این اختراع مربوط به دستگاه هایی است که انرژی ذرات ساطع شده از ایزوتوپ ها را به جریان الکتریکی تبدیل می کند و می تواند به عنوان باتری در موارد مختلف استفاده شود. لوازم برقی، مصرف جریان کمی است، اما مجبور به کار بدون جایگزینی منابع برق به مدت ده سال. ماهیت اختراع در این واقعیت نهفته است که یک باتری هسته ای حاوی محفظه ای پر از مواد ایزوتوپی است که در آنجا قرار می گیرد. حداقلیک آشکارساز نیمه هادی که در آن چاه هایی در حجم ایجاد می شود و همه اندازه چاه ها کمتر از میانگین مسیر آزاد ذرات ساطع شده توسط ایزوتوپ گازی هستند، در حالی که آشکارساز به شکل لایه های متناوب n +، i ساخته شده است. (اعم از ν یا π) و p + -نوع رسانایی در این دنباله n + -i-p + -i-…-n + -i-p +، و این لایه‌ها در صفحات عمود بر دیواره چاه‌ها قرار دارند. کنتاکت های اهمی برای لایه های نوع n+ ایجاد می شوند که به صورت الکتریکی به یکدیگر متصل می شوند و همین کنتاکت ها برای لایه های نوع p+ که به هم متصل هستند ایجاد می شوند. نتیجه فنی- ساده سازی فناوری ساخت آشکارساز نیمه هادی که انرژی ذرات بتا را به جریان الکتریکی تبدیل می کند. 1 بیمار
این اختراع مربوط به دستگاه هایی است که انرژی ذرات ساطع شده توسط ایزوتوپ ها را به جریان الکتریکی تبدیل می کند و می تواند به عنوان باتری در دستگاه های الکترونیکی مختلف که جریان کمی مصرف می کنند، استفاده شود، اما مجبورند به مدت ده سال بدون جایگزینی منابع برق کار کنند، به عنوان مثال، در ضربان سازها، یا در حسگرهای اعماق دریا، یا در وسایلی که به فضا پرتاب می شوند، یا در ابزارهایی که در مکان های صعب العبور نصب شده اند.
باتری‌های هسته‌ای شناخته شده‌اند که اصل کارکرد آنها مبتنی بر تبدیل انرژی ذرات ناشی از فروپاشی رادیواکتیو ایزوتوپ‌ها به جریان الکتریکی هنگام عبور از آشکارساز نیمه‌رسانا است که در حالت بتا یا فتوولتائیک کار می‌کند. باتری های شناخته شده از ایزوتوپ های گازی، مایع و جامد استفاده می کنند که کوانتوم های آلفا، بتا و گاما ساطع می کنند.
دستگاهی شناخته شده است که حاوی محفظه ای است که در آن یک آشکارساز نیمه هادی ساخته شده است سیلیکون آمورفکه نمایانگر ساختار p-i-n است و داخل کیس با تریتیوم (3 H) پر شده است که الکترون ساطع می کند. نیمه عمر تریتیوم تقریباً 12 سال است. در حالت کار، هر ذره بتا که به سطح آشکارساز می رسد به داخل آشکارساز پرواز می کند و بیش از هزار جفت الکترون-حفره در آن ایجاد می کند. حفره ها و الکترون های حاصل توسط میدان داخلی ساختار p-i-n از هم جدا می شوند که منجر به تشکیل ولتاژ در کنتاکت های آشکارساز و ظاهر شدن آن می شود. جریان الکتریسیتههنگام اتصال بار نقطه ضعف چنین باتری مقادیر کم جریان است که متناسب با مساحت تنها یک سطح آشکارساز تخت است.
نزدیکترین آنالوگ اختراع پیشنهادی باتری ایزوتوپی است که در حق اختراع آمریکایی (پتنت US 6774531) پیشنهاد شده است. نمونه اولیه به دلیل طراحی خاص آشکارساز سیلیکونی سه بعدی، کارایی آشکارساز را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.
باتری شناخته شده حاوی محفظه ای پر از گاز تریتیوم است که حاوی یک آشکارساز بتاولتائیک ساخته شده از سیلیکون نوع n است. چاه هایی برای تریتیوم در حجم آشکارساز ایجاد می شود که روی دیواره های آن لایه ای از رسانایی نوع p + تشکیل می شود و همه اندازه چاه ها از میانگین مسیر آزاد الکترون ها در تریتیوم تجاوز نمی کنند.
عیب دستگاه شناخته شده این است که اجرای یک آشکارساز حاوی چاه های عمیق در حجم نیمه هادی که روی دیواره های آن یک اتصال p-n تشکیل شده است، بسیار دشوار است. مشکل فنی، تا کنون فقط برای سیلیکون حل شده است. برای نیمه هادی های دیگر که چگالی بالاتری نسبت به سیلیکون دارند، طراحی آشکارساز شناخته شده عموماً بی اثر است. در واقع، با انرژی متوسط الکترون های E = 6 کو گسیل شده توسط تریتیوم، الکترون تنها تا عمق 0.1-0.2 میکرومتر و در حضور لایه ای از نوع p بر روی دیواره ها قادر خواهد بود به آشکارساز نفوذ کند. چاه ها، بخش قابل توجهی از بار تولید شده توسط الکترون ها بدون رسیدن به اتصال p-n در آن دوباره ترکیب می شود.
نتیجه فنی که راه حل ادعا شده در نظر گرفته شده است، رفع این کاستی ها است.
این نتیجه با این واقعیت حاصل می شود که یک باتری هسته ای مبتنی بر ایزوتوپ های رادیواکتیو حاوی محفظه ای پر از مواد ایزوتوپی است که در آن حداقل یک آشکارساز نیمه هادی قرار داده شده است که در آن چاه هایی در حجم ایجاد می شود و همه اندازه های چاه کمتر است. از مسیر آزاد ذرات ساطع شده توسط ایزوتوپ گازی، متفاوت است در این که لایه‌های متناوب n +، i (اعم از ν یا π) و p + -انواع رسانایی در حجم آشکارساز به ترتیب زیر ایجاد می‌شوند: n + -i-p + -i-…-n + -i-р +، علاوه بر این، این لایه ها در صفحات عمود بر دیواره چاه ها قرار دارند، تماس های اهمی با لایه های نوع n + ایجاد می شود، به طور الکتریکی به یکدیگر متصل می شوند، یکسان. مخاطبین به لایه های نوع p+ ایجاد می شوند و همچنین متصل می شوند.
در دستگاه پیشنهادی، طراحی آشکارساز نیاز به ایجاد اتصالات p-n بر روی دیواره چاه ها را بی نیاز می کند. بنابراین، آشکارساز را می توان نه تنها از سیلیکون، بلکه از نیمه هادی های دیگر، به عنوان مثال، آرسنید گالیوم نیز ساخت.
شکل 1 به صورت شماتیک یک مقطع از یکی از طرح های احتمالی باتری پیشنهادی را نشان می دهد. باتری حاوی محفظه 1 با الکترودهای 2 و 3 است. محفظه با مواد ایزوتوپ رادیواکتیو پر شده است. آشکارسازها از مواد اپیتاکسیال حاوی دنباله ای از لایه های n + 7، i 8، p + 9 ساخته شده اند؛ لایه های بسیار دوپ شده n + 7، p + 9 به ترتیب دارای کنتاکت های اهمی 10 و 11 هستند که توسط سیم به الکترودهای 2 و 3 متصل می شوند. از مسکن. چاه های 12 عمود بر صفحاتی تشکیل می شوند که در آن لایه های n + , i, p + در حجم آشکارساز رشد می کنند.
نمونه ای از اجرای عملی مهر و موم شده مورد فلزی 1، با داشتن الکترودهای 2 و 3 جدا شده الکتریکی از محفظه به دلیل درج دی الکتریک، دو آشکارساز 5 و 6 یکسان تعبیه شد که در این حالت، داخل محفظه با ذرات بتا ساطع کننده تریتیوم رادیواکتیو پر شد. آشکارسازها از آرسنید گالیم ساخته شده بودند که با استفاده از اپیتاکسی فاز گاز رشد کرده بودند. روی یک بستر رسانای نوع n +، لایه ها به صورت متوالی رشد کردند: n + لایه 7 با ضخامت 10 میکرومتر، i-لایه 8، کروم جبران شده در طول فرآیند اپیتاکسی، ضخامت 30 میکرومتر، p + - لایه 9 با یک ضخامت 10 میکرومتر، سپس لایه i 8 ضخامت 30 میکرومتر، n + لایه 7 ضخامت 10 میکرومتر و سپس دوباره لایه i 8 ضخامت 30 میکرومتر، p + لایه 9 ضخامت 10 میکرومتر. استفاده كردن روش های استانداردفوتولیتوگرافی، اچ شیمیایی و رسوب خلاء، تماس های اهمی 10 و 11 را به لایه های بسیار دوپ شده تشکیل دادند. با استفاده از اچینگ یونی راکتیو و اچ شیمیایی کوتاه مدت، چاه های 12 با قطر سوراخ بالایی 80 میکرومتر و گام 100 میکرومتر در آشکارسازها تشکیل شد. در نتیجه یک باتری هسته ای با طراحی جدید به دست آمد.
در حالت عملیاتی، با اندازه آشکارساز 5×5 سانتی متر مربع، حجم کل چاه های پر شده با تریتیوم 0.25 سانتی متر مکعب است. در این مورد، رادیواکتیویته حجم مشخص شده با تریتیوم 10 10 Bq است. از آنجایی که 70 درصد از الکترون های ساطع شده در نتیجه فروپاشی رادیواکتیو تریتیوم وارد مناطق فعال آشکارساز می شوند. به مناطق نیمه عایق 8 (برخی در لایه های بسیار دوپ شده قرار می گیرند) و هر الکترون تقریباً 1700 جفت الکترون-حفره تولید می کند، سپس حداکثر جریان از این باتری 2.5 μA خواهد بود.
بنابراین، یک باتری هسته ای با طراحی آشکارساز بتاولتائیک جدید پیشنهاد شده است. اجرای آشکارساز نیازی به ایجاد اتصالات p-n بر روی دیواره چاه های تشکیل شده در حجم آشکارساز ندارد، بنابراین، نه تنها از ساختارهای سیلیکونی می توان برای ایجاد آشکارساز نیمه هادی استفاده کرد.
منابع اطلاعاتی
1. Kherani N.P., Shmayda W.T., Zukotynski S. /Nuclear batteries/ Patent US 5606213, 1997.
2. Chu F.Y., Mannik L., Peralta S.B., Ruda H.E. /باتری نیمه هادی با رادیو ایزوتوپ/ پتنت US 5859484, 1999.
3. Gadeken L. / دستگاه و روش تولید جریان الکتریکی از فرآیند فروپاشی هسته ای مواد رادیواکتیو / ثبت اختراع US 6774531، 2004.
یک باتری هسته ای حاوی محفظه ای پر از مواد ایزوتوپی، که در آن حداقل یک آشکارساز نیمه هادی قرار داده شده است، که در آن چاه هایی در حجم ایجاد می شود و تمام ابعاد چاه ها کمتر از مسیر آزاد ذرات منتشر شده توسط ایزوتوپ گازی است، مشخص می شود. به این صورت که آشکارساز به شکل لایه های متناوب n +، i (یا ν یا π) و p + -انواع رسانایی در چنین دنباله ای n + -i-p + -i-…-n + -i-p + و این لایه ها در صفحات عمود بر دیواره چاه ها قرار دارند. برای لایه‌های نوع n + -، کنتاکت‌های اهمی ایجاد می‌شوند که به صورت الکتریکی به یکدیگر متصل می‌شوند، همان کنتاکت‌ها به لایه‌های نوع p + - که آنها نیز متصل هستند ایجاد می‌شود.
اختراعات مشابه:
این اختراع مربوط به یک دستگاه رسوب بخار پلاسما برای تولید ماژول های سلول خورشیدی لایه نازک سیلیکونی، روشی برای تولید ماژول های لایه نازک و پانل های فتوولتائیک لایه نازک سیلیکونی است.
این اختراع به استفاده از کامپوزیت پلاستیکی حاوی مواد حامل منتخب از گروه پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پلی اتیلن نفتنات (PEN) یا اتیلن تترا فلوئورواتیلن کوپلیمر (ETFE) و همچنین لایه هایی از پلی آمید-12 در مرز مواد حامل مربوط می شود. در هر دو طرف، برای به دست آوردن ماژول های فتوولتائیک.
این اختراع مربوط به زمینه طراحی و فناوری ساخت مبدل های فوتوالکتریک (PC) تابش خورشیدی به جریان الکتریکی است و می تواند در تولید فتوسل های خورشیدی استفاده شود.
سرانجام، Rosatom در زمینه باتری ما ظاهر شد و در انجمن Atomexpo-2017 نشان داده شد. باتری هسته ایبا عمر مفید حداقل 50 سال. با بهره گیری از این موقعیت مهم، چشم انداز استفاده از اتم صلح آمیز را در نظر خواهیم گرفت دستگاه های تلفن همراه.
باتری اتمی (هسته ای).- این هنوز یک باتری است، نه یک باتری، زیرا طبق تعریف، یک منبع یکبار مصرف جریان الکتریکی است، بدون امکان شارژ مجدد. با وجود این، تخیل عمومی به طور فعال با چشم انداز استفاده از باتری های هسته ای در دستگاه های تلفن همراه هیجان زده است. اما اول از همه.
Rosatom دقیقاً چه چیزی را در انجمن ارائه کرد؟ مدیر عامل FSUE NII NPO Luch، Pavel Zaitsev، اظهار داشت که منبع ارائه شده، که بر روی ایزوتوپ Ni63 کار می کند، قادر به تولید 1mkW با ولتاژ 2V به مدت 50 سال است. پاول زایتسف کاملاً صریح در مورد ویژگی های ولتاژ جریان متوسط صحبت می کند و تأکید اصلی را بر عمر طولانی دارد. احتمالاً صرفاً از روی فروتنی شخصی ، مدیر کل شرکت واحد ایالتی فدرال "موسسه تحقیقاتی NPO Luch" در مشخصات فنیفقط قدرت، ظرفیت پذیرفته نشده عمومی. اما ما آن را ضمیمه نمی کنیم پراهمیتو به سادگی ظرفیت را محاسبه کنید:
C = 0.000001W * 50 سال * 365 روز * 24 ساعت / 2 ولت = 219 میلی آمپر
معلوم می شود که ظرفیت یک باتری هسته ای، به اندازه یک باتری کوچک جهانی، درست مانند ظرفیت باتری لیتیوم پلیمری (Li-Pol) برای هدفون های بلوتوث است! پاول زایتسف استفاده از باتری هسته‌ای خود را در قلب و عروق پیشنهاد می‌کند که با توجه به این موارد تردیدهای جدی را ایجاد می‌کند اندازه های بزرگ. شاید بتوان این باتری هسته ای را به عنوان نوعی نمونه اولیه برای تولید الکتریسیته از ایزوتوپ ها دید، اما Rosatom باید باتری را هزاران بار کوچک کند تا متناسب با ضربان سازهای مدرن باشد.
از قیمتش اصلا راضی نیستم باتری هسته ای- مدیر شرکت واحد دولتی قیمت ایزوتوپ نیکل را به دلار (!) 4000 دلار در گرم اعلام کرد. آیا این بدان معناست که قطعه اصلی از روسیه در خارج از کشور خریداری می شود؟ چند گرم برای ساخت یک باتری لازم است؟ در همان زمان، اشاره شد که عناصر الماس نیز مورد نیاز خواهند بود (همچنین مشخص نیست چند؟)، اما هزینه آن (از قبل به روبل) از 10000 تا 100000 روبل در هر قطعه متغیر است. هزینه کل چنین باتری چقدر خواهد بود؟ پیس میکرها در روسیه تحت بیمه نامه پزشکی اجباری در موارد اضطراری یا در صورت وجود سهمیه به صورت رایگان نصب می شوند. در صورت ناکافی بودن سهمیه و برای پیس میکرهای ساخت خارجی، بیماران باید هزینه آن را خودشان بپردازند. آیا باتری‌های هسته‌ای با هزینه بیمه سلامت اجباری نصب می‌شوند یا افراد مسن باید آنها را جداگانه خریداری کنند؟ اگر مدیریت Rosatom به یاد می آورد که بازنشستگان روسی در حالت "یک روز ایستادن و یک شب ایستادن" زندگی می کنند، احتمالاً به ناهماهنگی پوچ بین عمر خدمات کیهانی و هزینه پی می بردند. این نشان می دهد که پاول زایتسف محترم به طور فعال از بودجه اختصاص داده شده برای تحقیق و توسعه استفاده می کند، بدون اینکه به هیچ وجه فکر کند. کاربران نهایی. کاربران ارزیابی مشابهی از "اختراع" Rosatom ارائه می دهند. شبکه های اجتماعی:
بعید است جایی استفاده شود. من بیش از حد مطمئن هستم که بودجه مانند همیشه خرج شده است، بخشی از آن صرف ارائه شده است و هیچ کس هرگز خود محصول را نخواهد دید :)
عمر مفید اعلام شده (50 سال)، همانطور که حدس زدیم، دقیقاً نیمی از نیمه عمر Ni 63 (100 سال) است. همین منطق توسط دانشمندان دانشگاه بریستول در یک ویدیوی مفهومی استفاده می شود. برخلاف باتری Rosatom، باتری هسته ای بریستول از ایزوتوپ C 14 استفاده می کند و می تواند 5730 سال کار کند! در واقع دانشگاه بریستول تقسیم بر 2 را فراموش کرد، اما 2865 سال برای یک ضربان ساز بسیار طولانی است. منحصر به فرد مفهوم بریستول در این واقعیت نهفته است که مشکل زباله های هسته ای با بازیافت آن ها حل می شود. باتری های هسته ای.
اگر متن این ویدیو را با دقت گوش کنید و ترجمه کنید، خیلی چیزهای بیشتری مشخص خواهد شد. اطلاعات جالب. ابتدا منشاء ایزوتوپ C 14 به تفصیل شرح داده شده است
از سال 1940، انگلستان راکتورهای هسته ای زیادی را برای اهداف علمی، نظامی و غیر نظامی ساخته است. همه این راکتورها از اورانیوم به عنوان سوخت استفاده می کنند و داخل راکتور از بلوک های گرافیتی ساخته شده است. این بلوک‌های گرافیتی در فرآیند شکافت هسته‌ای برای کنترل واکنش زنجیره‌ای که تولید می‌کند استفاده می‌شوند منبع دائمیحرارت. سپس از این گرما برای تبدیل آب به بخار استفاده می شود که سپس توربین ها را برای تولید برق می چرخاند. نیروگاه های هسته ای زباله های هسته ای تولید می کنند که باید به طور ایمن دفع شوند. ما فقط باید منتظر بمانیم تا این زباله ها دیگر رادیواکتیو نباشند. متأسفانه این امر هزاران و میلیون ها سال طول می کشد. همچنین برای نظارت بر امنیت در این سال‌ها به پول زیادی نیاز است. از آنجایی که ما از راکتورهای گرافیتی استفاده می کنیم، انگلستان 95000 تن بلوک گرافیتی حاوی تشعشع ایجاد کرد. این گرافیت تنها یک شکل از کربن است، یک عنصر ساده و پایدار، اما اگر این بلوک ها را در مکانی بسیار پرتوزا قرار دهید، آنگاه مقداری از کربن به کربن 14 تبدیل می شود. کربن 14 می تواند زمانی که انرژی اضافی آن تمام شود به کربن 12 معمولی تبدیل شود. اما این یک فرآیند بسیار طولانی است زیرا نیمه عمر کربن 14 5730 سال است.
اخیراً دانشمندان مؤسسه کابوت دانشگاه بریستول نشان داده‌اند که کربن 14 در بلوک‌هایی با تابش از بیرون متمرکز می‌شود. این بدان معناست که می‌توان بیشتر تابش را با گرم کردن آنها حذف کرد - بیشتر تابش به صورت گاز خارج می‌شود. بلوک‌های گرافیتی باقی‌مانده هنوز رادیواکتیو هستند، اما نه به اندازه، به این معنی که دفع آنها آسان‌تر و ارزان‌تر خواهد بود. کربن رادیواکتیو 14 به شکل گاز، می‌تواند در فشارهای پایین پردازش شود و دمای بالادر الماس شکل دیگری از کربن است. الماس های ساخت بشر که از کربن رادیواکتیو ساخته شده اند، جریانی از تابش بتا ساطع می کنند که می تواند جریان الکتریکی ایجاد کند. این انرژی هسته ای یک باتری الماس را به ما می دهد. برای اینکه آن را برای استفاده ما ایمن کند، با یک لایه الماس غیر رادیواکتیو پوشانده شده است که تمام تشعشعات را کاملاً جذب کرده و تقریباً 100٪ آن را به برق تبدیل می کند. هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد، هیچ تعمیر و نگهداری وجود ندارد، الماس به سادگی برق تولید می کند. از آنجایی که الماس سخت ترین ماده در جهان است، هیچ ماده دیگری نمی تواند چنین محافظتی را برای کربن رادیواکتیو 14 فراهم کند. بنابراین، مقادیر بسیار کمی از تشعشعات را می توان در خارج تشخیص داد. اما میزان تشعشع آن تقریباً برابر با یک موز است، بنابراین کاملاً بی خطر است. همانطور که گفتیم، تنها نیمی از کربن 14 بعد از هر 5730 سال پوسیده می شود، به این معنی که باتری الماس ما طول عمر شگفت انگیزی دارد - فقط 50٪ در 7746 تخلیه می شود. این باتری های الماسی به بهترین وجه در جایی استفاده می شوند که باتری های معمولی قابل تعویض نیستند. به عنوان مثال در ماهواره ها برای تحقیقات فضایی یا برای دستگاه های کاشته شده مانند ضربان ساز.
همه را تشویق می کنیم پیشنهادات خود را به #diamondbattery ارسال کنند. توسعه این تکنولوژی جدیدمی تواند بسیاری از مشکلات را حل کند، مانند: زباله های هسته ای، برق پاک و افزایش عمر باتری. این ما را وارد «عصر الماس» تولید انرژی خواهد کرد.
یک مفهوم بسیار زیبا توسط دانشمندان بریستول در سال 2016 و یک جعبه بسیار ساده از Rosatom ممکن است (؟) روزی به نیروگاه های الماس تبدیل شود، اما نه باتری های هسته ای برای دستگاه های تلفن همراه. متقاعد کردن مردم برای راه رفتن با فوکوشیما در جیب دشوار خواهد بود، حتی اگر شروع به پرداخت هزینه اضافی برای آن کنند.
با استفاده از اتم در برای اهداف صلح آمیز- این یکی از مسائل بحث بر انگیزمدرنیته، اگر در نظر بگیریم که انرژی انحصاری ترین بخش اقتصاد است، زمانی که مالیات و عوارض بیش از 90 درصد قیمت کیلووات برق را تشکیل می دهند. اثربخشی اتم صلح آمیز مشکوک است، زیرا قیمت انرژی هسته ای نسبتا ارزان هزینه عواقب ساخت بشر را شامل نمی شود. از این رو برخی از کشورها از جمله آلمان و ژاپن تصمیم گرفته اند به طور کامل استفاده از انرژی هسته ای در انرژی را کنار بگذارند. از این گذشته، با توسعه منابع انرژی تجدیدپذیر، نه تنها می توان انرژی هسته ای را به طور کامل کنار گذاشت، بلکه می توان یک صنعت با فناوری پیشرفته با میلیون ها شغل بسیار ماهر ایجاد کرد.
به طور خلاصه، ما به احتمال زیاد یک مته فنی دیگر از نوع "سوپر باتری" داریم، و نه یک "اختراع" پیشرفت در عصر الماس. به عبارت دیگر، استفاده از یک اتم صلح آمیز در ریزانرژی مانند تراشیدن خوک است - جیغ زیاد است، اما پشم کافی نیست!
در دهه 50 قرن گذشته، بتا ولتیک - یک فناوری برای استخراج انرژی تابش بتا - توسط دانشمندان به عنوان پایه ای برای ایجاد منابع انرژی جدید در آینده در نظر گرفته شد. امروزه، دلایل واقعی وجود دارد که می‌توان با اطمینان ادعا کرد که استفاده از واکنش‌های هسته‌ای کنترل‌شده ذاتاً ایمن است. ده ها فناوری هسته ای در حال حاضر توسط مردم در حال استفاده است زندگی روزمرهیک مثال آشکارسازهای دود رادیوایزوتوپ است.
و به این ترتیب، در مارس 2014، دانشمندان Jae Kwon و Bek Kim که در دانشگاه میسوری، کلمبیا، ایالات متحده آمریکا کار می‌کردند، اولین نمونه اولیه یک منبع انرژی فشرده بر اساس استرانسیوم-90 و آب را تولید کردند. که در در این موردنقش آب به عنوان یک بافر انرژی است که در ادامه توضیح داده خواهد شد.
باتری هسته‌ای سال‌ها بدون تعمیر کار می‌کند و می‌تواند از طریق فرآیند تجزیه مولکول‌های آب، هنگامی که با ذرات بتا و سایر محصولات فروپاشی استرانسیوم-۹۰ رادیواکتیو برهم‌کنش دارند، جریان الکتریکی تولید کند.
قدرت چنین باتری باید کاملاً برای تأمین انرژی وسایل نقلیه الکتریکی و حتی فضاپیماها کافی باشد. راز محصول جدید ترکیبی از بتاولتائیک و یک روند فیزیکی نسبتاً جدید - تشدید کننده های پلاسمونیک است.
پلاسمون ها به طور فعال در طول چند سال گذشته در توسعه خاص مورد استفاده قرار گرفته اند دستگاه های نوری، از جمله فوق العاده کارآمد پنل های خورشیدی، لنزهای کاملا تخت و جوهر مخصوص چاپ با وضوح چند برابر حساسیت چشم ما. تشدید کننده های پلاسمونیک ساختارهای خاصی هستند که هم می توانند انرژی را به شکل امواج نور و سایر اشکال تابش الکترومغناطیسی جذب و منتشر کنند.
امروزه منابع انرژی رادیوایزوتوپی وجود دارد که انرژی واپاشی اتم ها را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند، اما این به طور مستقیم اتفاق نمی افتد، بلکه از طریق زنجیره ای از فعل و انفعالات فیزیکی میانی رخ می دهد.
ابتدا قرص های مواد رادیواکتیو بدنه ظرفی را که در آن قرار دارند گرم می کنند سپس این گرما از طریق ترموکوپل ها به الکتریسیته تبدیل می شود.
در هر مرحله از تحول گم می شود مقدار زیادیانرژی، راندمان چنین باتری های رادیوایزوتوپ از 7٪ تجاوز نمی کند. Betavoltics برای مدت طولانیدر عمل به دلیل تخریب بسیار سریع قطعات باتری در اثر تشعشع استفاده نشد.
در پایان، دانشمندان راهی برای تبدیل مستقیم انرژی آزاد شده همراه با محصولات فروپاشی اتم های ناپایدار پیدا کردند. مشخص شد که ذرات بتا (الکترون هایی که سرعت آنها در هنگام فروپاشی یک اتم بسیار زیاد است) قادر به تجزیه مولکول های آب به هیدروژن، رادیکال هیدروکسیل و یون های دیگر هستند.
تحقیقات نشان داده است که از این بخش های تجزیه شده مولکول های آب می توان برای استخراج مستقیم انرژی که از برخورد ذرات بتا جذب می کنند استفاده کرد.
برای اینکه یک باتری هسته ای آب کار کند، ساختار خاصی از صدها ستون میکروسکوپی از اکسید تیتانیوم که با یک فیلم پلاتین پوشیده شده است، شبیه به یک شانه، مورد نیاز است. در دندانه های آن و روی سطح پوسته پلاتین ریز منافذ زیادی وجود دارد که محصولات تجزیه آب مذکور از طریق آنها می توانند به داخل دستگاه نفوذ کنند. بنابراین، در حین کار باتری، تعدادی واکنش شیمیایی در "شانه" رخ می دهد - تجزیه و تشکیل مولکول های آب رخ می دهد و الکترون های آزاد ایجاد و جذب می شوند.
انرژی آزاد شده در تمام این واکنش ها توسط "سوزن ها" جذب شده و به الکتریسیته تبدیل می شود. به لطف پلاسمون‌هایی که روی سطح ستون‌ها ظاهر می‌شوند و دارای ویژگی‌های فیزیکی ویژه‌ای هستند، چنین باتری آب-هسته‌ای به حداکثر بازدهی ۵۴ درصدی می‌رسد که تقریباً ده برابر بیشتر از منابع جریان رادیوایزوتوپ کلاسیک است.
محلول یونی مورد استفاده در اینجا بسیار دشوار است برای انجماد حتی با مقدار کافی دمای پایین محیطکه امکان استفاده از باتری‌های تولید شده با فناوری جدید را برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی و با بسته‌بندی مناسب در فضاپیماها برای اهداف مختلف ممکن می‌سازد.
نیمه عمر استرانسیوم-90 رادیواکتیو تقریباً 28 سال است، بنابراین باتری هسته ای کوون و کیم می تواند بدون اتلاف قابل توجه نیرو برای چندین دهه کار کند، تنها با کاهش 2 درصدی قدرت در سال. دانشمندان معتقدند چنین پارامترهایی چشم انداز روشنی را برای پذیرش گسترده وسایل نقلیه الکتریکی باز می کند.
آزمایشگاه سیتی تولید باتری های اتمی نانوتریتیوم واقعی را آغاز کرده است. منبع انرژی در این باتری ها تجزیه هیدروژن فوق سنگین - تریتیوم است. باتری در یک محفظه ریز مدار تولید می شود این لحظههزینه آن بسیار بالا است و حدود 1000 دلار است. تریتیوم یکی از ده ماده گران قیمت جهان است و گرم آن 30000 دلار قیمت دارد.
تریتیوم ایزوتوپ رادیواکتیو هیدروژن است. هسته تریتیوم از یک پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. هنگامی که تریتیوم تجزیه می شود، به 3He تبدیل می شود. نیمه عمر تقریباً 13 سال است. انرژی الکترون های ساطع شده کم است - از 6.5 کو تا 18.59 کو. تابش توسط موانعی مانند لباس یا حتی پوست انسان متوقف می شود. وقتی تریتیوم مهر و موم شود، بی ضرر است. بخار تریتیوم همچنان یک خطر تشعشع است. با این حال، مقدار کمی از آن در باتری های اتمی نانوتریتیوم وجود دارد که این مشکلغیر مرتبط. یک میلی لیتر مکعب گاز تریتیوم دارای فعالیتی در حدود 94 GBq است.
تریتیوم برای مدت طولانی در تعدادی از دستگاه ها استفاده می شود. به عنوان مثال، می توان آن را روی عقربه های ساعت های درخشان در تاریکی یافت. عناصر نورانی ساعت به صورت فلاسک های مهر و موم شده پر از گاز تریتیوم ساخته شده اند. دیواره های داخلی فلاسک ها با لایه ای از فسفر پوشانده شده است. اصل عملکرد درخشش بسیار ساده است. الکترون های ساطع شده توسط تریتیوم در طی واپاشی بتا با فسفر برخورد می کنند و توسط آن جذب می شوند و باعث درخشش آن می شوند.
اصل کار یک باتری اتمی بسیار ساده است: فروپاشی تریتیوم واپاشی بتا است، هسته تریتیوم به هسته هلیوم-3 تبدیل می شود و یک الکترون پر انرژی ساطع می شود. تریتیوم به یک حجم کار سلولی یا می توان گفت اسفنجی از سیلیکون پمپ می شود. در سیلیکون، هر الکترون پر انرژی تعداد زیادی جفت الکترون-حفره ایجاد می کند. در واقع، فرآیندهای مشابهی در سلول‌های خورشیدی معمولی اتفاق می‌افتد - تنها با این تفاوت که در یک فتوسل، یک فوتون تنها یک جفت تولید می‌کند (به این دلیل که انرژی یک فوتون نوری هزاران بار کمتر از انرژی یک الکترون بتا است). سپس، تنها کاری که باید انجام دهید این است که مدار را ببندید و جریان جریان پیدا کند.
منبع انرژی اتمی از City Labs می تواند در برابر اختلاف دما از -50 تا 150 درجه سانتیگراد و همچنین تغییرات ارتفاع مناسب مقاومت کند. این باتری می تواند به مدت 20 سال کار کند و تا 2.4 ولت با جریان 50 تا 300 نانوآمپر تولید کند.
با این حال جریان ضعیفبرای تامین انرژی بسیاری از دستگاه ها کاملاً کافی است. به عنوان مثال، دستگاه های گوش دادن خاص. رادیواکتیویته عناصر تریتیوم از بدن خارج نمی شود و در ترکیب با مدرن قابل تشخیص نیست فناوری های دیجیتالبا رمزگذاری سیگنال، چنین باتری هایی به شما امکان ایجاد "شنود" ایده آل را می دهند. در پزشکی، از باتری‌های اتمی نانو تریتیوم نیز می‌توان برای نیرو دادن به ضربان‌ساز استفاده کرد.
باتری های تریتیوم تنها توسعه منابع انرژی ایزوتوپی نیستند. ایستگاه های بین سیاره ای آمریکا پایونیر و وویجر از منابع رادیوایزوتوپ پلوتونیوم استفاده می کنند. قدرت آنها در حال حاضر قابل توجه است - حدود 400 وات. و اتفاقاً بیش از چهل سال پیش ساخته شده اند و هنوز هم کار می کنند.
فیزیکدانان روسی باتری ابداع کرده اند که می تواند انرژی حاصل از واپاشی بتا - گسیل الکترون ها از یک عنصر رادیواکتیو - را به الکتریسیته تبدیل کند.
تیمی از محققان موسسه فولاد و آلیاژهای مسکو به سرپرستی پروفسور یوری پارکومنکو، رئیس بخش علوم مواد نیمه هادی ها و دی الکتریک ها، نمونه های اولیه باتری های رادیوایزوتوپ ایجاد شده با استفاده از فناوری تبدیل انرژی تابش بتا را ارائه کردند. انرژی الکتریکیبر اساس تک کریستال های پیزوالکتریک ایزوتوپ رادیواکتیو "نیکل-63" به عنوان منبع استفاده شد. نیمه عمر آن حدود 100 سال است که امکان ساخت باتری هایی با عمر مفید تا 50 سال را فراهم می کند.
نمونه اولیه باتری هسته ای ارائه شده توسط MISiS
سرپرست این اثر پروفسور یوری نیکولاویچ پارکومنکو است
چنین باتری‌هایی اغلب باتری‌های هسته‌ای نامیده می‌شوند، زیرا از فرآیند واپاشی بتا استفاده می‌کنند که در آن یکی از نوترون‌های هسته به پروتون تبدیل می‌شود و الکترون ساطع می‌کند. اگرچه واپاشی بتا نوعی تشعشعات رادیواکتیو است، اما مردم چیزی برای ترس ندارند. تشعشعات بتا در این حالت قابلیت نفوذ کمی دارد و به راحتی توسط پوسته حفظ می شود. و ایزوتوپ نیکل-63 استفاده شده تشعشع گاما همراهی ندارد. بنابراین خود باتری ها تشعشع نمی کنند و کاملا ایمن هستند.
برای جبران قدرت کم واپاشی بتا طبیعی، فیزیکدانان استفاده می کنند حالت پالسبا تجمع بار در این صورت می توان از هر سانتی متر مکعب دستگاه، توان جریان الکتریکی پیوسته 100-10 نانووات را تامین کرد. این نیرو برای تغذیه، مثلاً یک ضربان ساز، کافی است.
با تشکر از بلند مدتعمر باتری در مواردی که جایگزینی آنها نامطلوب یا غیرممکن باشد کاربرد پیدا می کند: در پزشکی، انرژی هسته ای، مهندسی هوافضا، نانو و میکروالکترونیک، در سیستم های امنیتی و کنترل.
انتخاب ایزوتوپ "نیکل-63" که در طبیعت وجود ندارد، به عنوان منبع انرژی تصادفی نیست. کشور ما نیز توسعه یافته است تکنولوژی منحصر به فردتولید آن در رآکتورهای هسته ای ویژه و غنی سازی تا حد مورد نیاز «نه کمتر از 80 درصد». تولید باتری برای منطقه کراسنویارسک برنامه ریزی شده است.
ویژگی های منحصر به فرد دستگاه توسعه یافته، فشرده بودن و ایمنی آن به ما این امکان را می دهد که به رقابت آن در بازار منابع تغذیه مشابه امیدوار باشیم.
تنها عیب باتری این است قیمت بالا. به دلیل هزینه بالای تولید نیکل-63 مرحله اولیهمی تواند چندین میلیون روبل باشد. با این حال، با توسعه فناوری و ایجاد تولید انبوه، قیمت ناگزیر کاهش قابل توجهی خواهد داشت.
