Батарейка от росатома. Ученые «Росатома» приблизились к созданию уникальной «ядерной батарейки. Технические характеристики источника

Источник питания может использоваться также в медицине

Росатом презентовал на IX форуме «Атомэкспо-2017» одну из последних разработок - ядерную батарейку на основе радиокативного изотопа никель-63. Уникальный источник питания может использоваться в медицине и космосе, позволяя сэкономить миллионы долларов на оборудовании. При этом выставочный макет имеет миниатюрные размеры - всего 1 куб сантиметр, а срок его службы составляет минимум 50 лет.

«Простыми словами, это ядерная батарейка, а если говорить научным языком - это источник бета-излучения, который состоит из бета-вольтарического элемента и полупроводникового преобразователя на основе алмаза. Никеля-63 в природе не существует, его получают путем облучения нейтронами природного изотопа никель-62 в ядерном реакторе с дальнейшей радиохимической переработкой и разделением на газовых центрифугах», - рассказал в беседе с «МК» заместитель начальника лаборатории НИИ НПО «Луч», предприятия научного дивизиона «Росатома» Александр Павкин. Он отметил, что свойства никеля-63 делают батарейку очень удобным, компактным, а главное безопасным элементом питания с удельной мощностью в 1 микроватт и напряжением 2 Вольт. Безопасность такого источника питания специалист объяснил тем, что никель-63 считается «мягким» бета-излучателем, поскольку в его случае нет ни нейтронного, ни гамма-излучения, а электроны бета-излучения полностью поглощаются преобразователем и полностью безвредны для человека.

При этом мощность батарейки можно увеличивать или уменьшать исходя из потребностей: чем больше габариты, чем больше мощность. По словам Павкина, мощности в 1 микроватт достаточно для использования батарейки в кардиостимуляторе или нейростимуляторе. Специалист также добавил, что помимо медицины такие источники питания могут применяться в космонавтике, а также как элемент питания в труднодоступных районах и экстремальных условиях.

Стоимость такой чудо-батарейки подсчитать пока сложно: все зависит от требований заказчика к ее мощности. Но в любом случае, использование такого элемента окупит его закупочную стоимость очень быстро. «Для сравнения: чтобы отправить в космос 1 кг проводов нужен $1 млн, если мы заменим их на беспроводной источник питания выгода очевидна», - подчеркнул представитель «Росатома».

Разработка выполнена совместно НИИ «Луч», базирующимся в Подольске, совместно с Технологическим институтом сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ, Троицк). В настоящее время батарейка является опытным образцом, однако «Росатом» уже ведет подготовку к запуску устройства в серийное производство. Как отметил Александр Павкин, интерес к разработке проявили многие компании и потенциальные инвесторы, ознакомившиеся с образцом на выставке. «Росатом» планирует выходить со своим изобретением на внутренний и внешний рынки. Представители госкорпорации отмечают, что благодаря инновационным свойствам цена на новинку будет очень конкурентноспособной и позволит завоевать популярность не только в России, но и на Западе.

Как отмечают ученые и специалисты, использование источников питания на основе никеля-63 создаст предпосылки для технологического прорыва во многих областях. В промышленности такие элементы могут использоваться в датчиках контроля состояния зданий, трубопроводов, они пригодятся для обеспечения работы электротехнического оборудования, в том числе для проектов по освоению Арктики, для обеспечения работы космической техники и робототехники. Серийное производство новых источников позволит создать новую линейку устройств в микроэлектронике, в частности, автономные микропроцессорные цифровые устройства со встроенным источником питания. При этом Россия выступает новатором в производства высокообогащенного никеля-63: ни в какой другой стране его не используют.

Никель-63 является очень удобной основой для миниатюрных, но в то же время безопасных и не требующих обслуживания бета-вольтаических источников питания со сроком службы не менее 50 лет и высокой удельной мощностью. Они могут использоваться в разных областях, в том числе в космонавтике и медицине, а также в различных экстремальных условиях и труднодоступных районах.

ПО ТЕМЕ

По словам участника проекта, заместителя начальника лаборатории "Луча" Александра Павкина, макет компактного источника питания на основе никеля-63 – это результат завершенной научно-исследовательской работы, выполненной в инициативном порядке. "В данном случае мы получили мощность источника порядка одного микроватта – она уже достаточна для обеспечения, например, работы кардиостимулятора", – подчеркнул он.

Стоит отметить, что в природе никеля-63 не существует. Его получают искусственным путем посредством облучения нейтронами природного изотопа никель-62 в ядерном реакторе. В дальнейшем полученный материал подвергается радиохимической переработке и разделению на газовых центрифугах.

В основе работы представленного источника используется никель с уровнем обогащения 20% по никелю-63, заявил Александр Павкин. Однако если использовать никель большего обогащения, добавил он, то можно повысить мощность и в то же время уменьшить размеры устройства. "Никель-63 – это так называемый "мягкий" бета-излучатель. В данном случае нет нейтронного, ни гамма-излучения. А электроны бета-излучения полностью поглощаются преобразователем, поэтому, скажем, в случае применения источника для работы кардиостимулятора они даже не будут достигать поверхности кожи", – сказал замначальника лаборатории "Луч".

Напомним, ранее Росатом начал реализацию масштабного проекта на юге России. Речь идет о строительстве ветропарков в Адыгее и Краснодарском крае. Общий объем финансирования на ближайшие 10 лет превышает 63 миллиарда рублей.

Соглашение о строительстве первого в Адыгее ветропарка мощностью 150 мегаватт было достигнуто в прошлом году на Международном инвестиционном форуме в Сочи. Реализация проекта позволит снизить дефицит энергосистемы республики примерно на треть.

Ветропарк или ветряная электростанция – это несколько ветрогенераторов, собранных в одном или нескольких местах и объединенных в единую сеть. Крупные ветряные электростанции могут состоять из 100 и более ветрогенераторов, которые позволяют использовать экономически эффективно энергию даже самых слабых ветров – от 4 метров в секунду.

Разработать бета-вольтаические батареи - источник питания нового поколения, пытаются уже полвека, однако до промышленного выпуска никто до сих пор не дошел. Начинка для батарейки, изотоп никель-63, не встречается в природе: его можно наработать только искусственно.
В некоторых странах, например США, придумали технологии, позволяющие получить никель, но только низкообогащенный - с содержанием 63-го изотопа около 20 %. С ним эффективную ядерную батарейку не сделаешь. Предприятия «Росатома» добились более чем 80 %-ного обогащения.
Российская ядерная батарейка - совместный проект ГХК, ряда других отраслевых предприятий и Академии наук. «В рамках кооперации несколько задач, основная - системная интеграция, - рассказал «СР» заместитель начальника технического отдела ГХК Дмитрий Друзь. - Сейчас выполняется ряд опытно-конструкторских работ по технологии получения никеля с высоким обогащением по 63-му изотопу и ряд работ по созданию опытного образца элемента питания».
Принцип действия ядерной батарейки основан на бета-вольтаическом эффекте: бета-излучение радиоактивного изотопа никеля с помощью полупроводника преобразуется в электрическую энергию. Аналог фотоэлектрического эффекта, с той разницей, что образование электрон-дырочных пар в кристаллической решетке полупроводника происходит под воздействием бета-частиц (быстрых электронов), а не фотонов.
«Принципиально батарейка на основе изотопа никель-63 состоит из четырех частей: полупроводникового преобразователя бета-излучения, нанесенного на него сверхтонким слоем высокообогащенного изотопа никель-63, контакторов элемента питания и миниатюрного герметичного корпуса», - рассказывает Дмитрий Друзь.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКА

100 мкВт/см

УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ

16.6,2 мм

ГАБАРИТЫ

>50 лет

СРОК СЛУЖБЫ

20 %

Первый образец ядерной батарейки на ГХК намерены получить в конце 2016-го - начале 2017 года. По форме и габаритам источники адаптируют под элементы питания микроваттного класса, в частности для нейро- и кардиостимуляторов. В дальнейшем характеристики и особенности продукта будут зависеть от области применения и требований заказчика. «Это могут быть привычные форм-факторы - «таблетки» или миниатюрные пальчиковые батарейки, либо микроминиатюрные форм-факторы», - перечисляет Дмитрий Друзь.

Технология прорывная - опережающая все известные на сегодня западные аналоги даже не на шаг, а на несколько шагов. Для реализации проекта необходимо решить фундаментальные и прикладные научные задачи, а также применить промышленные технологии «Росатома», которые опять-таки обошли западные. И все это в целом, как мы рассчитываем, позволит к началу следующего года создать уникальный продукт. Петр Гаврилов, генеральный директор ГХК

На волне интереса к новинке в прессе появились публикации о разработках других организаций.
Так, коллектив ученых из МИСиСа, ТИСНУМа, МФТИ и НПО «Луч» создал прототип нового преобразователя энергии ионизирующего излучения изотопа никель-63. Но это не ядерная батарейка, а ядерный генератор. Руководитель исследовательского коллектива, заведующий кафедрой материаловедения полупроводников и диэлектриков МИСиСа, профессор Юрий Пархоменко комментирует: «Перед нами стояла принципиально другая задача - разработка радиационно-стимулированного механоэлектрического генератора переменного напряжения, действующего за счет энергии ионизирующего излучения изотопа никель-63».
Сердце этого элемента питания - кантилевер, тонкая пластина из пьезокристаллического ниобата лития с бидоменной структурой. Энергия, выделяемая в изотопе никель-63 при бета-распаде, преобразуется в энергию механических колебаний пьезокристаллического кантилевера, которая, в свою очередь, преобразуется в переменное напряжение на электродах.
И бета-вольтаические, и микроэлектромеханические источники (аналог разработки МИСиСа и партнеров) появились более 10 лет назад, но всем им не хватает КПД и мощности, которую может дать никель-63 высокого обогащения. Как отмечает Дмитрий Друзь, уже на нынешней стадии НИОКР понятно, что батарейка ГХК превзойдет все образцы элементов питания, использующие энергию бета-распада никеля-63. «Наш источник имеет многократные преимущества как по эффективности и мощности, так и по габаритам и неприхотливости. Его можно применять в самых экстремальных условиях», - подчеркнул Дмитрий Друзь.
Ядерная батарейка под брендом «Росатома» совсем скоро станет реальностью, и есть все основания полагать, что этот продукт перевернет не только отечественный, но и мировой рынок.

Потенциальные потребители
Медицинские кардиостимуляторы используют в качестве источника энергии плутоний-238 и служат порядка 10 лет. Замена кардиостимуляторов - сложная операция, с ядерной батарейкой деимплантация не понадобится в течение 50 лет. В атомной промышленности ядерные батарейки можно установить в датчики контроля температуры и радиационного излучения. Ядерные батарейки станут незаменимым компонентом сетей автономного навигационного оборудования, систем телеметрии и онлайн-мониторинга широкого спектра параметров. На ура долгоиграющие источники примут создатели различных подводных систем, покорители Севера, военная промышленность.
Производство
Никель-63 - чистый источник энергии: мягкое бета-излучение не сопровождается вредным гамма-излучением. Период полураспада - 100 лет. Для наработки изотопа требуется две стадии обогащения: сначала на центрифугах по никелю-62, затем, после обогащения и выделения, - по никелю-63.
В каждый дом?
Кто из нас не хочет, чтобы смартфоны, компьютеры или планшеты работали 50 лет без подзарядки? С точки зрения безопасности препятствий нет: бета-излучение никеля-63 поглощается корпусом батарейки. Однако есть опасение, что найдутся желающие разобрать батарейку. И вот тогда могут быть негативные последствия. Есть еще одно препятствие для доступа широкого потребителя к ядерным батарейкам и генераторам - цена. Из-за сложной технологии получения 1 г никеля-63 стоит сотни тысяч рублей. Даже при том что батарейке нужно гораздо меньше грамма, стоит она дорого. Однако, когда продукт апробируют в наукоемких, высокотехнологичных отраслях, спрос вырастет, и тогда начнется промышленное производство никеля-63, а себестоимость станет гораздо ниже. Важный вопрос: как утилизировать компактные ядерные источники энергии? «Оптимально сдавать их на переработку для извлечения не распавшегося изотопа», - считает замначальника технического отдела ГХК Дмитрий Друзь.

На предприятии госкорпорации «Росатом» «Горно-химический комбинат» (ГХК, Железногорск, Красноярский край) завершилось преобразование (конверсия) газа, обогащенного по целевому изотопу никель-63 (Ni-63), в форму, пригодную для нанесения на полупроводниковый преобразователь для получения опытного образца источника энергии. Об этом РИА Новости сообщил представитель пресс-службы предприятия.

В настоящий момент ожидается поставка соответствующих комплектующих для нанесения Ni-63 и окончательной сборки опытного образца «ядерной батарейки».

В основе принципа работы бета-вольтаических источников электроэнергии лежит превращение энергии радиоактивного бета-распада в электричество с помощью полупроводникового преобразователя. Свойства никеля-63 делают его очень удобной основой миниатюрных, безопасных и не требующих обслуживания бета-вольтаических источников питания с длительным (не менее 50 лет) сроком службы и высокой, до 100 микроватт на кубический сантиметр, удельной мощностью. Такие источники питания можно использовать в труднодоступных районах и в экстремальных условиях. С точки зрения безопасности для потребителей преимущество никеля-63 заключается в том, что это так называемый «мягкий» бета-излучатель, поэтому излучение полностью экранируется корпусом элемента питания.

Элементы питания на основе Никеля-63. Фото: YouTube

Никеля-63 в природе не существует, поэтому его получают путем облучения нейтронами природного изотопа никель-62 в ядерном реакторе с дальнейшей радиохимической переработкой и разделением на газовых центрифугах.

«Горно-химический комбинат» выступает системным интегратором проекта. ГХК организовал работы по двум направлениям: получение высокообогащенного изотопа Ni-63 и создание специальной структуры полупроводникового преобразователя. В проекте задействованы предприятия Росатома, обладающие уникальными компетенциями. В частности, за обогащение никеля по изотопу Ni-63 отвечает «Электрохимический завод» (Зеленогорск, Красноярский край, входит в топливную компанию Росатома ТВЭЛ). Завершающий этап, сборка опытного образца источника питания, пройдёт на ГХК.

Как отметил представитель пресс-службы ГХК, в основе конструкции полупроводникового преобразователя лежит новый дизайн, который качественно повышает эффективность всех компонентов. По мнению специалистов, источники питания на основе высокообогащенного Ni-63 и с новым дизайном преобразователя создают прорывную платформу для проектирования устройств новых поколений в области кибернетики и искусственного интеллекта. Это новый тип приборов, который станет базой для новой архитектуры электронных устройств.