Нас окружают разные электронные устройства, и без них мы уже не представляем свою жизнь. При этом каждое новое устройство требует всё больше энергии для длительной работы, а в современном мире нельзя быть привязанным к розетке.
Поэтому потребность в долговечных и безопасных источниках энергии велика. Учёные работают над созданием новых видов источников тока. Ядерная батарейка может работать десятки или даже сотни лет. Разберём виды конструкций, их достоинства и недостатки.
Устройство и принцип работы
Сейчас в это трудно поверить, но работы над созданием источников тока с применением радиоактивных элементов велись ещё в начале ХХ века. Для справки: радиоактивность открыли в 1896 г., а уже в 1913 г. английским учёным-физиком Г. Мозли была представлена первая в мире атомная батарейка.
Конструктивно это была стеклянная сфера, покрытая изнутри слоем серебра, к которой присоединялся проводник. В центре сферы на изоляторе устанавливался радиевый элемент, соединённый с проводником.
Испускаемые источником бета-излучения электроны образовывали разность электрических потенциалов между радиоактивным элементом и слоем серебра. Однако устройство не могло выдавать ток достаточной силы для функционирования приборов, и разработка так и не вышла за рамки научного эксперимента.
Дальнейшие усилия учёных при освоении мирного атома были сосредоточены на создании и совершенствовании конструкции атомных реакторов. Основным отличием последних от ядерных батареек являлось протекание в них цепных ядерных реакций деления. В свою очередь, для реактора требуются сложные системы для регулирования, обслуживания, защиты, управления и т. п.
До середины ХХ века активные работы по созданию радиоизотопных источников энергии не проводились. Однако в связи с исследованием космоса компактность и отсутствие необходимости обслуживания, а также высокая энергоёмкость радиоизотопов привела учёных к необходимости продолжения исследований в данной области.
Было создано много радиоизотопных источников энергии, которые существенно отличаются друг от друга как конструктивно, так и по принципу действия.
Условно такие источники энергии делятся на две группы: РИТЭГ и бета-вольтаические элементы, которые для простоты и называют атомными батарейками.
РИТЭГ
Радиоизотопный термоэлектрический генератор использует тепло, которое выделяется при радиоактивном распаде, и при помощи термоэлектрогенератора преобразовывает его в электрический ток. Для получения тока обеспечивается охлаждение внешней части РИТЭГ. За счёт отсутствия движущихся частей РИТЭГ не нуждается в обслуживании, при этом срок эксплуатации – десятки лет.
РИТЭГ вначале создавались для применения в спутниках и других космических аппаратах для выработки электричества и для обогрева.
По официальным данным, впервые РИТЭГ был установлен в 1961 г. на американских военных спутниках Transit 4А и Transit 4В.
В качестве топлива применялся плутоний-238. В РИТЭГ спутников его содержалось 96 грамм, причём вырабатывал он только 2,5 Вт электроэнергии. Для пилотируемых космических аппаратов РИТЭГ не подходили, так как требовалась защита экипажа от излучения, и опасность взрыва была очень высокой.
Бета-вольтаические элементы
Такие элементы преобразовывают в электрическую энергию бета-излучение, которое попадает на полупроводниковую структуру. Данный принцип предложил американский учёный П. Раппопорт в 1953 г.
Уже в начале 70-х гг. ХХ в. американским доктором Л. Олсеном была создана атомная батарейка Betacel — первый в мире коммерчески успешный миниатюрный бета-вольтаический элемент питания.
В качестве топлива применялся прометий-147. Он был помещён между слоями полупроводника, которые улавливали испускаемые им электроны. Объём этой атомной батареи примерно равнялся одному кубическому дюйму (16 см³), большая часть которого была необходима для защиты от излучения. При этом срок службы составлял от 7 до 10 лет.
Такие батарейки применялись для питания кардиостимуляторов. Однако из-за невысокой мощности, которая составляла 400 микроватт, и низкого КПД — 4%, эти источники тока вскоре были вытеснены с рынка более безопасными элементами питания — литий-ионными батареями.
История создания отечественных атомных батареек
В Советском Союзе тоже проводились разработки таких источников энергии. В 1962 г. учёными был создан «Лимон-1», экспериментальный РИТЭГ. В качестве топлива в нём использовался полоний-210.
Для применения в космических спутниках «Стрела-1», «Космос-84», «Космос-90» были разработаны РИТЭГ «Орион-1». В них тоже применялся полоний-210.
На «Луноходе-1» был задействован радиоизотопный нагреватель, энергия которого использовалась не только для питания приборов, но и для их обогрева.
Советским учёным удалось успешно решить проблемы, возникавшие из-за нагрева, и создавать энергетические установки, превосходившие по мощности американские системы. Так, на спутниках УС-А были установлены ядерные источники энергии БЭС-5 «Бук», выдававшие электрическую мощность 3 кВт, а вырабатываемая ими тепловая мощность достигала 100 кВт.
В дальнейшем «Бук» сменил «Топаз», где показатели мощности были больше в два раза. Однако с распадом СССР первенство вновь перешло к США.
В Советском Союзе разрабатывались и бета-вольтаические источники питания. В 1975 г. был впервые имплантирован кардиостимулятор РЭКС-А1, где источником питания служила плутониевая атомная батарейка.
Дальнейшие разработки в этой области привели к созданию ядерной батареи, где рабочим элементом стал никель-63 с периодом полураспада 100 лет. Первые образцы были созданы российскими учёными из НИИАР — института, входящего в холдинг Росатом.
Энергия для таких источников питания вырабатывается за счёт преобразования бета-излучения, выделяемого радиоизотопом в электрический ток. Внутри такой батарейки – целый слоёный пирог из 200 слоёв никеля-63 и 200 слоёв алмазных полупроводников.
Преимущества и недостатки
Длительный срок службы, который зависит только от периода полураспада радиоактивного элемента, и простота конструкции – главные плюсы атомных батареек.
Ещё одним преимуществом всех существующих радиоизотопных источников тока является широкий диапазон рабочих температур. Они могут эффективно функционировать как при -100℃, так и при +100℃.
Однако на данный момент разработчики сталкиваются с низким КПД из-за проблем избыточного объёма радиоизотопа. При его большой толщине происходит самопоглощение электронов, а при малой — уменьшается количество бета-распадов за единицу времени.
Наиболее дорогой составляющей ядерной батарейки является радиоизотоп. В качестве топлива применяются редкие элементы, требующие дорогостоящего оборудования и соблюдения длительной технологии для производства.
Однако уже ведутся работы с источниками питания на основе углерода-14. Его основными преимуществами, в отличие от никеля-63, являются меньшая стоимость, высокая экологическая безопасность и период полураспада, достигающий 5700 лет. Это позволяет достигать длительного срока эксплуатации.
Где используются ядерные батарейки
Высокая эффективность обуславливает использование ядерных батареек для питания медицинских имплантов и протезов. Это позволяет им долго функционировать без опасения, что для замены отработанного элемента питания придётся проводить хирургическую операцию.
Широкий диапазон рабочих температур позволяет использовать такие элементы для питания приборов в условиях Крайнего Севера и Арктики. Однако их высокая стоимость и опасность ограничивают область применения. Поэтому пока не стоит ожидать появления бытовых приборов с такими источниками тока.
Главный вопрос — насколько они опасны для человека и окружающей среды
Если вдруг из космоса прилетит и упадёт элемент РИТЭГ, то нахождение рядом с плутонием ничего хорошего не принесёт. Ведь плутоний — самое смертоносное вещество из всего созданного человеком.
Помимо опасности радиоактивного заражения окружающего пространства плутоний очень токсичен. Попав в лёгкие человека в небольшом количестве (около пяти миллионных долей грамма), плутоний способен вызвать рак.
Если с РИТЭГ всё понятно, то насколько опасны бета-вольтаические элементы? Хотя размеры и принцип преобразования энергии в них другие, разбирать такую батарейку нельзя. Полная безопасность может быть обеспечена только при полной герметичности корпуса.
В случае разгерметизации действующее вещество может попасть в окружающую среду и в организм. При этом длительное радиоактивное воздействие, оказываемое на организм, полностью не изучено. Утверждать, что такая батарейка безопасна для человека, и утечка вещества не отразится на здоровье, не возьмётся ни один уважающий себя учёный.
Заключение
Мысль о том, что рядом с человеком находится источник радиации, при этом он безопасен, выглядит неубедительно. Скорее всего, на использование имплантатов с ядерными батарейками люди идут потому, что нет другого выбора.
Однако там, где окружающая среда для человека представляет опасность, например, космическое пространство, возможности атомных батареек раскроются наиболее полно. Для таких целей оправдана и высокая стоимость, и опасность.
Сейчас читают:
