Ядерные батареи в современной технике
Ученые десятилетиями изучают потенциальные возможности ядерной энергетики; выяснить, как хранить эту энергию в ограниченном пространстве, было непросто. Некоторые радиоактивные изотопы являются летучими, токсичными, трудно защищаемыми и непригодными для использования в составе источника питания с прямым преобразованием.
Но другие изотопы стабильны, относительно безобидны и могут питать удаленную электронику в течение длительных периодов времени. Используя радиоизотопы, такие как тритий, ученые и инженеры начали создавать практические ядерные батареи для питания устройств с низким энергопотреблением.
Что такое ядерная батарея?
Ядерная батарея — это любое устройство, которое использует энергию распада радиоактивного изотопа элемента для выработки электроэнергии. Ядерная батарея, атомная батарея и генератор радиоизотопов — взаимозаменяемые термины, указывающие на то, как источник питания создает ток.
Чем отличаются ядерные батареи?
Ядерные батареи отличаются от традиционных батарей своей стоимостью, сроком службы, областью применения и функциями.
Традиционные батареи используют электрохимические реакции в качестве источника питания. Генераторы радиоизотопов используют распад радиоактивных альфа-, бета- и гамма-частиц для обеспечения постоянного источника энергии. Когда эти частицы испускаются, они перемешивают электроны в аккумуляторной системе, создавая ток.
Из-за повышенных возможностей ядерных батарей они намного дороже традиционной батареи того же размера. Это одно из ограничений, существующих в настоящее время в исследованиях и использовании ядерных батарей.
Как работают атомные батареи?
Атомные и ядерные батареи вырабатывают электричество за счет распада радиоактивных частиц. Некоторые батареи используют этот распад для выработки тепла, а затем собирают его с помощью термопар; другие используют диодные переходы для облегчения нетеплового преобразования. Независимо от метода, все ядерные батареи получают энергию из радиоактивного источника.
Типы ядерных батарей
Различные атомные батареи используют разные системы для выработки энергии для своих устройств. Каждый тип имеет свои преимущества, ограничения и варианты использования. Понимание различий между типами батарей может помочь вам инвестировать в правильную технологию для вашей компании.
Батареи термопреобразования
Как следует из названия, батареи с тепловым преобразованием используют частицы, испускаемые при радиоактивном распаде, для производства тепла, которое затем преобразуется в электричество. Эти батареи достигают чрезвычайно высоких внутренних температур и преобразуют часть этого тепла в электричество.
Один из типов аккумуляторов с тепловым преобразованием — радиоизотопный термоэлектрический генератор — использует термопары для создания энергии за счет разницы температур между «холодной» стороной устройства и радиоизотопным источником питания, или «горячей стороной».
Количество тепла и энергии, теряемое во время преобразования, чрезвычайно важно для эффективности этих источников энергии.
Аккумуляторы без теплового преобразования
Батареи без теплового преобразования, в том числе бета-гальванические источники питания, используют падающую энергию, высвобождаемую в процессе радиоактивного распада, для превращения электронов в ток. Преобразовывая часть ядерной энергии, созданной в процессе распада, эти батареи могут создавать поток электричества, не полагаясь на разницу температур.
Бетагальваники с прямым преобразованием являются одними из самых эффективных ядерных батарей на рынке, потому что распад бета-частиц более эффективно преобразуется в полезную электроэнергию, чем с другими частицами. В истории бетагальванических батарей обсуждается, как улучшились бетагальванические источники питания с момента начала исследований.
Бетагальваники с непрямым преобразованием используют излучение света и фотогальванический элемент (вместо бета-гальванического элемента) для производства электрического тока. Такие устройства менее эффективны, чем устройства прямого преобразования, и служат не так долго из-за деградации светоизлучающих люминофоров, но могут достигать высокой мощности в течение коротких периодов времени.
Ядерные алмазные батареи
Одной из самых захватывающих областей технологии атомных батарей являются постоянные исследования по улучшению поля. В настоящее время ученые работают над созданием ядерной алмазной батареи, которая вырабатывает энергию за счет радиоактивного распада алмаза (углерод-14).Эта алмазная батарея, как и все ядерные батареи, производит мощность, пропорциональную периоду полураспада радиоактивного источника. Разница в том, что период полураспада углерода-14 составляет 5700 лет!
До алмазных батарей еще далеко, но тритиевые бета-вольтаики, которые предлагают аналогичные преимущества, уже используются. Они демонстрируют огромные возможности для повторного использования существующих ядерных отходов, обеспечивая при этом долгосрочный стабильный поток электроэнергии.
Разбивка радиоактивных элементов для использования в батареях
Тип используемой ядерной батареи часто зависит от того, какой радиоактивный изотоп используется в качестве источника питания. Существует разница между способами улавливания энергии альфа-частиц, бета-частиц и гамма-лучей. Вот некоторые из наиболее часто используемых и испытанных радиоактивных изотопов.
Урановая сила
Уран является популярным радиоактивным ядерным элементом для энергоснабжения, поскольку он использовался в качестве основного источника энергии на атомных электростанциях более 60 лет. Большинство растений используют изотоп урана-235, потому что его атомы легче расщеплять. Уран можно добывать в твердом виде, и он считается слаборадиоактивным.
Уран испускает слабые альфа-частицы, которые не могут проникнуть сквозь лист бумаги, а период полураспада урана-235 составляет около 700 миллионов лет . К сожалению, уран-235 не подходит для использования в батареях. Что касается небольших удаленных устройств, то об этом изотопе не может быть и речи.
Плутониевые батареи
Один из других наиболее узнаваемых радиоактивных элементов — плутоний — уже использовался в ядерных батареях в прошлом. Изотоп плутоний-238 имеет период полураспада 87,7 лет и в течение короткого времени в 1970-х годах действовал в качестве источника питания кардиостимулятора. С батареями на основе плутония-238 было две основные проблемы.
Во-первых, они были больше, чем другие батареи. Барьеры, необходимые для замедления излучения плутония, делали кардиостимуляторы неудобными и неприятными для тех, у кого они были.
Во-вторых, они были — в худшем случае — все еще очень токсичными для человека. Если бы даже мизерная часть жидкости в аккумуляторе попала в чью-то кровь, скорее всего, человек умер бы от лучевой болезни.
Тритиевые батареи
Тритий — изотоп водорода, обнаруженный в верхних слоях атмосферы. а также искусственно созданный как побочный продукт некоторых атомных электростанций. Хотя его период полураспада составляет всего 12,3 года, он считается относительно безопасным и гораздо более доступным, чем другие изотопы.
Когда тритий разрушается, он высвобождает бета-частицы, которые могут удерживаться барьерами толщиной менее 1 миллиметра в зависимости от материала. CityLabs использует барьер, который эффективно блокирует частицы толщиной менее одной десятой от этой толщины.
Этот изотоп уже используется и изучается для дальнейших применений. Тритий предлагает безопасный и надежный источник долговременного маломощного электричества.
Применение ядерных батарей
Атомные батареи уже используются в таких устройствах, как посадочные модули на Луну и спутники; РИТЭГи даже помогают питать марсоход Perseverance! Поскольку исследования продолжают разрабатывать эффективные способы использования и сдерживания радиоактивного распада, количество потенциальных применений радиоизотопных источников энергии резко возрастет, включая беспроводные датчики, маломощную электронику, мониторинг нефтяных скважин и другие интересные приложения.
Ядерные батареи для мер безопасности
Переходя от крупномасштабных обратно к мелкомасштабным возможностям ядерных батарей, эта технология может значительно улучшить устройства безопасности. Устройства с низким энергопотреблением, такие как датчики, которые отслеживают изменения пороговых значений, получают наибольшую выгоду. Как в открытом космосе, так и глубоко под водой, где замена становится более сложной, аккумулятор, срок службы которого составляет несколько десятилетий, бесценен.
Когда окружающая среда претерпевает определенные изменения, датчики срабатывают, посылая сигнал в нужные стороны.
Эти датчики, оснащенные ядерными батареями, могут помочь военным обнаруживать изменения давления, температурные сдвиги или вибрации, свидетельствующие о неестественных явлениях. Они также могут помочь организациям, занимающимся прогнозированием погоды, обнаруживать стихийные бедствия на более ранней стадии.
Благодаря патенту CityLabs Power Source Package (PSP) ядерная кибербезопасность становится все более реалистичной. Мы можем спрятать долговечный источник питания прямо на печатной плате вашего устройства, чтобы помочь защитить ценные данные от хакеров и мощные ключи шифрования.
Кроме того, ядерные батареи уже защита ядерных отходов от попадания в чужие руки путем переработки опасных материалов.
Срок службы ядерной батареи
Одной из причин, по которой ядерные батареи столь многообещающи, является их предсказуемость. По мере того, как мы продолжаем узнавать больше о том, как оптимизировать нерадиоактивные компоненты источника питания, мы учимся использовать преимущества его полного срока службы.
Поскольку электричество возникает в результате постоянного распада частиц, батарея не разряжается быстрее из-за повышенного использования. Исследования тенденций периода полураспада радиоизотопов позволяют исследователям предсказать, сколько энергии ядерная батарея может выдать в любой период времени на протяжении всего ее использования.
Недостатки ядерных батарей: выделяют ли батареи радиацию?
В прошлом у людей не было хорошего понимания радиации или стратегий безопасного обращения с ней. Одним из самых больших препятствий для производителей ядерных батарей является негативное отношение общественности к ядерной энергии. City Labs продолжает решать эту проблему, обучая людей тому, как атомная энергия может быть экологически чистой, эффективной, а также безопасно с использованием трития.
Стоимость ядерной батареи
Стоимость производства ядерных батарей нецелесообразна для некоторых приложений. Радиоизотопы могут быть редкими, а технология, необходимая для их эффективного использования, может быть дорогой. Исторически цены на ядерные батареи были слишком высоки, чтобы оправдать их массовое производство и использование.
С менее требовательными изотопами, такими как тритий, коммерциализация этих продуктов стала более реалистичной. Продукты с тритиевыми батареями станут более доступными и станут менее дорогостоящими по мере их более широкого распространения.
Применение аккумуляторной технологии NanoTritium™ от City Labs
Аккумуляторы NanoTritium™ компании City Labs используются для питания широкого спектра электронных устройств с низким энергопотреблением. Батареи NanoTritium™ используются в таких устройствах, как SRAM, для питания ключей шифрования, когда процессоры отключены.
Наша продукция может служить более 20 лет и устойчива к экстремальным перепадам температуры. Эти характеристики делают нашу запатентованную технологию ядерных батарей идеальным решением, когда химические батареи неэффективны из-за проблем со сроком службы, температурой или заменяемостью. Наша команда исследователей и разработчиков постоянно работает над улучшением функциональных возможностей наших продуктов.
Текущие исследования и разработки аккумуляторов City Labs
Несмотря на то, что наша команда разработала успешные аккумуляторы, которые могут работать десятилетиями, некоторые из которых находятся в эксплуатации у клиентов с 2008 года, мы всегда стремимся выйти на новый уровень эффективности для наших партнеров.
Наша серия бета-гальванических микробатарей P200 совершенствует нашу предыдущую серию и направлена на расширение приложений для большего количества беспроводных датчиков, устройств безопасности и даже кардиостимуляторов.
Эти новые батареи, помимо обеспечения мощностью 5-10 микроватт, смогут выдавать милливаттные всплески мощности с помощью дополнительной электроники.
Ознакомьтесь с аккумулятором NanoTritium™ от City Labs
Прочтите о нашей технологии NanoTritium™ и узнайте, как она работает. Если вы ищете долговечные, маломощные бета-гальванические источники питания для питания вашей микроэлектроники, не стесняйтесь обращаться к нам. City Labs всегда ищет новых коммерческих партнеров для сотрудничества.
Связанные страницы
- Узнайте больше о батареях
- Аккумуляторы кардиостимуляторов для безвыводных кардиостимуляторов
- Тритиевые батареи как источник ядерной энергии
- Бетавольтаические батареи: исторический обзор | Городские лаборатории
- City Labs получила первую в отрасли нормативную лицензию на бета-электрическую батарею
