Бетавольтаическое устройство

Бета -вольтаическое устройство ( бета-элемент или бета-вольтаическая батарея ) — это тип ядерной батареи , которая генерирует электрический ток из бета-частиц ( электронов ), испускаемых радиоактивным источником, с использованием полупроводниковых переходов . Обычно используемым источником является водорода изотоп тритий . В отличие от большинства источников ядерной энергии , которые используют ядерное излучение для выработки тепла, которое затем используется для выработки электроэнергии, бетавольтаические устройства используют процесс нетеплового преобразования, преобразуя электронно-дырочные пары, образующиеся в результате ионизации бета-частиц, проходящих через полупроводник. ^[1]

Бетавольтаические источники энергии (и соответствующая технология альфаэлектрических источников энергии). ^[2]) особенно хорошо подходят для маломощных электрических устройств , где длительный срок службы необходим источника энергии, таких как имплантируемые медицинские устройства или военные и космические приложения. ^[1]

История

Бетавольтаика была изобретена в 1970-х годах. ^[3] Некоторые кардиостимуляторы в 1970-х годах использовали бетавольтаику на основе прометия . ^[4] но были сняты с производства по мере разработки более дешевых литиевых батарей. ^[1]

Ранние полупроводниковые материалы были неэффективны при преобразовании электронов от бета-распада более высокоэнергетические, более дорогие и потенциально опасные изотопы в полезный ток, поэтому использовались . Более эффективные полупроводниковые материалы, используемые по состоянию на 2019 год ^[update]^[5] может сочетаться с относительно безопасными изотопами, такими как тритий, которые производят меньше радиации. ^[1]

Бетацел считался ^{[ кем? ]} первая успешно коммерциализированная бетавольтаическая батарея.

Предложения

Бетавольтаика в основном используется для удаленного и долгосрочного использования, например, в космических кораблях, которым требуется электроэнергия в течение десятилетия или двух. Недавний прогресс побудил некоторых предложить использовать бета-вольтаику для подзарядки обычных аккумуляторов в потребительских устройствах, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры . ^[6]^{[ ненадежный источник? ]} Еще в 1973 году бета-вольтаику было предложено использовать в медицинских устройствах длительного действия, таких как кардиостимуляторы . ^[4]

В 2018 году была представлена российская конструкция на основе пластин никеля-63 толщиной 2 микрона , зажатых между слоями алмаза толщиной 10 микрон. Он производил выходную мощность около 1 мкВт при плотности мощности 10 мкВт /см. ³. Его плотность энергии составила 3,3 кВтч/кг. Период полураспада никеля-63 составляет 100 лет. ^[7]^[8]^[9]

В 2019 году в статье была указана жизнеспособность бета-вольтаических устройств в средах с высокими температурами, превышающими 733 К (460 ° C; 860 ° F), например, на поверхности Венеры . ^[10]

Бетавольтаика напрямую преобразует кинетическую энергию бета-частиц в электрическую энергию с помощью полупроводниковых переходов. В отличие от традиционных ядерных реакторов, которые генерируют тепло, а затем преобразуют его в электричество, бетавольтаика обеспечивает нетепловое преобразование. ^[11]

Прототип бета-вольтаической батареи, анонсированный в начале 2024 года китайской компанией Betavolt , содержит тонкую пластину, обеспечивающую источник электронов бета-частиц ( углерода-14 или никеля-63 ), зажатую между двумя тонкими кристаллографическими алмазными полупроводниковыми слоями. ^[12]^[13] Китайский стартап утверждает, что миниатюрное устройство находится на стадии пилотного тестирования. ^[14] Представленный в январе 2024 года, он предположительно генерирует мощность 100 микроватт и напряжение 3 В и имеет срок службы 50 лет без необходимости зарядки или обслуживания. ^[14] Бетавольт утверждает, что это первое подобное миниатюрное устройство, когда-либо разработанное. ^[14] Он получает энергию от листа никеля-63, расположенного в модуле размером с очень маленькую монету. ^[12]^[14] По истечении периода распада изотопы превращаются в стабильные нерадиоактивные изотопы меди , которые не представляют угрозы для окружающей среды. ^[14]

Недостатки

Поскольку радиоактивный материал испускает радиацию, его активность медленно снижается (см. период полураспада ). Таким образом, со временем бета-вольтаическое устройство будет обеспечивать меньшую мощность. Для практических устройств это снижение происходит в течение многих лет. Для тритиевых устройств период полураспада составляет 12,32 года. При проектировании устройства необходимо учитывать, какие характеристики батареи требуются в конце срока службы, и гарантировать, что свойства начала срока службы учитывают желаемый срок службы.

Ответственность, связанная с экологическим законодательством и воздействием на человека трития и его бета-распада, также должна учитываться при оценке риска и разработке продукции . Естественно, это увеличивает как время выхода на рынок, так и и без того высокую стоимость трития. правительства Великобритании за 2007 год В отчете Консультативной группы по ионизирующей радиации Агентства по охране здоровья говорится, что риски для здоровья, связанные с воздействием трития, вдвое превышают те, которые ранее были установлены Международной комиссией по радиологической защите, расположенной в Швеции. ^[15]

Поскольку радиоактивный распад невозможно остановить, ускорить или замедлить, невозможно «выключить» батарею или отрегулировать ее выходную мощность. Для некоторых приложений это не имеет значения, но другим потребуется резервная химическая батарея для хранения энергии, когда она не нужна и когда она нужна. Это снижает преимущество высокой удельной мощности.

Доступность

Бетавольтаические ядерные батареи можно приобрести в коммерческих целях. Среди устройств, доступных по состоянию на 2012 год, было устройство с тритиевым питанием мощностью 100 мкВт и весом 20 грамм. ^[16]

Безопасность

Хотя бетавольтаика использует радиоактивный материал в качестве источника энергии, бета-частицы имеют низкую энергию и их легко остановить с помощью защиты всего в несколько миллиметров . При правильной конструкции устройства (то есть надлежащей защите и локализации) бета-вольтаическое устройство не будет излучать опасное излучение. Утечка включенного материала может создать угрозу для здоровья, так же как утечка материалов в других типах батарей (таких как литиевые , кадмиевые и свинцовые ) приводит к серьезным проблемам со здоровьем и окружающей средой. ^[17] Безопасность можно еще больше повысить за счет перевода используемого радиоизотопа в химически инертную и механически стабильную форму, что снижает риск рассеивания или биоаккумуляции в случае утечки.

Эффективность

Из-за высокой плотности энергии радиоизотопов (Радиоизотопы имеют на порядки более высокую плотность энергии, чем химические источники энергии, но гораздо меньшую плотность мощности.Плотность мощности радиоизотопа обратно пропорциональна периоду его полураспада. Более короткий период полураспада = более высокая удельная мощность.) И необходимость надежности превыше всего во многих применениях бетавольтаики приемлема сравнительно низкая эффективность. Современные технологии позволяют добиться однозначного процента эффективности преобразования энергии от входа бета-частиц в выработку электроэнергии, но исследования в области более высокой эффективности продолжаются. ^[18]^[19] Для сравнения: тепловой КПД в диапазоне 30 % считается относительно низким для новых крупных тепловых электростанций, а современные с комбинированным циклом достигают КПД 60 % и более, если измерять его по выработке электроэнергии на введённое тепло. электростанции ^[20] Если бета-вольтаическое устройство одновременно выполняет функцию радиоизотопного нагревателя, оно, по сути, представляет собой когенерационную установку и достигает гораздо более высокого общего КПД, поскольку большая часть отработанного тепла используется. Подобно фотогальванике , предел Шокли-Кейсера также накладывает абсолютный предел для бета-вольтаического устройства с одной запрещенной зоной . ^[21]

Максимальная эффективность

Поскольку наибольшая энергия, которую можно извлечь из одной ЭДП, — это энергия запрещенной зоны, предельную эффективность бета-батареи можно оценить как:

$\eta _{max}={E_{g} \over E_{EHP}}$

где ${\textstyle E_{g}}$ и ${\textstyle E_{EHP}}$ — ширина запрещенной зоны полупроводника и энергия создания электронно-дырочной пары соответственно. Известно, что энергия, необходимая для генерации одной ЭДП бета-частицей, линейно масштабируется в зависимости от ширины запрещенной зоны как ${\textstyle E_{EHP}=AE_{g}+B}$ где A и B зависят от характеристик полупроводника. ^[22]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Кэтрин Бурзак (17 ноября 2009 г.). «25-летняя батарея: долгоживущие ядерные батареи, работающие на изотопах водорода, проходят испытания для военного применения» . Обзор технологий . Массачусетский технологический институт. Архивировано из оригинала 19 января 2012 г.
↑ Исследовательский центр Гленна НАСА, Альфа- и бета-вольтаика. Архивировано 18 октября 2011 г. в Wayback Machine (по состоянию на 4 октября 2011 г.).
^ «Обзор и обзор технологии ядерных батарей» . big.stanford.edu . Проверено 30 сентября 2018 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Олсен, LC (декабрь 1973 г.). «Бетавольтаическое преобразование энергии». Преобразование энергии . 13 (4). ООО «Эльзевир»: 117–124, IN1, 125–127. дои : 10.1016/0013-7480(73)90010-7 .
^ Максименко Сергей Игоревич; Мур, Джим Э.; Аффуда, Чафра А.; Дженкинс, Филип П. (декабрь 2019 г.). «Оптимальные полупроводники для бетавольтаики 3H и 63Ni» . Научные отчеты . 9 (1): 10892. Бибкод : 2019НатСР...910892М . дои : 10.1038/s41598-019-47371-6 . ISSN 2045-2322 . ПМК 6659775 . ПМИД 31350532 .
^ «betavoltaic.co.uk» . Архивировано из оригинала 31 декабря 2019 года . Проверено 21 февраля 2016 г.
^ Бормашов В.С.; Трошиев С.Ю.; Тарелкин, С.А.; Волков А.П.; Тетерук, Д.В.; Голованов А.В.; Кузнецов, М.С.; Корнилов, Н.В.; Терентьев С.А.; Бланк, В.Д. (апрель 2018 г.). «Прототип ядерной батареи высокой плотности на основе алмазных диодов Шоттки» . Алмаз и родственные материалы . 84 : 41–47. Бибкод : 2018DRM....84...41B . дои : 10.1016/j.diamond.2018.03.006 .
^ «Прототип ядерной батареи имеет в 10 раз большую мощность» . Московский физико-технический институт . Архивировано из оригинала 27 октября 2020 г. Проверено 1 сентября 2020 г.
^ Ирвинг, Майкл (3 июня 2018 г.). «Российские учёные вложили больше мощности в прототип ядерной батареи» . newatlas.com . Проверено 14 июня 2018 г.
^ О'Коннор, Эндрю; Мануэль, Мишель В.; Шоу, Гарри (ноябрь 2019 г.). «Модель объемного источника с расширенной температурой для производства бета-вольтаической энергии» . Труды Американского ядерного общества . 121 : 542–545. дои : 10.13182/T30591 . ПМЦ 8269951 . ПМИД 34248155 .
^ Рана, Суман (10 февраля 2024 г.). «Ядерная батарея Бетавольта: революционный источник энергии будущего» . Трендовая Vista . Проверено 24 апреля 2024 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Бетавольт» заявляет, что ее алмазная ядерная батарея может питать устройства в течение 50 лет» . Дэвид Сонди для New Atlas, 16 января 2024 г. По состоянию на 17 января 2024 г.
^ « Бетавольт успешно разрабатывает атомную батарею для гражданского использования » («Бетавольт успешно разрабатывает атомную батарею для гражданского использования»), на веб-сайте Betavolt (на китайском языке, по состоянию на 17 января 2024 г.).
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Энтони Катбертсон (12 января 2024 г.). «Ядерная батарея производит энергию в течение 50 лет без необходимости подзарядки» . Независимый . Проверено 14 января 2024 г.
^ Эдвардс, Роб (29 ноября 2007 г.). «Рейтинг опасности трития «следует удвоить» » . НовыйУченый .
^ «Коммерчески доступная нанотритиевая батарея может питать микроэлектронику более 20 лет» . Новый Атлас . 16 августа 2012 г. Проверено 1 сентября 2020 г.
^ Махер, Джордж (октябрь 1991 г.). «Основы работы с аккумуляторами» . Комиссии округов, Государственный университет Северной Дакоты и Министерство сельского хозяйства США . Государственный университет Северной Дакоты . Проверено 29 августа 2011 г.
^ «Бетавольтаические устройства» .
^ Саченко А.В.; Шкребтий, А.И.; Коркишко Р.М.; Костылев, В.П.; Кулиш, М.Р.; Соколовский, И.О. (1 сентября 2015 г.). «Анализ эффективности бетавольтаических элементов». Твердотельная электроника . 111 : 147–152. arXiv : 1412.7826 . Бибкод : 2015SSEle.111..147S . дои : 10.1016/j.sse.2015.05.042 . S2CID 94359293 .
^ «Самые эффективные тепловые электростанции в Америке» .
^ Максименко Сергей Игоревич; Мур, Джим Э.; Аффуда, Чафра А.; Дженкинс, Филип П. (26 июля 2019 г.). «Оптимальные полупроводники для бетавольтаики 3H и 63Ni» . Научные отчеты . 9 (1): 10892. Бибкод : 2019НатСР...910892М . дои : 10.1038/s41598-019-47371-6 . ПМК 6659775 . ПМИД 31350532 .
^ Евстигнеев Михаил; Афкани, Мохаммед; Соколовский, Игорь (ноябрь 2023 г.). «Предельный КПД кремниевой бетавольтаической батареи с источником трития» . Микромашины . 14 (11): 2015. doi : 10.3390/mi14112015 . ISSN 2072-666X . ПМЦ 10673167 . ПМИД 38004872 .

Внешние ссылки

Ресурсы библиотеки о
Бетавольтаическое устройство

Пресс-релиз Рочестерского университета
Городские лаборатории
Видетроникс
Армандо Антониацци. «Рассвет ядерных батарей» . Блог.kinectrics.com. Архивировано из оригинала 21 марта 2012 г. Проверено 22 августа 2012 г.
«Коммерчески доступная нанотритиевая батарея может питать микроэлектронику более 20 лет» . Gizmag.com. 16 августа 2012 г. Проверено 22 августа 2012 г.

[tr20091109-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Кэтрин Бурзак (17 ноября 2009 г.). «25-летняя батарея: долгоживущие ядерные батареи, работающие на изотопах водорода, проходят испытания для военного применения» . Обзор технологий . Массачусетский технологический институт. Архивировано из оригинала 19 января 2012 г.

[2] Исследовательский центр Гленна НАСА, Альфа- и бета-вольтаика. Архивировано 18 октября 2011 г. в Wayback Machine (по состоянию на 4 октября 2011 г.).

[3] «Обзор и обзор технологии ядерных батарей» . big.stanford.edu . Проверено 30 сентября 2018 г.

[olsen1973-4] Перейти обратно: ^а ^б Олсен, LC (декабрь 1973 г.). «Бетавольтаическое преобразование энергии». Преобразование энергии . 13 (4). ООО «Эльзевир»: 117–124, IN1, 125–127. дои : 10.1016/0013-7480(73)90010-7 .

[5] Максименко Сергей Игоревич; Мур, Джим Э.; Аффуда, Чафра А.; Дженкинс, Филип П. (декабрь 2019 г.). «Оптимальные полупроводники для бетавольтаики 3H и 63Ni» . Научные отчеты . 9 (1): 10892. Бибкод : 2019НатСР...910892М . дои : 10.1038/s41598-019-47371-6 . ISSN 2045-2322 . ПМК 6659775 . ПМИД 31350532 .

[6] «betavoltaic.co.uk» . Архивировано из оригинала 31 декабря 2019 года . Проверено 21 февраля 2016 г.

[7] Бормашов В.С.; Трошиев С.Ю.; Тарелкин, С.А.; Волков А.П.; Тетерук, Д.В.; Голованов А.В.; Кузнецов, М.С.; Корнилов, Н.В.; Терентьев С.А.; Бланк, В.Д. (апрель 2018 г.). «Прототип ядерной батареи высокой плотности на основе алмазных диодов Шоттки» . Алмаз и родственные материалы . 84 : 41–47. Бибкод : 2018DRM....84...41B . дои : 10.1016/j.diamond.2018.03.006 .

[8] «Прототип ядерной батареи имеет в 10 раз большую мощность» . Московский физико-технический институт . Архивировано из оригинала 27 октября 2020 г. Проверено 1 сентября 2020 г.

[9] Ирвинг, Майкл (3 июня 2018 г.). «Российские учёные вложили больше мощности в прототип ядерной батареи» . newatlas.com . Проверено 14 июня 2018 г.

[oconnor2019-10] О'Коннор, Эндрю; Мануэль, Мишель В.; Шоу, Гарри (ноябрь 2019 г.). «Модель объемного источника с расширенной температурой для производства бета-вольтаической энергии» . Труды Американского ядерного общества . 121 : 542–545. дои : 10.13182/T30591 . ПМЦ 8269951 . ПМИД 34248155 .

[11] Рана, Суман (10 февраля 2024 г.). «Ядерная батарея Бетавольта: революционный источник энергии будущего» . Трендовая Vista . Проверено 24 апреля 2024 г.

[NA-12] Перейти обратно: ^а ^б «Бетавольт» заявляет, что ее алмазная ядерная батарея может питать устройства в течение 50 лет» . Дэвид Сонди для New Atlas, 16 января 2024 г. По состоянию на 17 января 2024 г.

[13] « Бетавольт успешно разрабатывает атомную батарею для гражданского использования » («Бетавольт успешно разрабатывает атомную батарею для гражданского использования»), на веб-сайте Betavolt (на китайском языке, по состоянию на 17 января 2024 г.).

[AC-14] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Энтони Катбертсон (12 января 2024 г.). «Ядерная батарея производит энергию в течение 50 лет без необходимости подзарядки» . Независимый . Проверено 14 января 2024 г.

[15] Эдвардс, Роб (29 ноября 2007 г.). «Рейтинг опасности трития «следует удвоить» » . НовыйУченый .

[16] «Коммерчески доступная нанотритиевая батарея может питать микроэлектронику более 20 лет» . Новый Атлас . 16 августа 2012 г. Проверено 1 сентября 2020 г.

[17] Махер, Джордж (октябрь 1991 г.). «Основы работы с аккумуляторами» . Комиссии округов, Государственный университет Северной Дакоты и Министерство сельского хозяйства США . Государственный университет Северной Дакоты . Проверено 29 августа 2011 г.

[18] «Бетавольтаические устройства» .

[19] Саченко А.В.; Шкребтий, А.И.; Коркишко Р.М.; Костылев, В.П.; Кулиш, М.Р.; Соколовский, И.О. (1 сентября 2015 г.). «Анализ эффективности бетавольтаических элементов». Твердотельная электроника . 111 : 147–152. arXiv : 1412.7826 . Бибкод : 2015SSEle.111..147S . дои : 10.1016/j.sse.2015.05.042 . S2CID 94359293 .

[20] «Самые эффективные тепловые электростанции в Америке» .

[21] Максименко Сергей Игоревич; Мур, Джим Э.; Аффуда, Чафра А.; Дженкинс, Филип П. (26 июля 2019 г.). «Оптимальные полупроводники для бетавольтаики 3H и 63Ni» . Научные отчеты . 9 (1): 10892. Бибкод : 2019НатСР...910892М . дои : 10.1038/s41598-019-47371-6 . ПМК 6659775 . ПМИД 31350532 .

[22] Евстигнеев Михаил; Афкани, Мохаммед; Соколовский, Игорь (ноябрь 2023 г.). «Предельный КПД кремниевой бетавольтаической батареи с источником трития» . Микромашины . 14 (11): 2015. doi : 10.3390/mi14112015 . ISSN 2072-666X . ПМЦ 10673167 . ПМИД 38004872 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]