Энергия распада: как работают атомные батарейки и где их применяют

Представьте батарейку, которую вам не придется менять в ближайшие десять лет. А еще она выдерживает экстремальные температуры и не воспламеняется. Так работают бета-вольтаические источники энергии, или ядерные батарейки. Об их внедрении говорят давно, но на практике есть серьезные барьеры. Как эти устройства работают и почему до сих пор не появились на полках магазинов? Об этом порталу Наука.рф рассказал научный сотрудник Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов им. академика А. А. Бочвара (ВНИИНМ) Госкорпорации «Росатом», кандидат технических наук Александр Аникин. Вместе со своим коллегой, директором по развитию производства ООО «Фарматом» Павлом Мосеевым, он создал первые в России бета-вольтаические источники энергии (БВИ) на основе трития.

Тритий — не лишний

​Свое название атомные (ядерные) батарейки получили из-за того, что используют энергию радиоактивного распада, преобразуя ее в электрический ток. Источником этой энергии служит бета-излучение*. Чтобы его сгенерировать, авторы проекта использовали тритий — радиоактивный изотоп водорода. Это довольно редкий и дорогостоящий радионуклид, замечает специалист.

«Для таких батареек еще обычно рассматривают никель-63 и углерод-14. Но у них более сложная технология изготовления. Спрос на эти изотопы незначительный, их не производят в больших масштабах. Тритий — более доступный материал. К тому же, технологии обращения с ним хорошо отработаны», — говорит Александр Аникин.

Сам процесс генерации энергии выглядит так: бета-частицы попадают в активный слой полупроводникового преобразователя (еще одного важного компонента в батарейках), выбивают электроны из атомов — в результате в замкнутой цепи возникает ток. Принцип работы напоминает солнечные панели, только вместо света используется бета-излучение.

Внешне такое устройство напоминает компактную дисковую батарейку («таблетку»), которая встречается в бытовой, медицинской и другой технике. При этом ее размер можно скорректировать по требованию заказчика, отмечает ученый.

Период полураспада

Один из главных вопросов: как долго может работать атомная батарейка? Срок службы определяется периодом полураспада радиоизотопа, который в ней используется, поясняет ученый. Например, у трития он составляет 12,3 года: при таком сроке мощность источника снижается вдвое.

У других радиоизотопов периоды полураспада гораздо выше, и это, по словам эксперта, с одной стороны является преимуществом, с другой — недостатком. Казалось бы, здорово, если батарейку можно не менять десятки или даже тысячи лет. Но чем она долговечнее, тем меньше энергии можно получить с одного грамма вещества. Распад происходит реже, излучение слабее, а значит и мощность у нее будет ниже.

«Если использовать углерод-14, то его период полураспада составляет 5 700 лет. Для человека такая батарейка будет вечной. Но как доказать, что она будет исправно работать через 200 или 400 лет? И главное — будет ли она вообще нужна спустя столько лет, не заменят ли ее другие источники энергии?» — делится разработчик.

Пробег частиц

Еще один закономерный вопрос: насколько такая батарейка безопасна? Бета-частицы трития имеют самую низкую энергию среди всех изотопов. Такие излучатели можно назвать «мягкими», отвечает специалист.

«Пробег бета-частиц трития в воздухе составляет порядка шести миллиметров. От них можно экранироваться даже листом бумаги. Но в этом нет необходимости. Корпус батарейки полностью защищает пользователя от радиоактивного излучения. Это важное преимущество нашей разработки», — подчеркивает Александр Мосеев.

Но эксперт признается: ожидать такую инновацию в магазинах в ближайшем будущем не стоит. Несмотря на безопасность при правильной эксплуатации, следует помнить, что внутри батареи находится радиоактивный материал. При массовом использовании контролировать правильное обращение с такими батарейками невозможно.

В истории подобные примеры уже есть. В 1970–80-х годах в США для пациентов было изготовлено около трех тысяч кардиостимуляторов с плутонием-238. В отличие от обычных источников питания, которые нужно было менять каждые несколько лет, эти приборы стабильно работали порядка 30 лет. Но после смерти пациентов потребовалась сложная система сбора и утилизации устройств.

«Для массового производства нужны серьезные решения. Мне не хотелось бы представлять, что у всех дома будут радиоактивные батарейки, хотя, возможно, когда-нибудь это станет нормой. Сейчас безопаснее работать с предприятиями, где выстроена надежная система контроля», — считает эксперт.

По пути светодиодов

В настоящее время проект ученых продолжает развиваться: исследователи ищут способы повысить эффективность преобразования энергии, чтобы улучшить характеристики БВИ, ведут переговоры с потенциальными заказчиками, в том числе в медицинской отрасли, а также с Госкорпорацией «Роскосмос».

«Сейчас идет постоянная работа над улучшением. Наша опытная партия бета-бальтаических источников энергии успешно прошла климатические испытания, а также проверку на механическую прочность и другие исследования. До такой стадии наши конкуренты еще не доходили», — отмечает Александр Аникин.

Кстати, о конкурентах. По удельной мощности тритиевые источники, созданные авторами проекта для БВИ, превосходит зарубежные аналоги. Как поясняет ученый, этого удалось добиться благодаря тщательному подбору материалов и оптимизации технологических процессов.

«Когда мы провели сравнительный анализ с продукцией американской компании, лидером на рынке бета-вольтаических источников энергии, выяснилось, что удельная мощность наших российских источников бета-излучения выше в два, а в некоторых случаях и в два с половиной раза», — говорит кандидат технических наук.

   Эта область бета-вольтаики существует уже около 60 лет, поясняет исследователь. Публикации о таких технологиях начали появляться в 1960-х годах. Но история с ними почти такая же, как со светодиодными лампочками: первые образцы считались редкими и дорогими.

«Технология не нова, но воплотить ее в жизнь удалось сравнительно недавно, благодаря прогрессу в промышленности. О возможности преобразовывать энергию радиоактивного распада в электричество знали давно, но для этого нужны были эффективные полупроводниковые преобразователи. Сейчас их научились делать», — комментирует ученый.

Однако до идеала пока далеко. КПД в атомных батареях составляет ниже 2%, в то время как теоретический предел — около 30%. Сделать их мощнее за счет более высокоэнергетических изотопов нельзя, иначе подойти к такому устройству без биологической защиты будет невозможно.

Своя ниша

Хотя атомные батарейки вряд ли получат массовое распространение, они точно займут свою нишу, считает эксперт. Устройство, разработанное учеными, удалось испытать при температурах от -50 до +100 °C, в вакууме и при высоком давлении. В таких условиях обычные химические источники питания выходят из строя.

Особенно БВИ пригодятся там, где сложно настраивать и менять технику: в космосе, глубоководных аппаратах, шахтах и на Крайнем Севере. Стоимость обслуживания источников питания в этих областях может многократно превышать цену самих батарей.

«Они вряд ли займут десятки процентов рынка. Хорошо, если это будут несколько процентов или даже полпроцента. Это тоже большой вклад. Ядерные батарейки могут стать основным источником питания, например, в медицине, для кардиостимуляторов и нейростимуляторов. Там не нужны высокие токи, но важна надежность и долгий срок службы», — рассказывает научный сотрудник ВНИИНМ.

Главная трудность в создании таких технологий связана с поиском подходящих преобразователей. На рынке есть много производителей, но для бета-вольтаики нужны нестандартные решения. Перестраивать производство под узкую задачу готово далеко не каждое предприятие, замечает автор проекта.

Чистая вода

Параллельно с разработкой ядерных батареек ученым удалось создать технологию очистки газов от трития. Она основана на методе фазово-изотопного обмена: газ, содержащий тритий, пропускают через специальную установку, радиоактивный изотоп переходит в жидкое состояние, а газ очищается.

«Может показаться, что мы просто научились конденсировать тритий, но это не так. Такое низкое количество паров тяжело конденсировать. Обычные системы очистки используют сорбенты — твердые вещества, поглощающие газ. Но мы совместно с партнерами предложили более гибкую технологию. С ее помощью можно регулировать параметры в режиме реального времени», — объясняет разработчик.

Эту технологию уже взяли на вооружение для международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР, англ. ITER — International Thermonuclear Experimental Reactor). Интерес к новому методу очистки проявляют и другие компании. Но внедрять его в уже работающие системы, по словам ученого, сложно. В атомной отрасли, где уже налажена работа многофакторных установок, к изменениям относятся с осторожностью. Разработку ученых чаще применяют при проектировании новых систем.

Заряд на успех

Если бета-вольтаические источники энергии не станут массовыми, в таком случае, какие технологии могут оказаться наиболее перспективными в будущем? По мнению ученого, к таким можно отнести возобновляемые источники энергии.

«Солнце, ветер — это то, что всегда будет нам доступно. Возможно, через много лет мы будем ходить зимой в куртках из материала, поверхность которого будет работать как полупроводниковый преобразователь. В такую куртку можно вшить аккумулятор и заряжать телефон на ходу. Или машины будут делать из такого же покрытия: весь корпус будет работать как аккумулятор. Не понадобятся тяжелые батареи. Почему бы и нет?» — рассуждает исследователь.

Но это не значит, что разработки, основанные на атомных технологиях, не будут востребованы. Область энергетики постоянно меняется, в ней появляется много новых и интересных идей. 

«Иногда приходится месяцами ломать голову, как реализовать какой-нибудь технологический процесс. Потом находишь решение, и пазл сходится. Когда результатом твоих исследований становятся реальные установки высотой с семиэтажный дом, которые успешно работают и дают полезные данные, возникает ощущение, что ты принес в мир что-то новое. Это действительно вдохновляет», — заключает ученый.

Анна Шиховец