Бетавольтаическое устройство - Betavoltaic device

Эта статья об устройствах, вырабатывающих электричество непосредственно из бета-частиц. Для устройств, использующих фотоэлементы, см. оптоэлектрическая ядерная батарея.

А бетавольтаическое устройство (бетавольтаическая ячейка или же бетавольтаическая батарея) является разновидностью ядерная батарея который порождает электрический ток из бета-частицы (электроны ) испускается из радиоактивный источник, используя полупроводниковые переходы. Обычно используется источник водород изотоп тритий. В отличие от большинство ядерных источников энергии которые используют ядерное излучение для генерации тепла, которое затем используется для выработки электричества, бета-гальванические устройства используют нетепловой процесс преобразования, преобразовывая электронно-дырочные пары, образованные ионизационным следом бета-частиц, проходящих через полупроводник.[1]

Бетавольтаические источники энергии (и связанные с ними технологии буквенно-электрический источники энергии[2]) особенно хорошо подходят для маломощных электрических систем, где долгая жизнь источника энергии, например имплантируемые медицинские устройства или же военный и Космос Приложения.[1]

История

Бетавольтаика была изобретена в 1970-х годах.[3] Немного кардиостимуляторы в 1970-х годах использовали бетавольтаику на основе прометий,[4] но были прекращены по мере разработки более дешевых литиевых батарей.[1]

Рано полупроводник материалы не были эффективны при преобразовании электроны из бета-распад в полезный ток, поэтому более высокая энергия, более дорогая и потенциально опаснаяизотопы были использованы. Наиболее эффективные полупроводниковые материалы, используемые сегодня[5] может сочетаться с относительно доброкачественными изотопами, такими как тритий, которые производят меньше излучения.[1]

В Betacel считалась первой успешно коммерциализированной бетавольтаической батареей.

Предложения

Основное использование бетавольтаики - это удаленное и долгосрочное использование, например, космический корабль требуется электричество на десятилетие или два. Недавний прогресс побудил некоторых предложить использовать бетавольтаику для подзарядки обычные батареи в потребительских устройствах, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры.[6] Еще в 1973 году бетавольтаические технологии были предложены для использования в медицинских устройствах длительного пользования, таких как кардиостимуляторы.[4]

В 2016 году было предложено углерод-14 в структуре кристалла алмаза может быть использован в качестве более долгоживущего бетавольтаического устройства ( алмазная батарея ). Углерод-14 может быть получен из графитовых блоков выведенных из эксплуатации реакторы с графитовым замедлителем.[7][8][9] В противном случае блоки обрабатываются как ядерные отходы с период полураспада 5700 лет. К извлечение углерода-14 из графитовых блоков и превратив его в алмаз кристаллическая структура, радиоактивный изотоп углерода может использоваться в качестве источника энергии, позволяя повторно использовать оставшийся нерадиоактивный графит для других приложений, таких как карандаши или электродвигатель кисти. Хотя специфическая деятельность углерода-14 низкий, и поэтому удельная мощность Ядерно-алмазные батареи малы, их можно использовать для малой мощности сенсорные сети и мониторинг состояния конструкций.[10]

В 2018 году российский дизайн на основе 2-микронной толщины никель-63 были введены плиты, зажатые между слоями алмаза 10 микрон. Он давал выходную мощность около 1 мкВт при удельная мощность 10 мкВт / см3. Его удельная энергия составляла 3,3 кВтч / кг. Период полураспада никеля-63 составляет 100 лет.[11][12][13]

Недостатки

По мере того, как радиоактивный материал испускается, его активность постепенно снижается (см. период полураспада ). Таким образом, со временем бета-гальваническое устройство будет обеспечивать меньшую мощность. Для практических устройств это уменьшение происходит в течение многих лет. За тритий устройств, период полураспада 12,32 года. При проектировании устройства необходимо учитывать, какие характеристики батареи требуются в конце срока службы, и гарантировать, что характеристики в начале срока службы учитывают желаемый срок службы.

Ответственность, связанная с законами об окружающей среде и воздействием трития на человека и его бета-распадом, также должна приниматься во внимание при оценке рисков и разработке продукции. Естественно, это увеличивает как время вывода на рынок, так и и без того высокую стоимость, связанную с тритием. Отчет правительства Великобритании за 2007 год Агентство по охране здоровья Консультативная группа по ионизирующему излучению заявила, что риски для здоровья от воздействия трития в два раза превышают установленные ранее Международная комиссия по радиологической защите находится в Швеции.[14]

Доступность

Бетавольтайческие ядерные батареи можно купить на коммерческой основе. Доступные устройства включают устройство с тритиевым питанием мощностью 100 мкВт и весом 20 грамм.[15][16]

Безопасность

Хотя в бетавольтаике в качестве источника энергии используется радиоактивный материал, используемые бета-частицы имеют низкую энергию и их легко остановить с помощью экранирования в несколько миллиметров. При правильной конструкции устройства (то есть с надлежащей защитой и защитой) бетавольтаическое устройство не будет излучать опасное излучение. Утечка закрытого материала может вызвать риск для здоровья, так же как и утечка материалов в других типах батарей (таких как литий, кадмий и вести ) приводит к серьезным проблемам со здоровьем и окружающей средой.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Батарея на 25 лет: долгоживущие ядерные батареи, работающие на изотопах водорода, проходят испытания для использования в военных целях., Кэтрин Бурзак, Обзор технологий, MIT, 17 ноября 2009 г.
  2. ^ Исследовательский центр НАСА Гленна, Альфа- и бета-вольтаики В архиве 2011-10-18 на Wayback Machine (доступ 4 октября 2011 г.)
  3. ^ «Обзор и предварительный просмотр технологии ядерных батарей». large.stanford.edu. Получено 2018-09-30.
  4. ^ а б Olsen, L.C. (Декабрь 1973 г.). «Бетавольтайческое преобразование энергии». Преобразование энергии. Elsevier Ltd. 13 (4): 117–124, ИН1, 125–127. Дои:10.1016/0013-7480(73)90010-7.
  5. ^ Максименко, Сергей И .; Мур, Джим Э .; Affouda, Chaffra A .; Дженкинс, Филлип П. (декабрь 2019 г.). «Оптимальные полупроводники для бетавольтаики 3H и 63Ni». Научные отчеты. 9 (1): 10892. Bibcode:2019НатСР ... 910892М. Дои:10.1038 / s41598-019-47371-6. ISSN  2045-2322. ЧВК  6659775. PMID  31350532.
  6. ^ "betavoltaic.co.uk". Получено 21 февраля 2016.
  7. ^ "'Алмазный век энергетики как развития ядерных батарей ». Институт окружающей среды Кабота, Бристольский университет.
  8. ^ Бристольский университет (27 ноября 2016 г.). "'Алмазный век энергетики как развития ядерных батарей ». Phys.org. Получено 2020-09-01.
  9. ^ Дакетт, Адам (29 ноября 2016 г.). «Алмазная батарея из ядерных отходов». Инженер-химик. В архиве из оригинала от 02.12.2016. Получено 2016-12-02.
  10. ^ Оверхаус, Дэниел (31 августа 2020 г.). «Являются ли радиоактивные алмазные батареи лекарством от ядерных отходов?». Получено 31 августа 2020 - через Wired.com.
  11. ^ Бормашов, В. С .; Трощиев, С.Ю .; Тарелкин, С. А .; Волков, А.П .; Тетерук, Д. В .; Голованов, А. В .; Кузнецов, М. С .; Корнилов, Н. В .; Терентьев, С. А .; Бланк, В. Д. (01.04.2018). «Прототип ядерной батареи высокой плотности на основе алмазных диодов Шоттки». Алмаз и сопутствующие материалы. 84: 41–47. Дои:10.1016 / j.diamond.2018.03.006. ISSN  0925-9635.
  12. ^ «Прототип ядерных аккумуляторных батарей в 10 раз большей мощности». Московский физико-технический институт. Получено 2020-09-01.
  13. ^ Ирвинг, Майкл (3 июня 2018 г.). «Российские ученые вложили больше энергии в прототип ядерной батареи». newatlas.com. Получено 2018-06-14.
  14. ^ Эдвардс, Роб (29 ноября 2007 г.). «Рейтинг опасности трития» следует увеличить вдвое.'". Новый ученый.
  15. ^ «Технические характеристики серии NanoTritiumTM Betavoltaic P200». 2018. Получено 2020-09-01.
  16. ^ «Коммерчески доступные батареи NanoTritium могут питать микроэлектронику более 20 лет». Новый Атлас. 2012-08-16. Получено 2020-09-01.
  17. ^ Махер, Джордж (октябрь 1991). «Основы батареи». Комиссии округов, Государственный университет Северной Дакоты и Министерство сельского хозяйства США. Государственный университет Северной Дакоты. Получено 29 августа, 2011.

внешняя ссылка

Библиотечные ресурсы о
Бетавольтаическое устройство