Термін "атомна батарея", "ядерна батарея" і "радиоизотопная батарея" означає пристрій, який використовує випромінювання заряджених частинок, що випускаються радіоактивним ізотопом для генерації електрики.
Пристрої для перетворення природного радіоактивного розпаду безпосередньо в електрику не є чимось новим. Технологія ядерних батарей з'явилася ще в 1913 р коли Генрі Мозель вперше продемонстрував Бета Елемент.
Батареї, що використовують енергію радіоактивного розпаду, можуть генерувати електрику протягом 10-20 років. Техніки генерації поділяються на 2 групи - термічні і Нетермічні. Термічні перетворювачі (електрика генерується за рахунок різниці температур) включають в себе термоелектричні і термоіонного генератори. Нетермічні перетворювачі (не використовують різницю температур для генерації електрики) використовують енергію падаючого потоку для виробництва електрики, але використовується тільки частина потоку, тому що велика його частина переходить в тепло.
термоіонний конвертор
Термоіонний конвертор складається з гарячого електрода який випускає електрони через потенційний енергетичний бар'єр до холодного електрода і тим самим виробляє електрику. Пари цезію використовуються для оптимізації роботи електродів і служать джерелом іонів для нейтралізації об'ємного заряду електронів.
опис
Науковий аспект термоіонного генерації енергії описаний у фізиці поверхонь і фізики плазми. Властивості поверхні електродів визначає величину випромінювання електронів і електричний потенціал поверхні електродів, а властивості плазми визначають потік електронів від випромінювача до колектора. Термоіонного конвертори використовують пари цезію між електродами, які визначають властивості поверхні і плазми. Цезій використовується тому, що він найлегше піддається іонізації.
Властивості поверхні представляють інтерес внаслідок того, що цей той бар'єр який обмежує випромінювання електронів з самої поверхні. Робоча функція визначається головним чином шаром атомів цезію абсорбіруемих поверхнею електродів. Властивості Міжелектродні плазми визначаються режимом роботи термоіонного конвертора. У займання стані (т.зв. «дуга») плазма підтримується внутрішньо за рахунок гарячих електронів плазми (
3300 К); в Незапалення стані плазма підтримується шляхом ін'єкції позитивних електронів в холодну плазму; в гібридному режимі плазма підтримується іонами від гарячої плазми в міжелектродному просторі перетікають в холодну плазму.
Радіоізотопний термоелектричний генератор
Радіоізотопний термоелектричний генератор (РТГ) це простий електричний генератор який живиться від радіоактивного розпаду. У подібному пристрої тепло виробляється шляхом розпаду відповідного радіоактивного матеріалу і перетворюється в електрику використовуючи ефект Зеєбека (використовуються термоелементи). РТГ найбільш бажаний джерело енергії в тих ситуаціях де не потрібна присутність людей. Перші робочі зразки видавали кілька сот ват протягом тривалого часу. Зазвичай застосовувалися де установка сонячних батарей була неможлива.
Дизайн
Дизайн РТГ простий по стандартам ядерної технології: основний компонент - міцний контейнер з радіоактивним матеріалом (паливо). Термоелементи поміщаються на стінках контейнера, кожен зовнішній кінець термоелементів з'єднаний з теплоотводом. Радіоактивний розпад палива дає тепло яке проходить через термоелементи до тепловідводу, електрику генерується в ході даного процесу.
Термічні елементи є термоелектричне пристрій який перетворює теплову енергію безпосередньо в електричну використовуючи ефект Зеєбека. Термічні елементи зроблений з двох видів металів (або напівпровідників) які можуть проводити струм. Вони з'єднані один з одним в замкнуте коло. Якщо з'єднання (швів) мають різну температуру, то з цього контуру буде текти електричний струм.
паливо
Радіоактивні матеріали використовуються в РТГ повинні мати такі характеристики:
- Полураспад повинен бути досить довгим щоб можна було виробляти електрику протягом тривалого часу і з постійною інтенсивністю. Однак піврозпад повинен бути досить коротким щоб матеріал розпадався досить швидко щоб зробити досить тепла. Використовувані в РГТ матеріали мають період напіврозпаду кілька десятиліть, хоча ізотопи з меншим періодом напіврозпаду використовуються для спеціальних цілей.
- Також паливо повинне мати високе співвідношення енергії до маси і об'єму (щільність) для того щоб батареї були більш компактними.
- Паливо повинно мати високий енергетичний випромінювання але з низькою проникаючою здатністю, в основному альфа-випромінювання. Бета-випромінювання може створювати істотне гамма-випромінювання через виробництво вторинного гальмівного випромінювання, і в зв'язку з цим вимагає важкого екранування. Ізотопи не повинні мати високу гамма-випромінювання, нейтронну радіацію або проникаючу радіацію.
Перші два критерії обмежують число можливих видів палива до 30 ізотопів у всій изотопной таблиці. Плутоній-238, кюрий-244 і стронцій-90 найбільш підходять, але такі ізотопи як полоній-210, прометий-147, цезій-137, церій-144, рутеній-106, кобальт-60, кюрий-242 та ізотопи тулия також вивчалися . З усіх перерахованих вище плутоній-238 має найнижчі вимоги щодо екранування і найдовший піврозпад. І тільки 3 ізотопу відповідають третьому критерію (не вказані вище) і вимагають менше ніж 25 мм свинцевого екранування. Плутоній-238 (кращий з трьох) вимагає менше 2,5 мм і в багатьох випадках не потребує екранування взагалі, тому що корпусу досить.
Плутоній-238 найбільш часто використовується в РТГ в формі оксиду плутонію (IV). Плутоній-238 має піврозпад 87,7 років, хороше випромінювання енергії і дуже низькі рівні гамма і нейтронної радіації.
Термофотогальваніческій генератор (ТФГ)
Термофотогальваніческое перетворення енергії - це прямий процес генерації електрики внаслідок різниці температур. Звичайна термофотогальваніческая система складається з теплового випромінювача і фотогальванічного діода.
Температура теплового випромінювача варіюється від системи до системи, приблизно від 900 до 1300 градусів Цельсія. Хоча в принципі ТФГ пристрої можуть генерувати енергію від будь-якого випромінювача з температурою вище ніж у фотоелектричного пристрою (стаючи фактично оптичної теплової машиною). Випромінювач може бути зроблений з цілісного шматка або спеціально сконструйованої системою. Теплове випромінювання - це спонтанне випромінювання фотонів через термічного зсуву заряду в матеріалі. Випромінювання звичайних ТФГ - інфрачервоний і близько інфрачервоний спектр випромінювання. Фотоелектричний діод може абсорбувати частину випроменених фотонів і перетворити їх у вільний заряд - електрику.
ТФГ системи мають дуже мало або взагалі не мають рухомих частин, і, внаслідок цього дуже тихі і не вимагають частого поточного ремонту. Однак їх ККД досить низький у порівнянні з іншими системами генерації енергії.
ТФГ системи також використовуються в як допоміжні системи перетворення для регенерації втрати теплової енергії в інших системах, таких як парові турбіни або сонячні батареї.
Термічний електрогенератор на лужному металі
Термічний електрогенератор на лужному металі - це термічно регенерує електрохімічний прилад для виробництва електрики безпосередньо використовуючи перетворення тепла в електрику. Однією з його характеристик є високий ККД і відсутність рухомих частин.
Робоча температура приладу 900-1300 градусів Кельвіна і генерує енергію з ефективністю 15-40%. У цьому приладі натрій циркулює в замкнутому термодинамическом циклі між двома тепловими резервуарами з різними температурами. Унікальною рисою робочого циклу даного пристрою є ізотермічне розширення парів натрію через твердий електроліт, внаслідок цього атоби натрію розпадаються на іони і електрони натрію.
Перетворення енергії грунтується на електроліті, що використовується в натрієво-сірчаних батареях, натрієвої бетаокісі алюмінію. Сам пристрій є натрієво-накопичувальної батареєю і використовує керамічний, полікристалічний бетаокісь алюмінієвий твердий електроліт як роздільник між області високого тиску, що містять пари натрію з температурою 900-1300 градусів Кельвіна і області низького тиску, що містить конденсатор для рідкого натрію з температурою 400-700 градусів Кельвіна. Перші зразки мали такі характеристики: для одного осередку - напруга 1.37 Вольт і максимальну потужність 7.89 Ватт, і максимальна щільність потужності становила 0.4 Ватт / см2прі температурі +1007 градусів Кельвіна.
Пристрій вимагає вхідної потужності середніх температур і будь-якої довжини хвилі. Його можна пристосувати до будь-якого джерела тепла, включаючи радіоізотопи, сонячне світло, внутрішньо згоряння або атомний реактор.
Бета-гальванічні генератори
Бета-гальванічні генератори, по суті справи звичайні батарейки які використовують енергію радіоактивного джерела випромінює бета-частинки. Зазвичай використовуються ізотопи водню, тритію. На відміну від атомних джерел живлення, які використовують радіоактивне випромінювання для генерації електрики (термоелектричні і термоіонного джерела), бета-гальванічні джерела використовують нетермічний перетворення для генерації електрики.
За принципом дії, бета-гальванічні елементи схожі з сонячними батареями, які перетворять фотони (світло) в електрику. У бета-гальванічному генераторі коли електрон ударяється від спеціальну поверхню між двома шарами матеріалу (p - n-перехід) і в результаті утворюється електрику.
Для підвищення ККД використовуються пористі кремнієві діоди - збільшує поверхню зіткнення.
І хоча бета-гальванічні генератори використовують радіоактивні матеріали в якості джерела живлення, важливо відзначити, що бета-випромінювання має низьку енергію і легко зупиняються екрануванням. При правильно спроектованим екранування бета-гальванічні елементи не будуть випромінювати ніякої радіації.
Згодом через напіврозпаду радіоактивного речовини потужність генератора буде зменшуватися - компенсується заміною.
Оптико-електричні атомні батареї
Оптико-електричні атомні батареї були розроблені в Інституті імені Курчатова (Москва). Бета-випромінювачі, такі як технеций-99 або стронцій-90 підвішені в газі або рідини, що містить люмінесцентні молекули газу ексимерного типу (двухатомная збуджена молекула з однакових атомів), утворюючи «пилову плазму». Ця система дозволяє практично без втрат випромінювати бета електрони з пилової плазми у фотоелектричні оболонку. Все це дозволяє створити легку, з низьким тиском і високим ККД атомну батарею. Використовуваний випромінює матеріал - це дешеві радіоактивні відходи від ядерних реакторів. Діаметр пилових частинок настільки малий (кілька мікрометрів), що електрони, що утворилися в результаті бета розпаду, залишають це «хмара» без втрат. Навколишнє, слабо іонізована плазма складається з газу або суміші газів (наприклад криптон, аргон, ксенон).