Ядерные, или радиоизотопные, или атомные батареи – это автономные источники электропитания, способные работать без подзарядки годами. Создание такого источника, востребованного в различных отраслях от космоса до медицины – одно из перспективных направлений в физике. Ученые НИЯУ МИФИ вплотную подошли к реализации этой задачи.
Ядерные батарейки – это источники тока, в которых энергия радиоактивного распада метастабильных ядер преобразуется в электричество. В качестве радиоактивных элементов в атомных батареях используются a- и b-активные ядра с периодом полураспада T1/2 от сотни дней до сотни лет в зависимости от решаемой задачи. Выбор ядра для атомной батареи из широко спектра радионуклидов, используемых в радиоизотопной энергетике, зависит от конкретной цели, для которой создается источник питания, режима его эксплуатации и целого ряда других условий.
Выбор радиоизотопа и схемы преобразования
Области применения ядерных батарей разнообразны: в ближайшем будущем ядерные батарейки станут незаменимы 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 нужен длительный мониторинг без возможности 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 датчиков артериального давления и показателей крови подходят только плутоний-238 и никель-63. Требование безопасного радиоизотопа резко сужает круг потенциальных кандидатов, поскольку ядра при распаде должны либо все переходить в основное состояние дочернего ядра, либо заселять возбужденные состояния дочернего ядра с очень низкой вероятностью.
Кроме выбора радиоизотопа, принципиально важным при разработке радиоизотопных источников энергии является и выбор схемы преобразования энергии ядерного распада в электричество. На практике преобразование ядерной энергии в электрическую осуществляется преимущественно по непрямому ступенчатому принципу: кинетическая и кулоновская энергия альфа- и бета-частиц сначала превращаются в иную, например, тепловую, химическую, механическую, световую и т.д., а затем – в электрическую.
Почему никель-63?
Ученые НИЯУ МИФИ занялись исследованием возможностей использования 63Ni в качестве радиоизотопа для ядерных батарей в гражданском секторе. Это наиболее перспективный радионуклид в бета-вольтаике – средняя энергия бета-частиц 63Ni 17.5 кэВ, период полураспада 100,1 лет – и к нему можно легко создать физзащиту от мягкого бета-излучения источника в миниатюрном элементе питания.
Группа ученых из Института ЛаПлаз под руководством Петра Борисюка предложила оригинальную физическую систему на основе 63Ni, позволяющая провести эффективную генерацию вторичных электронов непосредственно внутри наноструктурированных пленок никеля и значительно увеличить токовый сигнал, вызванный каскадом многократных неупругих соударения бета-частиц. Эта система является относительно простой с точки зрения экспериментальной реализации и представляет собой ансамбль плотно упакованных нанокластеров никеля с градиентным распределением наночастиц по размеру, осажденных на поверхности широкополосного диэлектрика — оксида кремния. Ключевая особенность системы основана на том, что вследствие размерной зависимости энергии Ферми, наличие пространственно неоднородного распределения металлических наночастиц по размерам приводит к пространственному перераспределению заряда в такой системе. Это означает, что в электропроводящей системе соприкасающихся друг с другом металлических наночастиц, средний размер которых монотонно изменяется в выделенном направлении, в этом же направлении должна регистрироваться разность потенциалов. Таким образом, формирование нанокластерных пленок никеля-63 с градиентным распределением наночастиц по размерам открывает уникальную возможность и 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 63Ni в ток электронов без использования дополнительных сложных для реализации полупроводниковых систем.
Главным вопросом, которому посвящена разработка НИЯУ МИФИ, является исследование электрофизических свойств формируемой нанокластерной пленки никеля и подбор оптимальных параметров эксперимента для создания эффективного преобразователя энергии бета-распада 63Ni в электричество. Первичные результаты, подтверждающие возможность реализации такой системы, ранее были опубликованы коллективом авторов в престижном журнале Applied Physics Letters.
Открытие, сделанное в ходе разработки
Однако оказалось, что данные наноструктурированные пленки могут использоваться в качестве селективного фотоэмиттера– системы с перераспределенным спектром излучения в заданном спектральном диапазоне. Как показали проведенные эксперименты, процесс окисления данной пленки приводит к образованию оксидной оболочки поверх металлического ядра нанокластера. Таким образом, при окислении металлической пленки формируется ансамбль металлических нанокластеров с пространственным распределением нанокластеров по размерам и имеющих слой (оболочку) оксида. Малые размеры нанокластеров (2-15 нм) приводят к проявлению квантовых свойств, в связи с чем, ансамбль подобных нанокластеров, имеющих оксидную оболочку, представляет собой набор полупроводниковых материалов с широким разбросом значений ширины запрещенной зоны. Это обеспечивает возможность эмиссии фотонов заданной длины волны при нагреве и, следовательно, обеспечивает возможность «настройки» спектра излучения предлагаемой системы под требуемый диапазон длин волн. Это принципиально важный момент, повышающий, в рамках предлагаемой концепции, энергоэффективность и энергосбережение современных тепловых источников электроэнергии на совершенно новый уровень.
Применения подобных систем в качестве селективно излучающих систем в инфракрасном диапазоне, позволяет увеличить эффективность работы источников питания, часть энергии которых безвозвратно тратиться на тепло, что и было экспериментально продемонстрировано учеными НИЯУ МИФИ в рамках опытно-конструкторской работы по договору с ЧУ «Наука и инновации» ГК «Росатом».
Прототип и новый универсальный подход к ЯБ
В результате был 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 ИК 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, позволяющих работать в ближнем ИК диапазоне.
Разработка термофотовольтаических преобразователей в настоящее время активно ведется в США и Европе с целью увеличить эффективность РИТЭГ для использования в аппаратах исследования космоса. Увеличение КПД солнечных элементов питания посредством использования термофотовольтаических материалов даст новый толчок к совершенствованию ядерных батарей. Поэтому, на текущий момент, путь создания высокоэффективных радиоизотопных источников энергии – это 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 больших мощностей или миниатюризации. Это обстоятельство дает право рассматривать данный подход к созданию ядерных батарей с энергиями до единиц кВт как универсальный.