В НИЯУ МИФИ создали прототип ядерной батарейки

Ядерные, или радиоизотопные, или атомные батареи –  автономные источники электропитания, способные работать без подзарядки годами. Такие источники  востребованы в самых разных отраслях от космоса до медицины. Ученые НИЯУ МИФИ вплотную подошли к созданию ядерной батарейки принципиально нового типа.

Выбор радиоизотопа и схемы преобразования

Области применения ядерных батарей разнообразны: в ближайшем будущем они могут стать незаменимыми на территориях, удаленных от инфраструктуры, например, в Арктике, на больших глубинах, на газо- и нефтепроводах большой протяженности, в космосе, а также в связи и медицине – там, где нужна длительная работа прибора без подзарядки или замены источников энергии. Кроме высокой удельной мощности, важны также простота и удобство наработки радионуклида (например, в атомном реакторе) и такой параметр, как отсутствие гамма-излучения – поэтому, скажем, для ядерных батареек в кардиостимуляторах или датчиках артериального давления и показателей крови подходят только плутоний-238 и никель-63. 

Кроме выбора радиоизотопа принципиально важным является выбор схемы преобразования энергии ядерного распада в электричество. На практике преобразование ядерной энергии в электрическую осуществляется преимущественно по непрямому ступенчатому принципу: энергия альфа- и бета-частиц сначала превращаются в другие виды энергии, например в тепловую, химическую, механическую или световую энергию, а они уже превращаются в электричество.

Почему никель-63?

Сегодня ученые НИЯУ МИФИ занялись исследованием возможностей использования никеля-63 в качестве радиоизотопа для ядерных батарей в гражданском секторе. Это наиболее перспективный радионуклид:  в миниатюрном элементе питания от излучаемого этим  изотопом  мягкого бета-излучения легко создать защиту, а его период полураспада - более 100 лет - достаточно длительный. 

Группа ученых из Института ЛаПлаз под руководством Петра Борисюка предложила оригинальную физическую систему, позволяющую провести эффективную генерацию вторичных электронов непосредственно внутри наноструктурированных пленок никеля и значительно увеличить токовый сигнал, вызванный многократными соударениями излучаемых изотопом бета-частиц. Эта система является относительно простой, она представляет собой ансамбль плотно упакованных нанокластеров никеля, наночастицы которого осаждены на поверхности диэлектрика — оксида кремния. Ключевая особенность предложенной системы заключается в том, что наночиастицы никеля распределены по размерам, средний размер частицы постепенно изменяется в выделенном направлении. И в этом же направлении происходит увеличение электрических зарядов.  Таким образом, формирование нанокластерных пленок никеля-63 с градиентным распределением наночастиц по размерам позволяет совместить сразу два важных процесса: во-первых, формировать покрытия с фиксированной разностью потенциалов (определяется разницей размеров наночастиц в выделенном направлении); во-вторых, осуществлять преобразование энергии бета-распада в электрический ток без использования дополнительных сложных полупроводниковых систем.

Задачей ученых  НИЯУ МИФИ сейчас является исследование электрофизических свойств формируемой нанокластерной пленки никеля и подбор оптимальных параметров эксперимента для создания эффективного преобразователя энергии бета-распада в электричество. Первичные результаты, подтверждающие возможность реализации такой системы, ранее были опубликованы в престижном журнале AppliedPhysicsLetters.

Открытие, сделанное в ходе разработки

Кроме прочего, оказалось, что данные наноструктурированные пленки могут использоваться в качестве селективного фотоэмиттера – системы с перераспределенным спектром излучения в заданном диапазоне. Как показали проведенные эксперименты, процесс окисления пленки приводит к образованию оксидной оболочки поверх металлического ядра нанокластера. Таким образом, при окислении металлической пленки формируется ансамбль никелевых нанокластеров,  имеющих оболочку из оксида. Малые размеры нанокластеров (2-15 нм) приводят к проявлению у них квантовых свойств, в связи с чем, ансамбль подобных нанокластеров, имеющих оксидную оболочку превращается в набор полупроводниковых материалов. Это обеспечивает возможность эмиссии фотонов заданной длины волны при нагреве и дает возможность «настройки» спектра излучения системы под требуемый диапазон. Это, в свою очередь, выводит энергоэффективность источника электроэнергии на новый уровень. 

Схема преобразования

Превращение батарейки в селективно излучающую систему в инфракрасном диапазоне, позволяет увеличить эффективность работы источников питания, часть энергии которых обычно безвозвратно тратиться на тепло, что и было экспериментально продемонстрировано учеными НИЯУ МИФИ в рамках опытно-конструкторской работы по договору с ЧУ «Наука и инновации» Госкорпорации «Росатом».

Прототип и новый универсальный подход к ЯБ

В настоящее время уже создан прототип автономного радиоизотопного источника питания средней мощности (от 1 мВт до 100 Вт) на основе узкозонных полупроводниковых термофотовольтаических материалов с КПД преобразования теплового излучения (ближнего инфракрасного диапазона) не ниже 15 %, что более чем в два раза превосходит КПД преобразования радиоизотопных источников питания, выполненных по технологии радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ).

Также было проведено исследование технических характеристик прототипа, разработан полный комплект конструкторской документации для масштабирования, отработана технология преобразования тепловой энергии ядерного распада в электричество с помощью термофотовольтаических преобразователей.

Разработка термофотовольтаических преобразователей в настоящее время активно ведется в США и Европе с целью увеличить эффективность РИТЭГ для использования в космических аппаратах. На текущий момент, основной путь создания высокоэффективных радиоизотопных источников энергии –  поиск новых или модифицированных материалов, например, (нано-) материалов, которые могли бы по своим полупроводниковым свойствам заменить кремний, германий и другие узкозонные полупроводники.

Идея, предложенная учеными НИЯУ МИФИ – это оригинальный альтернативный подход к решению проблемы преобразования энергии ядерного распада в электричество. Её реализация позволила использовать процесс преобразования энергии во всем объеме материала, что увеличивает эффективность преобразования и открывает широкие возможности масштабирования данных элементов для получения как больших мощностей, так и миниатюризации. Это дает право рассматривать данный подход к созданию ядерных батарей с энергиями до единиц кВт как универсальный.