Nad on pool sajandit püüdnud välja töötada beeta-voltaic akusid – uue põlvkonna toiteallikat, kuid tööstusliku tootmiseni pole veel keegi jõudnud. Aku täidist, nikkel-63 isotoopi, looduses ei leidu: seda saab toota ainult kunstlikult.
Mõnes riigis, näiteks Ameerika Ühendriikides, tulid nad välja tehnoloogiatega, mis võimaldavad saada niklit, kuid ainult väherikastatud niklit - 63. isotoobi sisaldusega umbes 20%. Tõhusat tuumaakut sellega teha ei saa. Rosatomi ettevõtted on saavutanud üle 80% rikastamise.
Venemaa tuumapatarei on riikliku keemiakombinaadi, mitmete teiste tööstusettevõtete ja Teaduste Akadeemia ühisprojekt. "Koostöö raames on mitmeid ülesandeid, millest peamine on süsteemiintegratsioon," ütles osakonnajuhataja asetäitja. tehniline osakond GCC Dmitri Druz. "Nüüd tehakse mitmeid arendustöid 63. isotoobis suure rikastusega nikli saamise tehnoloogiaga ning tehakse mitmeid töid aku prototüübi loomiseks."
Tuumapatarei tööpõhimõte põhineb beeta-voltaic efektil: nikli radioaktiivse isotoobi beetakiirgus muundatakse pooljuhi abil. elektrienergia. Fotoelektrilise efekti analoog, selle erinevusega, et elektron-augu paarid tekivad pooljuhi kristallvõres beetaosakeste (kiirete elektronide), mitte footonite mõjul.
"Põhimõtteliselt koosneb nikkel-63 isotoobil põhinev aku neljast osast: sellele sadestatud beeta-kiirguse pooljuhtmuundurist üliõhukese kihiga väga rikastatud nikkel-63 isotoobiga, aku kontaktoritest ja miniatuursest hermeetilisest korpusest," ütleb Dmitri Druz. .
ALLIKA SPETSIFIKATSIOONID
100 µW/cm
ERIVÕIMSUS
16,6,2 mm
MÕÕTMED
> 50 aastat
ELUAEG
20 %
MCC kavatseb saada esimese tuumapatarei näidise 2016. aasta lõpus – 2017. aasta alguses. Kujult ja mõõtmetelt on allikad kohandatud mikrovatt-klassi akudele, eelkõige neuro- ja südamestimulaatoritele. Tulevikus sõltuvad toote omadused ja omadused rakendusest ja kliendi nõudmistest. "See võib olla tavalised vormitegurid -" tahvelarvutid "või miniatuursed sõrmepatareid või mikrominiatuursed vormitegurid," loetleb Dmitri Druz. 
Tehnoloogia on läbimurdeline – edestades kõiki tänapäeval tuntud lääne analooge isegi mitte sammu, vaid mitme sammu võrra. Projekti elluviimiseks on vaja lahendada fundamentaalseid ja rakendusteaduslikke probleeme, samuti kandideerida tööstuslikud tehnoloogiad"Rosatom", mis läks taas lääne omadest mööda. Ja kõik see tervikuna, nagu me ootame, võimaldab meil järgmise aasta alguseks luua ainulaadse toote. Petr Gavrilov, MCC peadirektor
Uudsuse vastu huvi tekitades ilmusid ajakirjanduses väljaanded teiste organisatsioonide arengutest.
Nii lõi MISiSi, TISNUMi, MIPTi ja NPO Luchi teadlaste meeskond nikkel-63 isotoobi ioniseeriva kiirguse jaoks uue energiamuunduri prototüübi. Kuid see pole tuumapatarei, vaid tuumageneraator. Uurimisrühma juht, MISiS-i pooljuhtide ja dielektrikute materjaliteaduse osakonna juhataja, professor Juri Parkhomenko kommenteerib: „Me seisime silmitsi põhimõtteliselt teistsuguse ülesandega - kiirgusstimuleeritud mehaanilise elektrilise vahelduvpinge generaatori väljatöötamine, mis töötab tänu energiale. nikkel-63 isotoobi ioniseeriva kiirguse eest.
Selle aku südameks on konsool, õhuke bidomeenistruktuuriga piesokristallilisest liitiumniobaadist plaat. Beeta-lagunemise ajal nikkel-63 isotoobis vabanev energia muundatakse piesokristallilise konsooli mehaaniliste vibratsioonide energiaks, mis omakorda muundatakse elektroodidel vahelduvpingeks.
Nii beeta-voltailised kui ka mikroelektromehaanilised allikad (analoogselt MISiS-i ja partnerite arendamisega) ilmusid rohkem kui 10 aastat tagasi, kuid kõigil neil puudub tõhusus ja võimsus, mida kõrgelt rikastatud nikkel-63 suudab pakkuda. Nagu Dmitri Druz märgib, on juba praeguses uurimis- ja arendustegevuse etapis selge, et GCC aku ületab kõik aku näidised, kasutades nikkel-63 beetalagunemise energiat. “Meie allikal on mitmeid eeliseid nii tõhususe ja võimsuse kui ka suuruse ja vähenõudlikkuse osas. Seda saab kasutada ka kõige ekstreemsemates tingimustes,” rõhutas Dmitri Druz.
Rosatomi kaubamärgi all olev tuumaaku saab peagi reaalsuseks ja on põhjust arvata, et see toode muudab revolutsiooni mitte ainult kodumaisel, vaid ka maailmaturul.
Potentsiaalsed tarbijad
Meditsiinilised südamestimulaatorid kasutavad plutoonium-238 energiaallikana ja kestavad umbes 10 aastat. Südamestimulaatorite vahetamine on keeruline operatsioon, tuumapatarei puhul pole deimplantatsiooni vaja 50 aasta pärast. Tuumatööstuses saab tuumapatareisid paigaldada temperatuuri- ja kiirgusseireanduritesse. Tuumaakudest saab autonoomsete võrkude asendamatu osa. navigatsiooniseadmed, telemeetriasüsteemid ja paljude parameetrite võrguseire. Kauamängivaid allikaid võtavad pauguga vastu erinevate veealuste süsteemide loojad, põhjamaa vallutajad, sõjatööstus.
Tootmine
Nikkel-63 on puhas energiaallikas: pehme beetakiirgusega ei kaasne kahjulikku gammakiirgust. Poolväärtusaeg on 100 aastat. Isotoobi tootmiseks on vaja kahte rikastamisetappi: esiteks nikkel-62 tsentrifuugides, seejärel pärast rikastamist ja isoleerimist nikkel-63 jaoks.
Igasse majja?
Kes meist ei tahaks, et nutitelefonid, arvutid või tahvelarvutid töötaksid 50 aastat ilma laadimiseta? Ohutuse seisukohast pole takistusi: nikkel-63 beetakiirgust neelab aku korpus. Küll aga kardetakse, et leidub neid, kes tahavad akut lahti võtta. Ja siis võivad sellel olla negatiivsed tagajärjed. Tarbijate juurdepääsul tuumapatareidele ja -generaatoritele on veel üks takistus – hind. 1 g nikkel-63 saamise keeruka tehnoloogia tõttu maksab see sadu tuhandeid rublasid. Kuigi aku vajab palju vähem kui grammi, on see kallis. Kui aga toodet testitakse teadmistemahukates kõrgtehnoloogilistes tööstusharudes, kasvab nõudlus ja seejärel tööstuslik tootmine nikkel-63 ja hind on palju madalam. Tähtis küsimus: kuidas kõrvaldada kompaktsed tuumaenergiaallikad? "Lagunemata isotoobi eraldamiseks on optimaalne anda need töötlemiseks," usub MCC tehnilise osakonna juhataja asetäitja Dmitri Druz.
Toiteallikat saab kasutada ka meditsiinis
Rosatom esitles IX Atomexpo-2017 foorumil üht viimast arengut – nikkel-63 radioaktiivsel isotoopil põhinevat tuumaakut. Unikaalset toiteallikat saab kasutada meditsiini- ja kosmoserakendustes, säästes miljoneid dollareid seadmekuludelt. Samal ajal on näitusemudel miniatuurne - ainult 1 kuupsentimeetrit ja selle kasutusiga on vähemalt 50 aastat.
« Lihtsate sõnadega, see on tuumapatarei ja teaduslikult öeldes on see beetakiirguse allikas, mis koosneb beeta-voltari elemendist ja teemandipõhisest pooljuhtmuundurist. Nikkel-63 looduses ei eksisteeri, see saadakse loodusliku isotoobi nikkel-62 kiiritamisel neutronitega tuumareaktoris koos edasise radiokeemilise töötlemise ja eraldamisega gaasitsentrifuugides, ”ütles Teadusliku Uurimise Instituudi labori juhataja asetäitja. Luch intervjuus MK-le, Rosatomi ettevõtete teadusosakonnale Aleksander Pavkin. Ta märkis, et nikkel-63 omadused teevad akust väga mugava, kompaktse ja mis kõige tähtsam turvalise aku, mille võimsustihedus on 1 mikrovatt ja pinge 2 volti. Spetsialist selgitas sellise toiteallika ohutust asjaoluga, et nikkel-63 peetakse "pehmeks" beeta-emitteriks, kuna selle puhul pole neutron- ega gammakiirgust ning beetakiirguse elektronid neelduvad muunduris täielikult ja on inimesele täiesti kahjutu.
Samas saab aku võimsust vastavalt vajadusele suurendada või vähendada: mida suuremad mõõdud, seda suurem võimsus. Pavkini sõnul piisab aku kasutamiseks südamestimulaatoris või neurostimulaatoris 1 mikrovatist võimsust. Spetsialist lisas ka, et selliseid jõuallikaid saab lisaks meditsiinile kasutada astronautikas, aga ka akut raskesti ligipääsetavates kohtades ja ekstreemsetes tingimustes.
Sellise imeaku maksumust on endiselt raske arvutada: kõik sõltub kliendi nõudmistest selle võimsusele. Kuid igal juhul tasub sellise elemendi kasutamine oma ostuhinna väga kiiresti tagasi. "Võrdluseks: 1 kg juhtmete kosmosesse saatmiseks kulub miljon dollarit, kui need asendada juhtmevaba toiteallikaga, on kasu ilmselge," rõhutas Rosatomi esindaja.
Arendustööd viidi läbi ühiselt Podolskis asuv uurimisinstituut "Luch" koos ülikõva ja uute süsinikmaterjalide tehnoloogilise instituudiga (TISNUM, Troitsk). Praegu on aku prototüüp, kuid Rosatom valmistub juba seadme masstootmisse laskma. Nagu märkis Aleksander Pavkin, näitasid arenduse vastu huvi paljud näitusel näidisega tutvunud ettevõtted ja potentsiaalsed investorid. Rosatom plaanib oma leiutisega siseneda kodu- ja välisturgudele. Riigikorporatsiooni esindajad märgivad, et uuenduslike omaduste tõttu on uudsuse hind väga konkurentsivõimeline ja võimaldab sellel populaarsust koguda mitte ainult Venemaal, vaid ka läänes.
Teadlaste ja ekspertide hinnangul loob nikkel-63-põhiste toiteallikate kasutamine eeldused tehnoloogiliseks läbimurdeks paljudes valdkondades. Tööstuses saab selliseid elemente kasutada andurites hoonete, torustike seisukorra jälgimiseks, need on kasulikud elektriseadmete töö tagamiseks, sh Arktika arendamise projektid, kosmosetehnoloogia ja robootika toimimise tagamiseks. Luuakse uute allikate seeriatootmine uus rida seadmed mikroelektroonikas, eriti autonoomne mikroprotsessor digitaalsed seadmed sisseehitatud toiteallikaga. Samal ajal on Venemaa kõrgelt rikastatud nikkel-63 tootmise uuendaja: seda ei kasutata üheski teises riigis.
Nickel-63 on väga mugav alus miniatuursetele, kuid samas ohututele ja hooldusvabadele beeta-voltaic toiteallikatele, mille kasutusiga on vähemalt 50 aastat ja kõrge võimsustihedus. Neid saab kasutada erinevates valdkondades, sealhulgas kosmonautikas ja meditsiinis, aga ka erinevates ekstreemsetes tingimustes ja raskesti ligipääsetavates piirkondades.
SELLEL TEEMAL
Projektis osaleja, Luchi labori juhataja asetäitja Aleksander Pavkini sõnul on nikkel-63 baasil kompaktse jõuallika mudel valminud initsiatiivil tehtud uurimistöö tulemus. «Antud juhul oleme saanud ühe mikrovati suurusjärgu lähtevõimsuse – see on juba piisav näiteks südamestimulaatori töö tagamiseks,» rõhutas ta.
Tuleb märkida, et nikkel-63 looduses ei eksisteeri. See saadakse kunstlikult, kiiritades tuumareaktoris looduslikku nikkel-62 isotoopi neutronitega. Seejärel töödeldakse saadud materjali radiokeemiliselt ja eraldatakse gaasitsentrifuugides.
Esitatud allika töö põhineb niklil, mille nikkel-63 rikastusaste on 20%, ütles Aleksander Pavkin. Kui aga kasutada rohkem rikastatud niklit, lisas ta, saab võimsust suurendada ja samal ajal seadme suurust vähendada. "Nikkel-63 on niinimetatud "pehme" beeta-emitter. Sel juhul pole neutron- ega gammakiirgust. Ja beetakiirguse elektronid neelduvad muunduris täielikult, nii et kui allikat kasutatakse südamestimulaatoriga, ei ulatu need isegi nahapinnani,“ ütles Luchi labori juhataja asetäitja.
Meenutagem, et varem käivitas Rosatom mastaapse projekti Lõuna-Venemaal. Räägime tuuleparkide rajamisest Adygeas ja Krasnodari territoorium. Järgmise 10 aasta finantseerimise kogusumma ületab 63 miljardit rubla.
Kokkulepe Adõgeas esimese 150-megavatise võimsusega tuulepargi ehitamises saavutati eelmisel aastal Sotšis toimunud rahvusvahelisel investeerimisfoorumil. Projekti elluviimine vähendab vabariigi energiasüsteemi puudujääki umbes kolmandiku võrra.
Tuulepark või tuulepark on tuuleturbiinide seeria, mis on kokku pandud ühes või mitmes kohas ja ühendatud ühtne võrk. Suured tuulepargid võivad koosneda 100 või enamast tuulikust, mis võimaldavad kuluefektiivselt kasutada ka kõige nõrgema tuule energiat – alates 4 meetrist sekundis.
Lõpuks ilmus meie patarei heinamaale Rosatom, kes esines Atomexpo-2017 foorumil tuumapatarei mille kasutusiga on vähemalt 50 aastat. Seda märkimisväärset sündmust ära kasutades kaalume rahumeelse aatomi kasutamise väljavaateid mobiilseadmed.
Aatomi (tuuma) aku- see on ikkagi aku, mitte aku, kuna definitsiooni järgi on see ühekordne elektrivoolu allikas, ilma laadimisvõimaluseta. Sellest hoolimata erutab avalikkuse kujutlusvõimet mobiilseadmetes aatomipatareide kasutamise võimalus. Aga kõigepealt asjad kõigepealt.
Mida täpselt Rosatom foorumil esitles? tegevdirektor Föderaalne riigi ühtne ettevõte "NII NPO Luch", Pavel Zaitsev väitis, et esitatud allikas, mis töötab Ni63 isotoobil, on võimeline tarnima 1 mkW pingega 2 V 50 aasta jooksul. Pavel Zaitsev räägib ausalt öeldes tagasihoidlikest voolu-pinge omadustest, keskendudes pikale kasutusajale. Tõenäoliselt ainuüksi isiklikust tagasihoidlikkusest märkis föderaalse osariigi ühtse ettevõtte "NII NPO Luch" peadirektor tehnilised kirjeldused ainult võimsus, mitte üldtunnustatud võimsus. Aga me ei laena seda suur tähtsus ja lihtsalt arvutage võimsus:
C = 0,000001 W * 50 aastat * 365 päeva * 24 tundi / 2 V = 219 mA
Selgub, et väikese universaalaku mõõtu tuumaaku mahutavus on täpselt nagu liitium-polümeer (Li-Pol) aku bluetooth kõrvaklappide jaoks! Pavel Zaitsev soovitab kasutada oma tuumapatarei kardioloogias, mis nii tohutut suurust arvestades tekitab tõsiseid kahtlusi. Võib-olla võib seda tuumaakut pidada omamoodi prototüübiks isotoopidest elektri tootmisel, kuid Rosatomil tuleb akut tuhat korda vähendada, et see vastaks kaasaegsetele südamestimulaatoritele.
Pole üldse rahul hinnaga tuumapatarei- riigidirektor ühtne ettevõte teatas nikli isotoobi hinnaks dollarites (!) 4000USD/gramm. Kas see tähendab, et põhikomponent ostetakse väljastpoolt Venemaad? Ja mitu grammi on vaja ühe aku tegemiseks? Samal ajal märgiti, et vaja on ka teemantelemente (samuti pole selge, kui palju?), Kuid mille maksumus (juba rublades) jääb vahemikku 10 000–100 000 rubla tükk. Mis saab olema kogumaksumus selline aku? Südamestimulaatorid Venemaal on paigaldatud vastavalt kohustuslik tervisekindlustuspoliis erakorralistel juhtudel või kvoodi alusel tasuta. Kui kvoot on ebapiisav ja välismaal toodetud südamestimulaatorite puhul, peavad patsiendid ise maksma. Kas tuumapatareid paigaldatakse MHI eelarve arvelt või peavad eakad need eraldi ostma? Kui Rosatomi juhtkond mäletaks, et Venemaa pensionärid elavad režiimis "olge päev ja pidage öösel vastu", siis mõistaksid nad ilmselt naeruväärset dissonantsi kosmose kasutusea ja kulude vahel. See viitab sellele, et lugupeetud Pavel Zaitsev kasutab teadus- ja arendustegevuseks eraldatud vahendeid aktiivselt, ilma lõpptarbijatele üldse mõtlemata. Sarnase hinnangu Rosatomi "leiutisele" annavad kasutajad sotsiaalsed võrgustikud:
Vaevalt, et seda kusagil kasutatakse. Olen enam kui kindel, et eelarvest, nagu ikka, sai meisterdatud, osa kulus esitlusele ja toodet ennast ei näe keegi kunagi :)
Deklareeritud kasutusiga (50 aastat), nagu me arvasime, on vaid pool Ni 63 poolestusajast (100 aastat). Sama loogikat kasutavad ka Bristoli ülikooli teadlased kontseptsioonivideos. Erinevalt Rosatomi akust kasutab Bristoli aatomi aku C 14 isotoopi ja võib vastu pidada 5730 aastat! Bristoli ülikool unustas 2-ga jagada, kuid 2865 aastat on südamestimulaatori jaoks liiga pikk aeg. Bristoli kontseptsiooni ainulaadsus seisneb selles, et tuumajäätmete probleem lahendatakse nende töötlemisel tuumapatareid.
Kui selle video teksti hoolikalt kuulate ja tõlkite, leiate palju huvitavamat teavet. Esiteks kirjeldatakse üksikasjalikult C 14 isotoobi päritolu.
Inglismaa on alates 1940. aastast palju ära teinud tuumareaktorid teaduslikel, sõjalistel ja tsiviilotstarbel. Kõik need reaktorid kasutavad kütusena uraani ja reaktori sees on valmistatud grafiitplokkidest. Neid grafiidiplokke kasutatakse tuuma lõhustumise protsessis, võimaldades kontrollida ahelreaktsiooni, mis toodab pidevat soojusallikat. Seda soojust kasutatakse seejärel vee muutmiseks auruks, mis omakorda muudab turbiinid elektri tootmiseks. Tuumaelektrijaamades tekib tuumajäätmeid, mis tuleb ohutult kõrvaldada. Peame lihtsalt ootama, kuni need jäätmed lakkavad olemast radioaktiivne. Kahjuks kulub selleks tuhandeid ja miljoneid aastaid. See nõuab ka palju raha, et hoida turvalisust nende aastate jooksul kontrolli all. Kuna me kasutame grafiitreaktoreid, on Inglismaa loonud 95 000 tonni kiirgust sisaldavaid grafiidiplokke. See grafiit on ainult üks süsiniku vorme, lihtne ja stabiilne element, kuid kui need plokid asetada väga radioaktiivsesse kohta, muutub osa süsinikust süsinikuks 14. Süsinik 14 võib muutuda tagasi tavaliseks süsinikuks 12, kui selle lisaenergia on kadunud. Kuid see on väga pikk protsess, sest süsiniku 14 poolestusaeg on 5730 aastat.
Hiljuti näitasid Bristoli ülikooli Caboti instituudi teadlased, et väljast tuleva kiirguse toimel koondub süsinik 14. See tähendab, et enamikku kiirgusest on võimalik eemaldada kuumutades – suurem osa kiirgusest väljub gaasina. , mida saab seejärel koguda.Ülejäänud grafiidiplokid on endiselt radioaktiivsed, kuid mitte nii palju, mis tähendab, et neid on lihtsam ja odavam kõrvaldada.Radioaktiivset süsinikku 14 gaasi kujul saab muuta madalal rõhul ja kõrgetel temperatuuridel teemant – see on veel üks süsiniku vorm.Radioaktiivsest süsinikust valmistatud tehislikud teemandid eraldavad beetakiirguse voogu, mis võib tekitada elektrivoolu.See annab meile teemantpatarei tuumaenergia.Ohutuse tagamiseks meie jaoks on see kaetud mitteradioaktiivse teemandi kihiga, mis neelab täielikult kogu kiirguse ja muudab selle peaaegu 100% elektriks.Puudub liikuvaid osi, hooldust pole, teemant toodab lihtsalt elektrit. Kuna teemant on maailma kõige kõvem aine, ei suuda ükski teine aine pakkuda radioaktiivsele süsinikule sellist kaitset 14 . Seetõttu on väljas tuvastatav väga väike kogus kiirgust. Kuid see on umbes sama palju kiirgust kui banaan, seega on see täiesti ohutu. Nagu me ütlesime, laguneb ainult pool süsinikust 14 iga 5730 aasta järel, mis tähendab, et meie teemantpatareil on hämmastav eluiga – see tühjeneb 50% võrra alles 7746. aastal. Neid teemantpatareisid on kõige parem kasutada seal, kus tavalisi patareisid ei saa vahetada. Näiteks satelliitides kosmoseuuringuteks või implanteeritud seadmetes, nagu südamestimulaatorid.
Palume kõigil saata oma ettepanekud aadressile #diamondbattery. Selle arendamine uus tehnoloogia lahendaks palju probleeme, näiteks: tuumajäätmed, puhas elekter ja pikem aku kasutusiga. See viib meid energiatootmise "teemantajastusse".
Väga ilus 2016. aasta Bristolist pärit teadlaste kontseptsioon ja väga tagasihoidlik Rosatomi kast võib (?) kunagi valmida teemantelektrijaamadeni, aga mitte mobiilseadmete tuumapatareid. Raske on veenda inimesi Fukushima taskus ringi käima, isegi kui nad hakkavad selle eest lisatasu maksma.
Aatomi kasutamine rahumeelsetel eesmärkidel on üks meie aja vastuolulisi küsimusi, arvestades, et energeetika on kõige monopoliseeritum majandussektor, mil maksud ja tasud moodustavad üle 90% elektri KW hinnast. Rahumeelse aatomi tõhusus on küsitav, kuna tinglikult odava tuumaenergia hind ei sisalda inimtegevusest tingitud tagajärgede kulusid. Seetõttu on mõned riigid, sealhulgas Saksamaa ja Jaapan, otsustanud aatomi kasutamisest energiasektoris täielikult loobuda. Tõepoolest, taastuvaid energiaallikaid arendades ei saa mitte ainult täielikult loobuda tuumaenergiast, vaid luua ka kõrgtehnoloogilise tööstuse, kus on miljoneid kõrget kvalifikatsiooni nõudvaid töökohti.
Kokkuvõtteks võib öelda, et meil on tõenäoliselt veel üks tehno-loll nagu "Superaku", mitte teemandiajastu läbimurdeline "leiutis". Ehk siis rahumeelse aatomi kasutamine mikroenergias on nagu sea habemeajamine - kiljumist on palju, aga villa vähe!