Оптоэлектрическая ядерная батарея

Оптоэлектрическая ядерная батарея ^{[ нужна ссылка ]} (также радиофотоэлектрическое устройство , радиолюминесцентная ядерная батарея ^[1] или радиоизотопный фотоэлектрический генератор ^[2]) — тип ядерной батареи , в которой ядерная энергия преобразуется в свет , который затем используется для выработки электрической энергии . Это достигается за счет того, что ионизирующее излучение, испускаемое радиоактивными изотопами, попадает на люминесцентный материал ( сцинтиллятор или люминофор ), который, в свою очередь, излучает фотоны , генерирующие электричество при попадании в фотоэлектрический элемент.

Технология разработана учеными Курчатовского института в Москве . ^{[ нужна ссылка ]}

Описание

Бета -излучатель, такой как технеций-99 или стронций-90, суспендирован в газе или жидкости, содержащей молекулы люминесцентного газа эксимерного типа , образующие «пылевую плазму». Это позволяет практически без потерь испускать бета -электроны из излучающих частиц пыли. Затем электроны возбуждают газы, эксимерная линия которых выбрана для преобразования радиоактивности в окружающий фотоэлектрический легкую, высокоэффективную батарею слой, так что теоретически можно реализовать низкого давления. (На практике существующие конструкции тяжелые и требуют высокого давления.) Эти нуклиды представляют собой относительно недорогие радиоактивные отходы ядерных энергетических реакторов . Диаметр пылинок настолько мал (несколько микрометров), что электроны бета-распада покидают пылинки почти без потерь. Окружающая слабоионизованная плазма состоит из газов или газовых смесей (таких как криптон , аргон и ксенон ) с эксимерными линиями, так что значительная часть энергии бета-электронов преобразуется в этот свет. Окружающие стены содержат фотоэлектрические слои с широкими запрещенные зоны , такие как алмаз , которые преобразуют оптическую энергию, генерируемую излучением, в электрическую энергию. ^{[ нужна ссылка ]}

Немецкий патент ^[3]^[4] приводит описание оптоэлектрической ядерной батареи, которая будет состоять из эксимера аргона, ксенона или криптона (или смеси двух или трех из них) в сосуде под давлением с внутренней зеркальной поверхностью, тонкоизмельченного радиоизотопа и мешалка прерывистого действия ультразвуковая , освещающая фотоэлемент с запрещенной зоной, настроенной на эксимер . Когда бета-излучающие нуклиды (например, криптон-85 или аргон-39 ) испускают бета-частицы, они возбуждают собственные электроны в узкой эксимерной полосе при минимальных тепловых потерях, так что это излучение преобразуется в широкозонное фотоэлектрическое. слой (например, в алмазе pn) очень эффективно преобразуется в электричество. Тогда электрическая мощность на вес по сравнению с существующими радионуклидными батареями может быть увеличена в 10–50 и более раз. Если сосуд под давлением изготовлен из углеродного волокна / эпоксидной смолы , то соотношение мощности к весу будет сравнимо с воздушно-реактивным двигателем с топливными баками. Преимущество этой конструкции заключается в том, что не требуются прецизионные сборки электродов, а большая часть бета-частиц покидает мелкодисперсный сыпучий материал, внося свой вклад в полезную мощность батареи.

Недостатки

Высокая цена радионуклидов.
Тяжелый защитный сосуд высокого давления (до 10 МПа или 100 бар).
В случае нарушения условий сдерживания высвободятся струи мелкодисперсных радиоизотопов под высоким давлением, образующие эффективную грязную бомбу .

Неизбежный риск отказа, вероятно, ограничит применение этого устройства в космических приложениях, где мелкодисперсный источник радиоизотопов извлекается из безопасной транспортной среды и помещается в газ высокого давления только после того, как устройство покинет околоземную орбиту. ^{[ нужна ссылка ]}

Как проект DIY

Простую бета-фотоэлектрическую ядерную батарею можно сконструировать из легкодоступных тритиевых флаконов (стеклянных трубок, заполненных тритием и покрытых радиолюминесцентным люминофором ) и солнечных элементов . ^[5]^[6]^[7] Одна конструкция, состоящая из 14 тритиевых пузырьков размером 22,5x3 мм, производила мощность 1,23 микроватта при максимальном напряжении 1,6 вольт. ^[5] Другая конструкция сочетала батарею с конденсатором для питания карманного калькулятора в течение одной минуты. ^[8]

См. также

Ссылки

^ Хун, Лян; Тан, Сяо-Бин; Сюй, Чжи-Хэн; Лю, Юн-Пэн; Чен, Да (1 ноября 2014 г.). «Радиолюминесцентные ядерные батареи с разными слоями люминофора» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 338 : 112–118. дои : 10.1016/j.nimb.2014.08.005 . ISSN 0168-583X .
^ МакКлвин, JW; Усельман, Дж. (1979). «Фотоэлектрический генератор на радиоизотопном питании» . Ядерные технологии . 43 (3): 366–372. дои : 10.13182/NT79-A19224 . ISSN 0029-5450 .
^ Юревич, Буди, Фортов, Хёпфл (27 января 2000 г.). «Сверхкомпактная радионуклидная батарея, полезная для космических аппаратов, содержит частицы радионуклидной пыли, взвешенные в газе или плазме (DE000019833648)» . Patentscope.wipo.int . Проверено 30 августа 2020 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Юревич, Буди, Фортов, Хёпфл (27 января 2000 г.). «Сверхкомпактная радионуклидная батарея, полезная для космических аппаратов, содержит частицы радионуклидной пыли, взвешенные в газе или плазме (патент Германии DE19833648)» . freepatentsonline.com . Проверено 21 февраля 2016 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Перейти обратно: ^а ^б НурдРейдж. «Сделай тритиевую ядерную батарею или радиоизотопный фотоэлектрический генератор» . instructables.com . Проверено 1 сентября 2020 г.
^ Г. Хитон. «Тритиевая ядерная батарея (бетафотоэлектрическая)» . hackaday.io . Проверено 1 сентября 2020 г.
^ Пул, Ник. «Руководство по сборке ядерной батареи» . www.sparkfun.com . Проверено 1 сентября 2020 г.
^ Дж. Хитон. «Атомный калькулятор» . hackaday.io . Проверено 1 сентября 2020 г.

Полимеры, фосфор и гальваника для радиоизотопных микробатарей , Кеннет Э. Бауэр (редактор) и др.
Патент США 7 482 533 Батарея с ядерным сердечником.

[1] Хун, Лян; Тан, Сяо-Бин; Сюй, Чжи-Хэн; Лю, Юн-Пэн; Чен, Да (1 ноября 2014 г.). «Радиолюминесцентные ядерные батареи с разными слоями люминофора» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 338 : 112–118. дои : 10.1016/j.nimb.2014.08.005 . ISSN 0168-583X .

[2] МакКлвин, JW; Усельман, Дж. (1979). «Фотоэлектрический генератор на радиоизотопном питании» . Ядерные технологии . 43 (3): 366–372. дои : 10.13182/NT79-A19224 . ISSN 0029-5450 .

[:0-3] Юревич, Буди, Фортов, Хёпфл (27 января 2000 г.). «Сверхкомпактная радионуклидная батарея, полезная для космических аппаратов, содержит частицы радионуклидной пыли, взвешенные в газе или плазме (DE000019833648)» . Patentscope.wipo.int . Проверено 30 августа 2020 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[fpo-4] Юревич, Буди, Фортов, Хёпфл (27 января 2000 г.). «Сверхкомпактная радионуклидная батарея, полезная для космических аппаратов, содержит частицы радионуклидной пыли, взвешенные в газе или плазме (патент Германии DE19833648)» . freepatentsonline.com . Проверено 21 февраля 2016 г. {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[:1-5] Перейти обратно: ^а ^б НурдРейдж. «Сделай тритиевую ядерную батарею или радиоизотопный фотоэлектрический генератор» . instructables.com . Проверено 1 сентября 2020 г.

[6] Г. Хитон. «Тритиевая ядерная батарея (бетафотоэлектрическая)» . hackaday.io . Проверено 1 сентября 2020 г.

[7] Пул, Ник. «Руководство по сборке ядерной батареи» . www.sparkfun.com . Проверено 1 сентября 2020 г.

[8] Дж. Хитон. «Атомный калькулятор» . hackaday.io . Проверено 1 сентября 2020 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]