Атомная батарея - Atomic battery

Для получения радиоактивных изотопов см. генератор радионуклидов.

An атомная батарея, ядерная батарея, радиоизотопная батарея или генератор радиоизотопов это устройство, которое использует энергию от распад из радиоактивный изотоп генерировать электричество. подобно ядерные реакторы, они вырабатывают электроэнергию из ядерной энергии, но отличаются тем, что не используют цепная реакция. Хотя обычно называют батареи, они технически не электрохимический и не может быть заряжен или перезаряжен. По сравнению с ними они очень дороги, но имеют чрезвычайно долгий срок службы и высокую плотность энергии, поэтому они в основном используются в качестве источников питания для оборудования, которое должно работать без присмотра в течение длительных периодов времени, например космический корабль, кардиостимуляторы, подводный системы и автоматизированные научные станции в отдаленных уголках мира.[1][2]

Технология ядерных батарей началась в 1913 году, когда Генри Мозли впервые продемонстрировал ток, генерируемый излучением заряженных частиц. В 1950-х и 1960-х годах в этой области было уделено серьезное внимание изучению приложений, требующих источников питания с длительным сроком службы для космических нужд. В 1954 г. RCA исследовал небольшую атомную батарею для небольших радиоприемников и слуховых аппаратов.[3] Со времени первых исследований и разработок RCA в начале 1950-х годов было разработано множество типов и методов для извлечения электроэнергии из ядерных источников. Научные принципы хорошо известны, но современные нанотехнологии и новые широкозонные полупроводники создали новые устройства и интересные свойства материалов, ранее недоступные.

Ядерные батареи можно классифицировать по преобразование энергии технологии на две основные группы: термопреобразователи и нетепловые преобразователи. Тепловые типы преобразуют часть тепла, выделяемого при ядерном распаде, в электричество. Наиболее ярким примером является радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), часто применяемый в космических кораблях. Нетепловые преобразователи извлекают энергию непосредственно из испускаемого излучения, прежде чем оно превратится в тепло. Их легче минимизировать и для работы не требуется температурный градиент, поэтому они подходят для использования в небольших приложениях. Наиболее ярким примером является бетавольтаическая ячейка.

Атомные батареи обычно имеют КПД 0,1–5%. Высокая эффективность бетавольтаические устройства может достигать КПД 6–8%.[4]

Тепловое преобразование

Термоэмиссионное преобразование

А термоэлектронный преобразователь состоит из горячего электрода, который термоэлектронным способом испускает электроны через барьер пространственного заряда к более холодному электроду, создавая полезную выходную мощность. Цезий пар используется для оптимизации электрода рабочие функции и обеспечить подачу ионов ( поверхностная ионизация ), чтобы нейтрализовать электрон космический заряд.[5]

Термоэлектрическое преобразование

Основная статья: Радиоизотопный термоэлектрический генератор
Планируется, что кардиостимулятор с радиоизотопным питанием, разрабатываемый Комиссией по атомной энергии, будет стимулировать пульсирующее действие неисправного сердца. Около 1967 года.

А радиоизотопный термоэлектрический генератор (RTG) использует термопары. Каждая термопара состоит из двух проводов из разных металлов (или других материалов). Температурный градиент по длине каждого провода создает градиент напряжения от одного конца провода к другому; но разные материалы производят разное напряжение на градус разницы температур. Соединяя провода на одном конце, нагревая этот конец и охлаждая другой конец, между неподключенными концами провода генерируется полезное, но небольшое (милливольты) напряжение. На практике многие из них подключаются последовательно (или параллельно) для генерирования большего напряжения (или тока) от одного и того же источника тепла, поскольку тепло течет от горячих концов к холодным. Металлические термопары имеют низкую теплоэлектрическую эффективность. Однако плотность и заряд носителей можно регулировать в полупроводниковых материалах, таких как теллурид висмута и кремний-германий, для достижения гораздо более высокой эффективности преобразования.[6]

Термофотоэлектрическое преобразование

Термофотоэлектрические (TPV) клетки работают по тем же принципам, что и фотоэлектрический элемент, за исключением того, что они конвертируют инфракрасный свет (а не видимый свет ) испускается горячей поверхностью в электричество. Термоэлектрические элементы имеют КПД немного выше, чем термоэлектрические пары, и их можно накладывать на термоэлектрические пары, потенциально увеличивая эффективность вдвое. В Хьюстонский университет TPV Усилия по развитию технологии преобразования радиоизотопной энергии направлены на объединение термофотовольтаических элементов одновременно с термопары повысить КПД системы в 3-4 раза по сравнению с существующими термоэлектрическими радиоизотопными генераторами.[нужна цитата ]

Генераторы Стирлинга

Основная статья: Радиоизотопный генератор Стирлинга

А Радиоизотопный генератор Стирлинга это двигатель Стирлинга вызванный разницей температур, производимой радиоизотопом. Более эффективная версия, усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга, был разработан НАСА, но был отменен в 2013 году из-за значительного перерасхода средств.[7]

Нетепловое преобразование

Нетепловые преобразователи извлекают энергию из испускаемого излучения до того, как оно превращается в тепло. В отличие от термоэлектрических и термоэлектронных преобразователей их мощность не зависит от разницы температур. Нетепловые генераторы можно классифицировать по типу используемых частиц и по механизму преобразования их энергии.

Электростатическое преобразование

Энергия может быть извлечена из испускаемого заряженные частицы когда их плата накапливается в дирижер, таким образом создавая электростатический потенциал. Без режима рассеивания Напряжение может увеличиваться до энергии излучаемых частиц, которая может варьироваться от нескольких киловольт (для бета-излучения) до мегавольт (альфа-излучение). Застроенный электростатическая энергия можно превратить в полезную электроэнергию одним из следующих способов.

Генератор с прямой зарядкой

Генератор с прямой зарядкой состоит из конденсатор заряжен током заряженные частицы из радиоактивного слоя, нанесенного на один из электродов. Расстояние может быть либо вакуумным, либо диэлектрик. Отрицательно заряженный бета-частицы или положительно заряженный альфа-частицы, позитроны или осколки деления могут быть использованы. Хотя эта форма ядерно-электрического генератора возникла в 1913 году, в прошлом было найдено мало применений для чрезвычайно низких токов и неудобно высоких напряжений, обеспечиваемых генераторами с прямой зарядкой. Для снижения напряжения используются системы осциллятор / трансформатор, затем выпрямители используются для преобразования мощности переменного тока обратно в постоянный ток.

Английский физик Х. Г. Дж. Мозли построил первый из них. Аппарат Мозли состоял из стеклянного шара. посеребренный внутри с эмиттером радия, установленным на конце провода в центре. Заряженные частицы из радий создавали поток электричества, быстро перемещаясь от радия к внутренней поверхности сферы. Еще в 1945 году модель Мозли руководила другими усилиями по созданию экспериментальных батарей, вырабатывающих электричество за счет выбросов радиоактивных элементов.

Электромеханическое преобразование

Основная статья: Радиоизотопный пьезоэлектрический генератор

Электромеханические атомные батареи используют накопление заряда между двумя пластинами, чтобы тянуть одну изгибаемую пластину к другой, пока две пластины не соприкоснутся, не разрядятся, уравновешивая накопление электростатического заряда и не подпрыгнув. Произведенное механическое движение можно использовать для выработки электричества за счет изгиба пьезоэлектрический материала или через линейный генератор. Милливатты мощности вырабатываются импульсами в зависимости от скорости заряда, в некоторых случаях несколько раз в секунду (35 Гц).[8]

Радиовольтаическое преобразование

А радиовольтаический (RV) устройство преобразует энергию ионизирующего излучения непосредственно в электричество с помощью полупроводниковый переход, аналогично преобразованию фотонов в электричество в фотоэлектрический элемент. В зависимости от типа направленного излучения эти устройства называются алфавитный (AV, αV), бетавольтаический (BV, βV) и / или гамма-вольтаический (GV, γV). Бетавольтаике традиционно уделяется наибольшее внимание, поскольку (низкоэнергетические) бета-излучатели вызывают наименьшее количество радиационных повреждений, что обеспечивает более длительный срок службы и меньшую защиту. Интерес к альфа- и (в последнее время) гаммавольтаическим устройствам вызван их потенциально более высокой эффективностью.

Алфавитное преобразование

В устройствах Alphavoltaic используется полупроводниковый переход для производства электроэнергии из энергетических альфа-частицы.[9][10]

Бетавольтаическая конверсия

Основная статья: Бетавольтаическое устройство

Бетавольтаические устройства использовать полупроводниковый переход для производства электроэнергии из энергетических бета-частицы (электроны ). Обычно используемый источник - изотоп водорода. тритий.

Бетавольтаические устройства особенно хорошо подходят для маломощных электрических систем, где требуется длительный срок службы источника энергии, например, имплантируемые медицинские устройства или военные и космические приложения.

Гаммавольтаическая конверсия

Гаммавольтаические устройства используют полупроводниковый переход для производства электроэнергии из энергетических гамма-частицы (высокая энергия фотоны ). Они были рассмотрены совсем недавно (в 2010-х годах).[11][12][13] [14]

Сообщалось о гаммавольтаическом эффекте в перовскитных солнечных элементах.[11] Другая запатентованная конструкция включает в себя рассеяние гамма-частицы до тех пор, пока ее энергия не уменьшится до уровня, достаточного для поглощения в обычном фотоэлектрическом элементе.[12] Гаммавольтаические конструкции с использованием алмаз и диоды Шоттки также исследуются.[13][14]

Радиофотоэлектрическое (оптоэлектрическое) преобразование

Основная статья: Оптоэлектрическая ядерная батарея

В радиофотовольтаический (ДПЛА) устройство преобразование энергии косвенное: испускаемые частицы сначала преобразуются в свет с помощью радиолюминесцентный материал (а сцинтиллятор или люминофор ), а затем свет преобразуется в электричество с помощью фотоэлектрический элемент. В зависимости от типа нацеленной частицы тип преобразования можно более точно указать как альфафотоэлектрический (APV или α-PV),[15] бетафотовольтаический (BPV или β-PV)[16] или гаммафотоэлектрический (GPV или γ-PV).[17]

Радиофотовольтаическое преобразование можно комбинировать с радиовольтаическим преобразованием для повышения эффективности преобразования.[18]

Используемые радиоизотопы

В атомных батареях используются радиоизотопы, которые производят бета-частицы низкой энергии или иногда альфа-частицы различной энергии. Бета-частицы с низкой энергией необходимы для предотвращения образования проникающих Тормозное излучение излучение, которое потребовало бы сильной защиты. Радиоизотопы, такие как тритий, никель -63, прометий -147, и технеций -99 были протестированы. Плутоний -238, кюрий -242, кюрий -244 и стронций -90 были использованы.[19]

Микро-батареи

Ядерные инженеры Университет Висконсина, Мэдисон исследовали возможности производства крохотных батарей, использующих радиоактивные ядра таких веществ, как полоний или кюрий, для производства электроэнергии. В качестве примера интегрированного приложения с автономным питанием исследователи создали колеблющуюся консольную балку, которая способна совершать последовательные периодические колебания в течение очень длительных периодов времени без необходимости дозаправки. Текущие работы демонстрируют, что этот кантилевер способен передавать радиочастоты, что позволяет МЭМС устройства для беспроводной связи друг с другом.

Эти микробатареи очень легкие и вырабатывают достаточно энергии для работы в качестве источника питания для использования в устройствах MEMS и, в дальнейшем, для питания наноустройств.[20]

Выделяемая энергия излучения преобразуется в электрическую энергию, которая ограничена областью устройства, в которой находится процессор и микро-батарея, которая снабжает его энергией.[21]:180–181

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ «Ядерная батарея размером и толщиной с пенни». Гизмаг, 9 октября 2009 г.
  2. ^ "Представлены крошечные" ядерные батареи ". Новости BBC, Четверг, 8 октября 2009 г.
  3. ^ «Атомная батарея превращает радиоактивность непосредственно в электричество». Популярная механика, Апрель 1954 г., стр. 87.
  4. ^ «Термоэлектрические генераторы». electronicbus.com. Архивировано из оригинал 10 января 2016 г.. Получено 23 февраля 2015.
  5. ^ Фитцпатрик, Г. О. "Термоэлектронный преобразователь". OSTI  6377296. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  6. ^ Маккой, Дж. К. "Обзор программы транспортной системы радиоизотопного термоэлектрического генератора". OSTI  168371. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  7. ^ Отмена ASRG в контексте Будущее планетарных исследований
  8. ^ Лал, Амит; Раджеш Дуггирала; Хуэй Ли (2005). "Повсеместная власть: пьезоэлектрический генератор, работающий на радиоизотопах" (PDF). IEEE Pervasive Computing. 4: 53–61. Дои:10.1109 / MPRV.2005.21. S2CID  18891519. Архивировано из оригинал (PDF) 21 июня 2007 г.
  9. ^ Исследовательский центр НАСА Гленна, Альфа- и бета-вольтаики В архиве 18 октября 2011 г. Wayback Machine (по состоянию на 4 октября 2011 г.)
  10. ^ Шейла Дж. Бейли, Дэвид М. Уилт, Райн П. Рафаэль и Стефани Л. Кастро, Исследования альфа-вольтаических источников энергии В архиве 16 июля 2010 г. Wayback Machine, Исследования и технологии 2005, NASA TM-2006-214016, (доступ 4 октября 2011 г.)
  11. ^ а б Сегава, Кожокару, Учида (7 ноября 2016 г.). «Гаммавольтаические свойства перовскитового солнечного элемента - на пути к созданию новой атомной энергии». Материалы Международной конференции Азиатско-Тихоокеанского региона Гибридная и органическая фотоэлектрическая энергия. Получено 1 сентября 2020.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  12. ^ а б 20180350482, Райан, Майкл Дойл, "Гамма-гальваническая ячейка", опубликовано 6 декабря 2018 г. 
  13. ^ а б Маккензи, Гордон (октябрь 2017 г.). «Алмазный гаммавольтаический элемент». Британские исследования и инновации.
  14. ^ а б Маккензи, Робби (19 июня 2020 г.). «Алмазные гамма-гальванические элементы для безискренной гамма-дозиметрии». Юго-Западный ядерный узел. Получено 1 сентября 2020.
  15. ^ Пурбандари, Десси; Фердиансья, Фердиансья; Суджитно, Тджипто (2019). «Оптимизация альфа-энергии, депонированной в тонкой пленке радиолюминесценции для альфа-фотоэлектрических приложений». неопределенный. S2CID  141390756. Получено 31 августа 2020.
  16. ^ Берман, Вероника; Литц, Марк Стюарт; Руссо, Джонни (2018). «Исследование деградации электроэнергии в бета-фотоэлектрических (βPV) и бета-вольтаических (βV) источниках энергии с использованием 63Ni и 147Pm». S2CID  139545450. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  17. ^ ЛИАКОС, Джон К. (1 декабря 2011 г.). "Фотоэлектрические элементы, управляемые гамма-излучением, через сцинтилляционный интерфейс". Журнал ядерной науки и технологий. 48 (12): 1428–1436. Дои:10.1080/18811248.2011.9711836. ISSN  0022-3131. S2CID  98136174.
  18. ^ Го, Сяо; Лю, Юньпэн; Сюй Чжихэн; Цзинь, Чжананг; Лю, Кай; Юань, Цзычэн; Гонг, Пин; Тан, Сяобинь (1 июня 2018 г.). «Многоуровневые радиоизотопные батареи на основе γ-источника 60Co и двойных радиогальванических / радиофотовольтаических двойных эффектов». Датчики и исполнительные механизмы A: физические. 275: 119–128. Дои:10.1016 / j.sna.2018.04.010. ISSN  0924-4247.
  19. ^ Bindu, K.C .; Хармон, Фрэнк; Старовойтова, Валерия; Стоунер, Джон; Уэллс, Дуглас (2013). «Оптимизация фотоядерного производства радиоизотопов в промышленных масштабах». Материалы конференции AIP. 1525 (1): 407–411. Дои:10.1063/1.4802359.
  20. ^ Вальднер, Жан-Батист (2007). Изобретатель l'Ordinateur du XXIème Siècle. Лондон: Гермес Наука. п. 172. ISBN  978-2-7462-1516-0.
  21. ^ Вальднер, Жан-Батист (2008). Нанокомпьютеры и Swarm Intelligence. Лондон: ISTE Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-1-84704-002-2.

внешние ссылки