Електроенергія критично необхідна не лише великим містам, але й маленьким пристроям: космічним зондам, глибоководним приладам та кардіостимуляторам. Забезпечити їхню сталу автономну роботу можна ефектом природного розпаду радіоактивних ізотопів. Цей принцип втілено у механізмі ядерної батарейки, про який сьогодні й поговоримо.
Діла сердечні
Кардіостимулятор – найяскравіший приклад важливості злагодженої роботи ядерних батарейок. Кожна заміна такої батарейки – це повноцінна хірургічна операція, тож термін служби надзвичайно важливий.
У 1970-х роках понад 3000 пацієнтів у Америці отримали кардіостимулятори на ядерних батарейках замість ртутно-цинкових. Ядерні батарейки мали служити понад століття, а ось ртутно-цинкові потребували заміни що два роки. У «ядерних» кардіостимуляторах міститься 204 кюрі плутонію-238, напіврозпад якого становить 88 років. Деякі з тих 3000 пацієнтів, ймовірно, і досі живуть на плутонієвих кардіостимуляторах.
Сьогодні ядерні кардіостимулятори витіснили літієві: компактніші, легші у виробництві та досить довговічні (до 15 років) акумулятори. Та науковці досі шукають шлях до компактного джерела енергії, і найперспективнішим наразі є РІТЕГ – радіоізотопний термоелектричний генератор. Він виробляє енергію не керованою ланцюговою реакцією, а живиться енергією природного розпаду ізотопів (того ж плутонію-238).
Усередині класичного РІТЕГ – джерело тепла з ізотопом та термопара: два замкнені в контурі метали, які можуть проводити електрику. Втім, у РІТЕГ є кілька нюансів. По-перше, він занадто великий: конструкції важать тонни. По-друге, розпад всередині РІТЕГ неможливо контролювати, тож одразу після надходження палива він вироблятиме електрику, аж поки не здеградує остаточно.
Бета-вольтаїка як порятунок
Щоб прибрати великі теплові перетворювачі, науковці змістили фокус до бета-вольтаїчних пристроїв. Цей ефект перетворює альфа- та бета-випромінювання на електричний заряд завдяки напівпровідниковим перетворювачам. Ба більше, це можна робити у форматі мініатюрних батарейок.
Схема будови кардіостимулятора з бета-вольтаїчною батарейкою всередині. Джерело: AltEnergyMag
На відміну від акумулятора смартфона (який виробляє велику енергію за малий час), бета-вольтаїчні батареї виробляють малу енергію упродовж тривалого часу. Смартфон ними живити не вийде, а от забезпечити стабільну роботу малопотужних пристроїв він цілком може. Бета-вольтаїчні батареї безшумні, стабільні й не потребують обслуговування. Тривалість роботи залежить від ізотопу: нікель-63 працюватиме сотні років, а прометію-147 вистачить на кілька років.
Ядерні батарейки в дії
В основі механіки лежить бета-розпад, під час якого ядро ізотопу випромінює бета- та нейтральні частки. За допомогою напівпровідника їх перетворюють на електричний струм. Завдяки p-n-переходу у напівпровіднику з обох боків виникають надлишкові заряди, які утворюють електричне поле.
Фізично бета-вольтаїчна батарейка складається з шарів радіоактивного матеріалу, втиснутих між напівпровідниками. Уся «сіль» полягає в джерелі самого бета-випромінювання. Існує безліч варіантів: прометій-147, стронцій-90, тритій, нікель-63 тощо.
Структура бета-вольтаїчної батарейки з ізотопом прометій-147 посередині та шарами для p-n-переходу. Джерело: ResearchGate
Останній, до речі, має перспективний вигляд – напіврозпад 100 років, пластичний, стабільний. Але у природі його не існує: нікель-63 отримують внаслідок нейтронної атаки нікелю-62. Занадто складна і занадто коштовна процедура.
Тритій має менший період напіврозпаду (~12 років), але він і доступніший і дешевший. Утім, його ефективність щороку зменшується на 5%, а нікель-63 деградує на 10% за період 10-15 років.
Найефективнішим серед вищезгаданих елементів є прометій-147 із 5700 років напіврозпаду, який утворюється в графітових блоках ядерних реакторів. Як ви розумієте, таку забавку дорого і складно зберігати та обробляти. Опромінений графіт – не єдине джерело вуглецю-147: він також утворюється при зіткненні космічних променів з атомами азоту в атмосфері.
Чому ми досі не на бета-вольтаїці
Як бачимо, найкращий ізотоп залежатиме від сфери застосування батарейки й завжди завдаватиме клопоту виробникам. Знайти баланс між стабільністю, тривалістю та потужністю – ось справжня задача дослідників бета-вольтаїки, які хочуть заробити грошенят.
Крім того, комерційні перспективи бета-вольтаїки обмежені вартістю радіоактивних ізотопів. Вартість паливного циклу занадто велика, щоб забезпечити вигідну ціну на ізотопи, навіть попри збільшення ефективності батарейок у 100 разів за останнє століття.
Пілотна комерційна лінійка NanoTritium – бета-вольтаїчних батарей з тривалістю служби у 20 років на ізотопі тритію (Водень-3). Джерело: NewAtlas / Citylabs
Читайте також, Що відбувається із лавою під реактором ЧАЕС.
