Розробити бета-вольтаїчні батареї - джерело живлення нового покоління, які намагаються вже півстоліття, проте до промислового випуску ніхто досі не дійшов. Начинка для батарейки, ізотоп нікель-63 не зустрічається в природі: його можна напрацювати тільки штучно.
У деяких країнах, наприклад, США, придумали технології, що дозволяють отримати нікель, але тільки низькозбагачений - із вмістом 63-го ізотопу близько 20%. З ним ефективну ядерну батарею не зробиш. Підприємства «Росатома» досягли більш ніж 80% збагачення.
Російська ядерна батарея - спільний проект ГХК, низки інших галузевих підприємств та Академії наук. «У рамках кооперації кілька завдань, основне – системна інтеграція, – розповів «СР» заступник начальника технічного відділу ДХК Дмитро Друзь. - Наразі виконується ряд дослідно-конструкторських робіт з технології отримання нікелю з високим збагаченням за 63-м ізотопом та ряд робіт із створення дослідного зразка елемента живлення».
Принцип дії ядерної батарейки заснований на бета-вольтаїчному ефекті: бета-випромінювання радіоактивного ізотопу нікелю за допомогою напівпровідника перетворюється на електричну енергію. Аналог фотоелектричного ефекту, з тією різницею, що утворення електрон-діркових пар у кристалічній решітці напівпровідника відбувається під впливом бета-часток (швидких електронів), а не фотонів.
«Принципово батарейка на основі ізотопу нікель-63 складається з чотирьох частин: напівпровідникового перетворювача бета-випромінювання, нанесеного на нього надтонким шаром високозбагаченого ізотопу нікель-63, контакторів елемента живлення та мініатюрного герметичного корпусу», - розповідає Дмитро Друзь.

ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЖЕРЕЛА

100 мкВт/см

ПИТАННЯ ПОТУЖНІСТЬ

16.6,2 мм

ГАБАРИТИ

>50 років

ТЕРМІН СЛУЖБИ

20 %

Перший зразок ядерної батареї на ГХК мають намір отримати наприкінці 2016-го – на початку 2017 року. За формою та габаритами джерела адаптують під елементи живлення мікроватного класу, зокрема для нейро- та кардіостимуляторів. Надалі характеристики та особливості продукту залежатимуть від галузі застосування та вимог замовника. «Це можуть бути звичні форм-фактори – «таблетки» або мініатюрні пальчикові батареї, або мікромініатюрні форм-фактори», – перераховує Дмитро Друзь.

Технологія проривна - західні аналоги, що випереджають усі відомі на сьогодні, навіть не на крок, а на кілька кроків. Для реалізації проекту необхідно вирішити фундаментальні та прикладні наукові завдання, а також застосувати промислові технології «Росатома», які знов-таки оминули західні. І все це загалом, як ми розраховуємо, дозволить на початок наступного року створити унікальний продукт. Петро Гаврилов, генеральний директорГХК

На хвилі інтересу до новинки у пресі з'явилися публікації про розробки інших організацій.
Так, колектив вчених із МІСіСу, ТИСНУМу, МФТІ та НВО «Промінь» створив прототип нового перетворювача енергії іонізуючого випромінювання ізотопу нікель-63. Але це ядерна батарейка, а ядерний генератор. Керівник дослідницького колективу, завідувач кафедри матеріалознавства напівпровідників та діелектриків МІСіСа, професор Юрій Пархоменко коментує: «Перед нами стояло принципово інше завдання - розробка радіаційно-стимульованого механоелектричного генератора змінної напруги, що діє за рахунок енергії і 3».
Серце цього елемента живлення – кантилевер, тонка пластина з п'єзокристалічного ніобату літію з бідоменною структурою. Енергія, що виділяється в ізотопі нікель-63 при бета-розпаді, перетворюється на енергію механічних коливань п'єзокристалічного кантилевера, яка, у свою чергу, перетворюється на змінну напругу на електродах.
І бета-вольтаїчні, і мікроелектромеханічні джерела (аналог розробки МІСіСу та партнерів) з'явилися понад 10 років тому, але всім їм не вистачає ККД та потужності, яку може дати нікель-63 високого збагачення. Як зазначає Дмитро Друзь, вже на нинішній стадії НДДКР зрозуміло, що батарейка ГХК перевершить усі зразки елементів живлення, що використовують енергію бета-розпаду нікелю-63. «Наше джерело має багаторазові переваги як щодо ефективності та потужності, так і за габаритами та невибагливістю. Його можна застосовувати у найекстремальніших умовах», - наголосив Дмитро Друзь.
Ядерна батарейка під брендом «Росатома» незабаром стане реальністю, і є всі підстави вважати, що цей продукт переверне не лише вітчизняний, а й світовий ринок.

Потенційні споживачі
Медичні кардіостимулятори використовують як джерело енергії плутоній-238 і служать близько 10 років. Заміна кардіостимуляторів – складна операція, з ядерною батареєю деімплантація не знадобиться протягом 50 років. В атомної промисловостіядерні батареї можна встановити датчики контролю температури і радіаційного випромінювання. Ядерні батареї стануть незамінним компонентом мереж автономного навігаційного обладнання, систем телеметрії та онлайн-моніторингу. широкого спектрупараметрів. На ура довгограючі джерела приймуть творці різних підводних систем, підкорювачі Півночі, військова промисловість.
Виробництво
Нікель-63 – чисте джерело енергії: м'яке бета-випромінювання не супроводжується шкідливим гамма-випромінюванням. Період напіврозпаду – 100 років. Для напрацювання ізотопу потрібно дві стадії збагачення: спочатку на центрифугах по нікелю-62, потім, після збагачення та виділення - по нікелю-63.
Кожен будинок?
Хто з нас не хоче, щоб смартфони, комп'ютери чи планшети працювали 50 років без заряджання? З погляду безпеки перешкод немає: бета-випромінювання нікелю-63 поглинається корпусом батареї. Проте є побоювання, що знайдуться бажаючі розібрати батарейку. І тоді можуть бути негативні наслідки. Є ще одна перешкода для доступу широкого споживача до ядерних батарей та генераторів - ціна. Через складну технологію отримання 1 г нікелю-63 коштує сотні тисяч рублів. Навіть при тому, що батарейці потрібно набагато менше грама, коштує вона дорого. Проте, коли продукт апробують у наукомістких, високотехнологічних галузях, попит зросте, і тоді розпочнеться промислове виробництво нікелю-63, а собівартість стане набагато нижчою. Важливе питання: Як утилізувати компактні ядерні джерела енергії? «Оптимально здавати їх на переробку для вилучення ізотопу, що не розпався», - вважає заступник начальника технічного відділу ДХК Дмитро Друзь.

Джерело живлення може використовуватися також у медицині

Росатом презентував на IX форумі «Атомекспо-2017» одну з останніх розробок – ядерну батарею на основі радіокативного ізотопу нікель-63. Унікальне джерело живлення може використовуватися в медицині та космосі, дозволяючи заощадити мільйони доларів на обладнанні. При цьому виставковий макет має мініатюрні розміри – лише 1 куб сантиметр, а термін його служби становить мінімум 50 років.

«Простими словами, це ядерна батарейка, а якщо говорити науковою мовою – це джерело бета-випромінювання, яке складається з бета-вольтаричного елементу та напівпровідникового перетворювача на основі алмазу. Нікеля-63 у природі не існує, його отримують шляхом опромінення нейтронами природного ізотопу нікель-62 в ядерному реакторі з подальшою радіохімічною переробкою та поділом на газові центрифуги», - розповів у бесіді з «МК» заступник начальника лабораторії НДІ НВО «Промінь», підприємства наукового дивізіону "Росатома" Олександр Павкін. Він зазначив, що властивості нікелю-63 роблять батарейку дуже зручною, компактною, а головне безпечним елементом живлення з питомою потужністю в 1 мікроват і напругою 2 Вольт. Безпека такого джерела живлення фахівець пояснив тим, що нікель-63 вважається «м'яким» бета-випромінювачем, оскільки в його випадку немає ні нейтронного, ні гамма-випромінювання, а електрони бета-випромінювання повністю поглинаються перетворювачем і нешкідливі для людини.

При цьому потужність батареї можна збільшувати або зменшувати виходячи з потреб: чим більші габарити, чим більша потужність. За словами Павкіна, потужності в 1 мікроват достатньо для використання батарейки в кардіостимуляторі або нейростимуляторі. Фахівець також додав, що крім медицини такі джерела живлення можуть застосовуватись у космонавтиці, а також як елемент живлення у важкодоступних районах та екстремальних умовах.

Вартість такої диво-батарейки підрахувати поки що складно: все залежить від вимог замовника до її потужності. Але в будь-якому випадку, використання такого елемента окупить його закупівельну вартість дуже швидко. «Для порівняння: щоб відправити в космос 1 кг проводів потрібен $1 млн, якщо ми замінимо їх на бездротове джерело живлення, вигода очевидна», - підкреслив представник «Росатома».

Розробка виконана спільно НДІ «Промінь», що базується в Подільську, спільно з Технологічним інститутом надтвердих та нових вуглецевих матеріалів (ТІСНУМ, Троїцьк). В даний час батарея є досвідченим зразком, проте «Росатом» вже підготовку до запуску пристрою в серійне виробництво. Як зазначив Олександр Павкін, інтерес до розробки виявили багато компаній та потенційних інвесторів, які ознайомилися із зразком на виставці. "Росатом" планує виходити зі своїм винаходом на внутрішній та зовнішній ринки. Представники держкорпорації відзначають, що завдяки інноваційним якостям ціна на новинку буде дуже конкурентною і дозволить завоювати популярність не тільки в Росії, а й на Заході.

Як зазначають вчені та фахівці, використання джерел живлення на основі нікелю-63 створить передумови для технологічного прориву у багатьох галузях. У промисловості такі елементи можуть використовуватися в датчиках контролю стану будівель, трубопроводів, вони стануть у нагоді для забезпечення роботи електротехнічного обладнання, у тому числі для проектів з освоєння Арктики, для забезпечення роботи космічної техніки та робототехніки. Серійне виробництво нових джерел дозволить створити нову лінійку пристроїв у мікроелектроніці, зокрема автономні мікропроцесорні цифрові пристрої з вбудованим джерелом живлення. При цьому Росія виступає новатором у виробництві високозбагаченого нікелю-63: у жодній іншій країні його не використовують.

На підприємстві держкорпорації «Росатом» «Гірничо-хімічний комбінат» (ГХК, Залізногірськ, Красноярський край) завершилося перетворення (конверсія) газу, збагаченого за цільовим ізотопом нікель-63 (Ni-63), у форму, придатну для нанесення на напівпровідниковий перетворювач отримання дослідного зразка джерела енергії Про це повідомив представник прес-служби підприємства.

В теперішній моменточікується постачання відповідних комплектуючих для нанесення Ni-63 та остаточного складання дослідного зразка «ядерної батареї».

В основі принципу роботи бета-вольтаїчних джерел електроенергії лежить перетворення енергії радіоактивного бета-розпаду на електрику за допомогою напівпровідникового перетворювача. Властивості нікелю-63 роблять його дуже зручною основою мініатюрних, безпечних і не потребують обслуговування бета-вольтаїчних джерел живлення з тривалим (не менше 50 років) терміном служби та високою, до 100 мікроват на кубічний сантиметр, питомою потужністю. Такі джерела живлення можна використовувати у важкодоступних районах та в екстремальних умовах. З точки зору безпеки для споживачів перевага нікелю-63 полягає в тому, що це так званий "м'який" бета-випромінювач, тому випромінювання повністю екранується корпусом живлення.

Елементи живлення на основі Нікелю-63. Фото: YouTube

Нікеля-63 в природі не існує, тому його отримують шляхом опромінення нейтронами природного ізотопу нікель-62 в ядерному реакторі з подальшою переробкою радіохімічної і поділом на газових центрифугах.

"Гірничо-хімічний комбінат" виступає системним інтегратором проекту. ГХК організував роботи з двох напрямів: отримання високозбагаченого ізотопу Ni-63 та створення спеціальної структури напівпровідникового перетворювача. У проекті задіяні підприємства Росатому, які мають унікальні компетенції. Зокрема, за збагачення нікелю по ізотопу Ni-63 відповідає «Електрохімічний завод» (Зеленогірськ, Красноярський край, входить до паливної компанії Росатома ТВЕЛ). Завершальний етап, збирання дослідного зразка джерела живлення, пройде на ГГК.

Як зазначив представник прес-служби ГХК, в основі конструкції напівпровідникового перетворювача лежить новий дизайн, що якісно підвищує ефективність усіх компонентів. На думку фахівців, джерела живлення на основі високозбагаченого Ni-63 та з новим дизайном перетворювача створюють проривну платформу для проектування пристроїв нових поколінь у галузі кібернетики та штучного інтелекту. Це новий тип приладів, який стане базою нової архітектури електронних пристроїв.

Нікель-63 є дуже зручною основою для мініатюрних, але в той же час безпечних та не потребують обслуговування бета-вольтаїчних джерел живлення з терміном служби не менше 50 років та високою питомою потужністю. Вони можуть використовуватися в різних областях, у тому числі в космонавтиці та медицині, а також у різних екстремальних умовах та важкодоступних районах.

ПО ТЕМІ

За словами учасника проекту, заступника начальника лабораторії "Промінь" Олександра Павкіна, макет компактного джерела живлення на основі нікелю-63 – це результат завершеної науково-дослідної роботи, виконаної в ініціативному порядку. "У даному випадку ми отримали потужність джерела порядку одного мікровата - вона вже достатня для забезпечення, наприклад, роботи кардіостимулятора", - наголосив він.

Слід зазначити, що у природі нікелю-63 немає. Його одержують штучним шляхом за допомогою опромінення нейтронами природного ізотопу нікель-62 в ядерному реакторі. Надалі отриманий матеріал піддається радіохімічної переробки та поділу на газових центрифугах.

В основі роботи представленого джерела використовується нікель із рівнем збагачення 20% за нікелем-63, заявив Олександр Павкін. Однак якщо використовувати нікель більшого збагачення, додав він, то можна підвищити потужність і водночас зменшити розмір пристрою. "Нікель-63 - це так званий "м'який" бета-випромінювач. У даному випадку немає нейтронного, ні гамма-випромінювання. А електрони бета-випромінювання повністю поглинаються перетворювачем, тому, скажімо, у разі застосування джерела для роботи кардіостимулятора вони навіть не будуть" досягати поверхні шкіри", – сказав заступник начальника лабораторії "Промінь".

Нагадаємо, раніше Росатом розпочав реалізацію масштабного проекту на півдні Росії. Йдеться про будівництво вітропарків в Адигеї та Краснодарському краї. Загальний обсяг фінансування на найближчі 10 років перевищує 63 мільярди рублів.

Угоду про будівництво першого в Адигеї вітропарку потужністю 150 мегават було досягнуто минулого року на Міжнародному інвестиційному форумі в Сочі. Реалізація проекту дозволить зменшити дефіцит енергосистеми республіки приблизно на третину.

Вітропарк чи вітряна електростанція – це кілька вітрогенераторів, зібраних в одному або кількох місцях та об'єднаних в єдину мережу. Великі вітряні електростанції можуть складатися зі 100 і більше вітрогенераторів, які дозволяють використовувати економічно ефективно енергію навіть найслабших вітрів – від 4 метрів на секунду.