Zinātne pašlaik attīstās un progresē. Kodolakumulators jau ir izgudrots. Šāds enerģijas avots var kalpot līdz pat 50, un dažreiz pat līdz 100 gadiem. Viss ir atkarīgs no izmēra un izmantotās radioaktīvās vielas.
Rosatom bija pirmais, kas paziņoja par kodolbaterijas ražošanu. 2017. gadā uzņēmums izstādē prezentēja prototipu.
Pētniekiem ir izdevies optimizēt kodolakumulatora slāņus, kas elektroenerģijas ražošanai izmanto niķeļa-63 izotopa beta sabrukšanu.
1 grams šīs vielas satur 3300 milivatstundas.
Kā darbojas atomu akumulators
Atomu akumulators, kas pazīstams arī kā radioizotopu siltuma ģenerators (RIHG), ir enerģijas avots, kas izmanto radioaktīvo izotopu sabrukšanas procesu, lai radītu siltumu un savukārt pārveidotu to elektriskajā enerģijā.
Atomu baterijas darbības princips ir balstīts uz radioaktīvo sabrukšanu, kuras laikā atomu kodoli sadalās, izdalot daļiņas un enerģiju. Viens no visizplatītākajiem materiāliem, ko izmanto atomu baterijās, ir plutonijs-238, kam ir ilgs pussabrukšanas periods. Plutonijs-238 sadalās par urānu-234, izdalot alfa daļiņas. Šīs daļiņas satur augstu enerģiju, kas, mijiedarbojoties ar vidi, pārvēršas siltumā.
Siltuma ģenerēšana ir galvenais atomu akumulatora darbības solis. Siltums caur siltummaini tiek pārnests uz termoelektrisko pārveidotāju. Šis pārveidotājs satur materiālus, kas spēj ģenerēt elektrisko strāvu, ja tie ir pakļauti temperatūras starpībai. Tādējādi plutonija-238 radioaktīvās sabrukšanas siltums tiek pārnests uz vienu termoelektriskā pārveidotāja pusi, radot temperatūras starpību starp tā abām pusēm. Šī temperatūras starpība ļauj ģenerēt elektrisko enerģiju, izmantojot Zēbeka termoelektrisko efektu.
Termoelektriskā pārveidotāja radītā elektriskā enerģija tiek izmantota elektrisko ierīču darbināšanai. Atomu bateriju galvenā priekšrocība ir tā, ka tās nodrošina stabilu, ilgstošu enerģijas avotu, kam nav nepieciešama nomaiņa vai uzlāde daudzus gadus. Tomēr radioaktīvo materiālu izmantošanas dēļ atomu baterijas rada zināmus riskus un prasa īpašus drošības pasākumus lietošanas un apstrādes laikā.
Vai kodolbaterijas ir bīstamas?
Izstrādātāji apgalvo, ka šīs baterijas ir pilnīgi drošas parastajiem cilvēkiem. Tas ir tāpēc, ka korpuss ir labi izstrādāts.
Ir zināms, ka beta starojums ir kaitīgs organismam. Taču jaunizveidotajā kodolbaterijā tas ir mīksts un tiks absorbēts enerģijas šūnā.
Pašlaik eksperti identificē vairākas nozares, kurās plānots izmantot Krievijas A123 kodolbateriju:
- Medicīna.
- Kosmosa industrija.
- Rūpniecība.
- Transports.
Papildus šīm jomām jaunus ilgstošus enerģijas avotus var izmantot arī citās.
Kodolbaterijas priekšrocības
Tiek izceltas vairākas pozitīvas īpašības:
- Izturība. Tie var kalpot līdz pat 100 000 gadiem.
- Spēja izturēt kritiskās temperatūras.
- To mazais izmērs ļauj tos padarīt pārnēsājamus un izmantot kompaktās iekārtās.
Kodolbaterijas trūkumi
- Ražošanas sarežģītība.
- Pastāv radiācijas iedarbības risks, īpaši, ja korpuss ir bojāts.
- Dārgi. Viena kodolbaterija var maksāt no 500 000 līdz 4 500 000 rubļu.
- Pieejams ierobežotam cilvēku lokam.
- Maza izvēle.
Kodolbateriju pētniecību un attīstību veic ne tikai lielie uzņēmumi, bet arī parastie studenti. Piemēram, kāds students Tomskā ir izstrādājis savu kodolbateriju, kas var darboties aptuveni 12 gadus bez uzlādes. Izgudrojums balstās uz tritija sadalīšanos. Šīs baterijas īpašības laika gaitā nemainās.
Kodolakumulators viedtālruņiem
Sākot ar 2019. gadu, tiek ražoti kodolenerģijas avoti telefoniem. Tie izskatās kā attēlā zemāk redzamie.
Tie atgādina mikroshēmu, kas ievietojas īpašās spraugās mobilajā tālrunī. Šāds akumulators var kalpot 20 gadus, un šajā laikā tas nav jāuzlādē. Tas ir iespējams, pateicoties kodolu skaldīšanas procesam. Tomēr šis enerģijas avots daudziem var būt satraucošs. Galu galā visi zina, ka starojums ir kaitīgs un kaitīgs organismam. Un tikai retais ar prieku nēsātu šādu tālruni visu dienu.
Taču zinātnieki apgalvo, ka šī kodolbaterija ir pilnīgi droša. Kā aktīvā viela tiek izmantots tritijs. Tā sabrukšanas laikā izstarotais starojums ir nekaitīgs. Tritija darbību var redzēt uz tumsā spīdoša kvarca pulksteņa. Baterija var izturēt temperatūru līdz -50°C un droši darbojas temperatūrā līdz pat 150°C.0Tajā pašā laikā netika konstatētas nekādas svārstības tā darbā.
Būtu jauki, ja pa rokai būtu šāds akumulators, vismaz lai uzlādētu tālruni ar parastu akumulatoru.
Šāda akumulatora spriegums svārstās no 0,8 līdz 2,4 voltiem. Tas arī ģenerē no 50 līdz 300 nanoampēriem. Un tas viss notiek 20 gadu laikā.
Jauda tiek aprēķināta šādi: C = 0,000001 W * 50 gadi * 365 dienas * 24 stundas / 2 V = 219 mA
Akumulatora pašreizējā vērtība ir 1122 ASV dolāri. Pārvēršot rubļos pēc pašreizējā valūtas kursa (65,42), tas būtu 73 400 rubļu.
Kur tiek izmantotas kodolbaterijas?
Pielietojuma joma praktiski ir tāda pati kā parastajām baterijām. Tos izmanto:
- Mikroelektronika.
- Spiediena un temperatūras sensori.
- Implanti.
- Kā litija bateriju barošanas bloki.
- Identifikācijas sistēmas.
- Stundas.
- SRAM atmiņa.
- Mazjaudas procesoru, piemēram, FPGA, ASIC, darbināšanai.
Šīs nav vienīgās ierīces; to saraksts nākotnē ievērojami paplašināsies.
Niķeļa-63 kodolakumulators un tā īpašības
Šis kodolenerģijas avots, kura pamatā ir 63. izotops, var darboties līdz pat 50 gadiem. Tas darbojas, izmantojot beta-volta efektu. Tas ir gandrīz identisks fotoelektriskajam efektam. Šajā efektā elektronu-caurumu pāri pusvadītāju kristāla režģī rodas ātru elektronu vai beta daļiņu darbības rezultātā. Fotoelektriskajā efektā tos rada fotonu darbība.
Niķeļa-63 atomu baterija tiek ražota, apstarojot niķeļa-62 mērķus reaktorā. Pētnieks Gavrilovs apgalvo, ka šis process aizņem apmēram gadu. Nepieciešamie mērķi jau ir pieejami Žeļeznogorskā.
Ja salīdzināsim jaunās krievu niķeļa-63 kodolbaterijas ar litija jonu akumulatoriem, tās būs 30 reizes mazākas.
Eksperti apgalvo, ka šie enerģijas avoti ir droši cilvēkiem, jo tie izstaro vājus beta starus. Turklāt tie netiek izstaroti ārēji, bet gan paliek ierīces iekšpusē.
Šis barošanas avots pašlaik ir ideāli piemērots medicīniskajiem elektrokardiostimulatoriem. Tomēr izstrādātāji nav atklājuši izmaksas. Tomēr to var aprēķināt bez tiem. Viens grams Ni-63 pašlaik maksā aptuveni 4000 USD. Tāpēc pilnībā funkcionējoša akumulatora izgatavošanai būtu nepieciešami ievērojami ieguldījumi.
Kodolbaterijas sastāvs
Niķelis-63 tiek iegūts no dimantiem. Tomēr šī izotopa iegūšanai bija nepieciešams izstrādāt jaunu tehnoloģiju izturīga dimanta materiāla griešanai.
Kodolbaterija sastāv no emitera un kolektora, ko atdala īpaša plēve. Radioaktīvajam elementam sabrūkot, tas izstaro beta starojumu. Tā rezultātā tam rodas pozitīvs lādiņš. Vienlaikus kolektors kļūst negatīvi lādēts. Tas rada potenciālu starpību, ģenerējot elektrisko strāvu.
Būtībā mūsu atomu enerģijas šūna ir daudzslāņaina. Starp 200 dimanta pusvadītājiem ir ievietoti 200 niķeļa-63 barošanas avoti. Barošanas avots ir aptuveni 4 mm augsts un sver 250 miligramus. Tā mazais izmērs ir liela priekšrocība Krievijas atomu baterijai.
Atrast pareizos izmērus ir grūti. Biezs izotops neļaus tā radītajiem elektroniem izkļūt. Plāns izotops ir neizdevīgs, jo samazina beta sabrukšanas skaitu laika vienībā. Tas pats attiecas uz pusvadītāja biezumu. Baterija vislabāk darbojas ar aptuveni 2 mikronu izotopa biezumu, savukārt dimanta pusvadītājam nepieciešami 10 mikroni.
Taču zinātnieku līdzšinējie sasniegumi nav robeža. Izplūdes gāzu emisijas varētu palielināt vismaz trīs reizes. Tas nozīmē, ka kodolakumulatoru varētu izgatavot trīs reizes lētāk.
Oglekļa-14 kodolakumulators, kas darbojas 100 gadus.
Šim atomu akumulatoram ir šādas priekšrocības salīdzinājumā ar citiem starojuma enerģijas avotiem:
- Lētums.
- Videi draudzīgs.
- Ilgs kalpošanas laiks līdz 100 gadiem.
- Zema toksicitāte.
- Drošība.
- Spējīgs darboties ekstremālos temperatūras apstākļos.
Radioaktīvā izotopa oglekļa-14 pussabrukšanas periods ir 5700 gadi. Tas ir pilnīgi netoksisks un lēts.
Ne tikai ASV un Krievija, bet arī citas valstis aktīvi strādā pie kodolbateriju modernizācijas! Pētnieki ir iemācījušies audzēt plēvi uz karbīda substrāta. Tā rezultātā substrāta izmaksas ir samazinājušās 100 reizes. Šī struktūra ir izturīga pret radiāciju, padarot šo enerģijas avotu drošu un izturīgu. Izmantojot silīcija karbīdu kodolbaterijās, ir iespējams panākt darbību 350 grādu pēc Celsija temperatūrā.
Tādējādi zinātniekiem izdevās izveidot atomu akumulatoru ar savām rokām!
