».

В‏ кардиостимуляторах,‏ созданных в 1970-х годах,‏ помимо бета-вольтаических‏ элементов питания, использовались компактные‏ источники‏ питания,‏ основанные на альфа-распаде.‏ Эти источники‏ были термоэлектрическими, то есть‏ они‏ использовали‏ тепло, выделяемое‏ при распаде изотопа,‏ для производства‏ электричества.

Обычно‏ при альфа-распаде‏ также происходит гамма-излучение, однако в‏ кардиостимуляторах использовался‏ плутоний-238,‏ который обладал низкой энергией гамма-квантов, что делало применение‏ такого устройства‏ относительно‏ безопасным.

Кардиостимулятор "Medtronic", работающий на плутонии-238.

Когда‏ пользователь или пациент умирает, устройство извлекают и отправляют в‏ лабораторию‏ для извлечения‏ плутония.

Правда, позже‏ исследования показали, что использование таких‏ батареек‏ опасно.‏ Помимо бета-излучения,‏ которое можно‏ блокировать тонким‏ слоем‏ алюминия, радиоизотоп испускает‏ гамма-излучение, которое может повредить‏ ткани и‏ органы.‏ В связи с этим‏ производители кардиостимуляторов‏ перешли на литиевые батареи.‏ А‏ учёные‏ начали поиски более‏ безопасного варианта.

• Для‏ понимания, это была не литий-ионная батарея,‏ а‏ литиевый‏ гальванический элемент‏ (неперезаряжаемый), то‏ есть литиевая‏ батарейка.

Пример вам хорошо‏ известен.

Обладает удельной мощностью до 700 Вт/час на кг, длительными сроками работы (свыше 20 лет, саморазряд — ~1 %/год) и широким температурным диапазоном (до −80 до +130 °C).

Предпринимались попытки создать нетепловые‏ альфа-вольтаические батарейки,‏ в‏ которых энергия альфа-распада напрямую преобразуется в электрический заряд‏ благодаря использованию‏ полупроводников.‏ Однако‏ этот вид батарей не получил широкого распространения, главным образом‏ из-за‏ паразитных эффектов,‏ которые приводили‏ к снижению электрической мощности батареи‏ всего‏ за‏ несколько часов.

В‏ Советском Союзе‏ тоже активно‏ работали‏ над созданием ядерной‏ батарейки. Так, в марте 1975 года‏ советские‏ хирурги имплантировали первый отечественный‏ кардиостимулятор "РЭКС-А1",‏ который работал от плутониевого‏ источника‏ питания.‏ Однако плутоний был‏ дорогим материалом,‏ поэтому использовать новые модели‏ литиевых‏ батареек‏ с более‏ длительным сроком службы‏ было выгоднее.

Ардашев А.В. «Клиническая аритмология»

Советский ядерный кардиостимулятор "РЭКС-А1"

Но‏ учёные‏ не оставляли‏ идею создания безопасного ядерного источника‏ питания и‏ сосредоточились‏ на изучении различных радиоактивных изотопов, из которых по‏ итогу самыми‏ перспективными‏ стали‏ никель-63 и тритий.

Первый вариант — никель-63 — обладает периодом полураспада‏ около ‏ 100лет.‏ Батарейки на‏ основе 63-го изотопа никеля могут‏ работать‏ непрерывно‏ без потери‏ мощности 50‏ лет, и‏ подходят‏ для долгосрочного питания‏ систем, не требующих больших‏ затрат энергии.‏ Однако‏ никель-63 не встречается в‏ природе. Его‏ получают путём бомбардировки нейтронами‏ природного‏ изотопа‏ никеля-62.

Изотопный состав природного никеля (ЭХЗ Росатом)

Однако в обычном‏ никеле содержится‏ лишь 3,6% никеля-62, поэтому‏ требуется‏ процесс обогащения‏ до 99,5%, а это‏ дополнительные‏ затраты.

Единственное в мире предприятие, в промышленных масштабах производящее (обогащающее) изотоп никеля-62, в настоящее время создано только на электрохимическом заводе в Зеленогорске.

Оказалось,‏ что больше никто в мире‏ не смог‏ наладить‏ промышленное обогащение природного никеля-62 до концентраций более 90%, потому что это‏ сложная‏ и‏ дорогостоящая процедура.

Второй вариант — использовать тритий, тяжёлый изотоп водорода‏ с‏ периодом полураспада ‏ 12,32года.

• Этот‏ радиоактивный изотоп относительно дёшев и‏ доступен.

Поскольку‏ энергия‏ бета-частиц у‏ него низкая,‏ вероятность радиационных‏ повреждений‏ структуры батарейки минимальна,‏ как и радиационная опасность‏ конечного потребителя.‏ В‏ компактных батарейках этот изотоп‏ удобно использовать‏ в составе твёрдых соединений,‏ например,‏ тритида‏ титана.

Серийное производство (около 1000-1500 штук‏ в год) тритиевых батареек‏ началось в ‏ 2011году‏ американской компанией "City‏ Labs".

Сайт компании "City Labs".

Первое поколение‏ тритиевых‏ батарей "NanoTritium"‏ (батарейка EOL20KY15, предназначенная для поверхностного‏ монтажа на‏ печатную‏ плату) выдавало напряжение 3 вольта и ток 16 наноампер,‏ плавно снижающийся‏ к‏ концу‏ срока службы до 5 наноампер. Мощность — 48 нановатт.‏ В‏ серию данный элемент питания не‏ пошёл.

По мнению‏ экспертов компании "Lockheed Martin", эта‏ батарейка‏ может‏ долгое время‏ работать при‏ температуре от -50°C и до +150 °C.

Следующее поколение — NanoTritium-Р100, уже‏ серийное, имело‏ максимальную‏ мощность уже 75 нановатт‏, а дальнейшее‏ совершенствование‏ батарейки‏ позволило нарастить мощность‏ в пике‏ до 280 нановатт.

"NanoTritium-Р100"

Последняя разработка ‏ 2018года‏ — "NanoTritium‏-Р200" — имеет‏ диапазон напряжения‏ от ‏ 0,8до 2,4 вольт, силу тока‏ от 52‏ до 156 микроампер, и максимальную мощностью 125 микроватт.

Сила тока‏ в 156‏ микроампер‏ соответствует‏ напряжению в 0,8 вольт, а при напряжении в 2,4‏ вольта‏ сила тока‏ будет не‏ более 52 микроампер.

Нановаттные и микроваттные ядерные батарейки.

Однако прошло‏ уже 6‏ лет, а‏ "NanoTritium-Р200"‏ до сих пор‏ находятся в разработке. Поднять‏ мощность с‏ нановатт‏ до микроватт оказалось трудной‏ задачей даже‏ при использовании трития.

Оправдательный раздел на сайте, который так и называется: «Проблемы с микроваттными батареями».

"NanoTritium-Р200" — всё ещё в разработке (на 17.09.2024)

В 2020 году‏ учёными в‏ ВНИИНМ был‏ создан бета-вольтаический источник питания‏ на‏ основе‏ трития, аналог‏ «NanoTritium-Р100», с‏ аналогичной‏ сферой применения‏: ​самолёто- и ракетостроение, космос,‏ ​подпитка маломощных‏ электросистем,‏ микроэлектромеханических схем, датчиков, измерительных приборов и т. д.

Элемент атомной батарейки ВНИИНМ. Было создано несколько десятков образцов.

Характеристики‏ мощности и‏ цена‏ оказались‏ сопоставимы при соответствующих размерах: диаметр изделия 30 миллиметров, высота - 15‏ миллиметров, мощность - 200 нановатт, срок службы - 15 лет, цена 360 000 рублей.

Цена «NanoTritium‏-Р100» на рынке США‏ стартует‏ от 5250 долларов (от 460 тысяч‏ рублей при‏ оптовой‏ закупке).

Кстати, не удивляйтесь,‏ что у российского аналога‏ срок службы‏ всего‏ 15лет, а американцы‏ на свои‏ «NanoTritium-Р100» дают‏ более ‏ 20‏лет. Это‏ всего лишь маркетинговый приём, и они это‏ честно‏ признают‏, приводя в своей таблице‏ данные по убыванию мощности‏ в зависимости от‏ времени использования.

Через 20 лет останется 32% от начальной мощности.

Стандарты «Росатома» более жёсткие,‏ поэтому срок‏ службы‏ ядерной батарейки заканчивается при 50%-ном падении мощности, то‏ есть по‏ стандартам‏ «Росатома»‏ срок службы «NanoTritium-Р100» составляет 12-14 лет.

Но наше‏ устройство‏ уступает зарубежному‏ по КПД‏ преобразования, главным образом из-за принципиального‏ использования‏ только‏ российских комплектующих.‏ Увы, но‏ полупроводниковых преобразователей‏ такого‏ качества, как в‏ США, на отечественном рынке‏ нет, и‏ китайцы‏ тоже не помогут, потому что у‏ них этого‏ тоже нет.

Лучший результат в‏ России‏ получили‏ с полупроводником на‏ основе искусственного‏ алмаза. Пока его КПД‏ — ‏чуть‏ больше 2%,‏ но в перспективе его можно‏ повысить до ‏ 3-5%.

У‏ американской компании‏ "CityLabs" этот показатель составляет невероятные ‏ 7,5% (используя‏ полупроводники‏ на основе фосфида галлия-индия), но зато в российской‏ батарейке добились‏ лучших,‏ чем‏ у американцев, мощности источника бета-излучения: мощность американских 0,3−0,4 мкВт на ‏ 1‏см²; мощность‏ источников, произведённых‏ во ВНИИНМe, — около 1‏ мкВт‏ на ‏1 см².

• То‏ есть КПД‏ преобразования ниже в ‏ 3,75раза, но‏ мощность выше в 2,85‏ раза. Если‏ взять‏ американские полупроводники и поставить‏ российские тритиевые‏ источники, то конечная мощность‏ батареек‏ могла‏ бы быть в‏ два-три раза‏ выше.

Однако есть и недостатки:‏ энергия‏ распада‏ трития чрезвычайно‏ мала — 5,5‏ кэВ, да‏ и‏ эффективность тритиевого‏ источника бета-излучения падает на 10%‏ менее чем‏ через‏ два года, в то время как источник на‏ основе никеля-63‏ потеряет ‏ 10%‏ эффективности только через 15 лет.

• Период полураспада трития в 8 раз‏ короче,‏ чем у‏ никеля-63. Излучаемые‏ никелем-63 бета-частицы обладают энергией в ‏ 3,5‏раза‏ выше, чем‏ у трития, хотя удельная‏ активность‏ трития — 1‏ тысяча кюри на 1‏ грамм, а‏ у‏ никеля — 80, то‏ есть потоки‏ бета-частиц у трития и‏ никеля‏ различаются‏ кардинально.

Процесс получения чистого‏ никеля-63 является‏ сложным и дорогостоящим, поэтому и‏ цены ‏ 1‏грамма трития‏ и 1 грамма никеля-63 различаются‏ на порядок.

В «Росатоме» привели такое забавное сравнение.

Процессы‏ с‏ использованием трития‏ уже хорошо изучены и отработаны.‏ А вот‏ получение‏ никеля-63 в требуемой концентрации ещё 10 лет назад‏ казалось чем-то‏ фантастическим.

Однако‏ в‏ техническом плане потенциально атомные батарейки на никеле-63 могут стать‏ лучшими‏ в мире.‏ Но как‏ их сделать?

В 2007 году в‏ научно-исследовательском‏ институте‏ атомных реакторов‏ (НИИАР) создали‏ первые в‏ мире‏ работающие прототипы ядерной‏ батарейки на основе никеля-63.‏ Для этого‏ в‏ исследовательском высокопоточном реакторе СМ-3‏ получили радиоактивный‏ материал путём облучения стабильного‏ никеля-62.

Разумеется,‏ не обошлось без нюансов. Так как‏ содержание изотопа‏ никеля-62 в природном никеле‏ небольшое,‏ его‏ нужно обогащать. Обогащённый до 80% никель-62‏ поместили в реактор СМ-3, где‏ и получили‏ изотоп‏ никеля-63. Правда, это была смесь изотопов 62 и ‏ 63никеля,‏ и‏ её‏ в дальнейшем и применили в прототипе батареек.

• Однако активность изотопа‏ была‏ довольно низкой — 15‏ Ки/г. Увеличить её в три-четыре‏ раза‏ можно‏ было, обогатив‏ никель-63 до‏ предельных значений —‏ порядка 80 Ки/г.

В 2016‏ году исследователи из Бристольского‏ университета (Великобритания)‏ заявили,‏ что сконструировали один из‏ этих источников‏ питания на никеле-63. Правда,‏ впоследствии‏ оказалось,‏ что это не‏ батарея как‏ таковая, а лишь зачатки‏ экспериментов,‏ которые‏ должны были‏ подтвердиться на исследовательском‏ ядерном реакторе‏ в‏ Японии. Судя‏ по тому, что прошло уже 8 лет,‏ а‏ никакой новой положительной информации нет, то, видимо, ничего‏ не подтвердилось…

Прототип британской ядерной батареи на никеле-63. 2020 год.

• Ну,‏ «Британские‏ учёные»,‏ чего ещё вы хотите?

В России в 2016 году был‏ создан‏ полноценный рабочий‏ прототип, который‏ был показан на «Атомэкспо-2017» специалистами‏ НПО‏ «Луч»,‏ но его‏ мощность получилась‏ незначительной из-за‏ низкого ‏ 20%обогащения никеля-63.‏ Но тогда это был‏ мировой предел‏ по‏ обогащению.

Мощности хватало запитывать электронные часы.

Тип батарей

Характеристики.

Зависимость потока энергии бета-излучения Ni-63 от обогащения.

С 2015 года разрабатывалась газоцентрифужная технология обогащения никеля-63.

Образец российской ядерной батарейки‏ похож на‏ слоеный пирог: 200 алмазных‏ полупроводников‏ чередуются‏ с 200 слоями‏ никеля-63. Размеры‏ образца — 5×5 мм и ‏ 4×4‏мм.

Была разработана‏ и запатентована технология‏ создания плёнок‏ никеля-63‏ толщиной всего ‏ 2микрона. А сотрудники ТИСНУМ‏ и МФТИ‏ разработали‏ уникальную технологию синтеза и отщепления тонких, всего 10‏ микрон, алмазных‏ пластин‏ от‏ многоразовых алмазных подложек.

Вот так выглядит этот слоёный пирог из алмазных пластин и плёнок никеля-63.

В 2018 году для этого в Радиевом‏ институте‏ совместно с‏ ГХК и‏ ЭХЗ разработали и запатентовали уникальную‏ технологию‏ по‏ обогащению никеля-63‏ на центрифугах‏ до ‏ 27Ки/г. Затем по‏ той же‏ технологии‏ ЭХЗ совместно с ГХК‏ провёл дообогащение,‏ получив самый высокообогащённый никель-63‏ в‏ мире — 69%, или 70‏ Ки/г.

В 2020‏ году специалисты ЭХЗ добились‏ практического‏ максимума‏ по обогащению‏ — более 80%, или ‏80 Ки/г.‏ Исходный‏ никель-62 для‏ этого облучался в реакторе РБМК-1000‏ на Ленинградской‏ АЭС.

Этапы обогащения.

Удельная‏ мощность одного грамма обогащённого до 80% никеля-63 уже‏ сможет обеспечить‏ необходимые‏ характеристики‏ батарейки по току и сроку службы, например, в кардиостимуляторе.

1 микроватта‏ будет‏ достаточно для‏ использования батарейки‏ в кардио- или нейростимуляторе. 1‏ микроватт = 1000 нановатт.‏ Полезная энергоёмкость‏ при этом‏ составит‏ около 3300 милливатт-часов‏ на 1 грамм (3300‏ Ватт-час на 1 кг), что в десять‏ раз больше,‏ чем в химических батарейках.

В 2023‏ году‏ учёные НИЯУ МИФИ‏ разработали новые‏ нанокластерные плёнки никеля для‏ создания‏ эффективного‏ преобразователя энергии‏ бета-распада в электричество‏ на основе‏ ранее‏ проведённых исследований,‏ которые были опубликованы (внешняя ссылка) в‏ престижном журнале‏ "Applied‏ Physics Letters" в 2018 году.

Выдержка из исследования.

В результате эффективная площадь‏ преобразования бета-излучения‏ в‏ электрическую‏ энергию (на основе изотопа никеля-63) по сравнению с аналогами‏ увеличилась‏ в 14‏ раз.

Батарейка на основе бета-вольтаических элементов НИТУ «МИСиС»

В начале ‏ 2024года о создании‏ прорывной‏ атомной‏ батарейки громко заявил‏ молодой китайский‏ стартап‏ «Betavolt» 2021 года‏ регистрации. Узрите: создана самая‏ мощная ядерная‏ батарейка‏ на основе никеля-63 мощностью‏ аж в ‏ 100микроватт (в 100‏ раз‏ больше,‏ чем российский аналог).

Новость растиражировали все научные сообщества.

Вот‏ это да!‏ Вот это прорыв!

Вот только‏ при‏ более‏ пристальном рассмотрении‏ этот прорыв оказался‏ украденной в России технологией, которую китайцы попытались выдать за свои гипермегаразработки. Удивительно,‏ что наши научные сообщества, да‏ и не‏ только‏ наши, но и зарубежные тоже, просто слепо поверили‏ в басни‏ молодой‏ китайской‏ компании.

Постскриптум.

Об этой афере и о других технологиях ядерных батарей,‏ где‏ мощности будут составлять уже‏ десятки и сотни‏ ватт,‏ вы можете прочитать в закрытом клубе на "Спонсоре" или "Бусти" (все источники тоже там):

Там уж разобрано до мелочей, как китайцы были выведены на чистую воду. Поэтому не для общего доступа такой материал.

Заодно поддержите меня, так как Дзен решил мой канал заблокировать. Почему-то...

Друзья, приглашаю вас в свой Telegram-канал. Там вы можете задать вопрос, поделиться своими мыслями и обсудить различные темы. Я отвечаю на комментарии и делюсь дополнительной информацией. Подписывайтесь, чтобы быть в курсе всех событий и не потеряться.