Az atomelem a modern világban

A tudomány jelenleg is fejlődik és halad előre. Egy nukleáris akkumulátort már feltaláltak. Egy ilyen energiaforrás akár 50, sőt néha akár 100 évig is kitarthat. Mindez a mérettől és a felhasznált radioaktív anyagtól függ.

A Roszatom jelentette be elsőként egy nukleáris akkumulátor gyártását. 2017-ben a vállalat egy kiállításon bemutatott egy prototípust.

A kutatóknak sikerült optimalizálniuk egy olyan nukleáris akkumulátor rétegeit, amely a nikkel-63 izotóp béta-bomlását használja fel áramtermelésre.

Ennek az anyagnak 1 grammja 3300 milliwattórát tartalmaz.

Hogyan működik egy atomakkumulátor

Az atomelem, más néven radioizotópos hőgenerátor (RIHG), egy olyan energiaforrás, amely a radioaktív izotópok bomlási folyamatát használja fel hő előállítására, majd azt elektromos energiává alakítja.

Az atomelemek működési elve a radioaktív bomláson alapul, amelynek során az atommagok szétesnek, részecskéket és energiát bocsátanak ki. Az atomelemekben használt egyik leggyakrabban használt anyag a plutónium-238, amelynek hosszú a felezési ideje. A plutónium-238 urán-234-gé bomlik, alfa-részecskéket bocsátva ki. Ezek a részecskék nagy energiájúak, amely a környezettel kölcsönhatásba lépve hővé alakul.

A hőtermelés kulcsfontosságú lépés az atomakkumulátor működésében. A hő egy hőcserélőn keresztül jut el egy termoelektromos konverterbe. Ez a konverter olyan anyagokat tartalmaz, amelyek képesek elektromos áramot termelni hőmérsékletkülönbség hatására. Így a plutónium-238 radioaktív bomlásából származó hő a termoelektromos konverter egyik oldalára kerül át, hőmérsékletkülönbséget hozva létre a két oldala között. Ez a hőmérsékletkülönbség lehetővé teszi az elektromos energia előállítását a Seebeck-termoelektromos hatás segítségével.

A termoelektromos átalakító által termelt elektromos energiát elektromos eszközök áramellátására használják. Az atomakkumulátorok fő előnye, hogy stabil, hosszú élettartamú energiaforrást biztosítanak, amelyet évekig nem kell cserélni vagy újratölteni. A radioaktív anyagok használata miatt azonban az atomakkumulátorok bizonyos kockázatokkal járnak, és használatuk és kezelésük során különleges biztonsági óvintézkedéseket igényelnek.

 

Veszélyesek az atomakkumulátorok?

A fejlesztők azt állítják, hogy ezek az akkumulátorok teljesen biztonságosak a hétköznapi emberek számára. Ez a ház jól megtervezett kialakításának köszönhető.

A béta-sugárzás köztudottan káros a szervezetre. Az újonnan létrehozott nukleáris akkumulátorban azonban lágy, és elnyelődik az energiacellában.

Jelenleg a szakértők számos olyan iparágat azonosítanak, amelyekben az orosz A123 nukleáris akkumulátort tervezik használni:

1. Gyógyszer.
2. Űripar.
3. Ipar.
4. Szállítás.

Ezeken a területeken kívül máshol is hasznosíthatók új, hosszú élettartamú energiaforrások.

A nukleáris akkumulátor előnyei

Számos pozitív tulajdonságot emelnek ki:

• Tartósság. Akár 100 000 évig is eltarthatnak.
• Kritikus hőmérsékletek elviselésének képessége.
• Kis méretük lehetővé teszi a hordozhatóságot és a kompakt berendezésekben való használatot.

A nukleáris akkumulátor hátrányai

• A termelés összetettsége.
• Fennáll a sugárterhelés veszélye, különösen akkor, ha a ház sérült.
• Drága. Egyetlen nukleáris akkumulátor ára 500 000 és 4 500 000 rubel között mozoghat.
• Korlátozott kör számára elérhető.
• Kis választék.

Az atomakkumulátorok kutatásával és fejlesztésével nemcsak a nagyvállalatok, hanem a hétköznapi diákok is foglalkoznak. Egy tomszki diák például kifejlesztette saját atommeghajtású akkumulátorát, amely körülbelül 12 évig képes újratöltés nélkül működni. A találmány a trícium bomlására épül. Az akkumulátor jellemzői az idő múlásával változatlanok maradnak.

Atomelem okostelefonokhoz

2019-től gyártanak nukleáris energiaforrásokat telefonokhoz. Úgy néznek ki, mint az alábbi képen látható.

Egy olyan mikrochipre hasonlítanak, amely a mobiltelefon speciális nyílásaiba illeszkedik. Egy ilyen akkumulátor akár 20 évig is kitarthat, és ez idő alatt nem kell tölteni. Ez a maghasadásnak köszönhető. Ez az energiaforrás azonban sokak számára riasztó lehet. Végül is mindenki tudja, hogy a sugárzás káros és káros a szervezetre. És kevesen örülnének annak, ha egész nap egy ilyen telefont hordanának magukkal.

A tudósok azonban azt állítják, hogy ez az atomelem teljesen biztonságos. Hatóanyagként tríciumot használnak. A bomlás során kibocsátott sugárzás ártalmatlan. A tríciumot működés közben egy sötétben világító kvarcórán láthatjuk. Az elem akár -50°C-os hőmérsékletet is kibír, és akár 150°C-os hőmérsékleten is megbízhatóan működik.⁰Ugyanakkor a munkájában nem észleltek ingadozást.

Jó lenne, ha kéznél lenne egy ilyen akkumulátor, legalább hogy egy normál akkumulátorral feltölthesd a telefonodat.

Egy ilyen akkumulátor feszültsége 0,8 és 2,4 volt között ingadozik. Emellett 50 és 300 nanoamper közötti áramot is termel. Mindez 20 év alatt történik.

A kapacitást a következőképpen számítjuk ki: C = 0,000001W * 50 év * 365 nap * 24 óra / 2V = 219mA

Az akkumulátor jelenlegi értéke 1122 dollár. A jelenlegi árfolyamon (65,42) rubelre átszámítva ez 73 400 rubelt jelentene.

Hol használják az atomelemeket?

Az alkalmazási kör gyakorlatilag megegyezik a hagyományos akkumulátorokéval. Felhasználási területük:

• Mikroelektronika.
• Nyomás- és hőmérséklet-érzékelők.
• Implantátumok.
• Lítium akkumulátorokhoz való külső akkumulátorokként.
• Azonosító rendszerek.
• Órák.
• SRAM memória.
• Alacsony fogyasztású processzorok, például FPGA, ASIC táplálására.

Ezek nem az egyetlen eszközök; a listájuk a jövőben jelentősen bővülni fog.

Nikkel-63 nukleáris akkumulátor és jellemzői

Ez a 63-as izotópon alapuló nukleáris energiaforrás akár 50 évig is működhet. A béta-voltaikus hatás alapján működik. Szinte azonos a fotoelektromos hatással. Ebben a hatásban a félvezető kristályrácsban elektron-lyuk párok jönnek létre gyors elektronok vagy béta-részecskék hatására. A fotoelektromos hatásban ezek fotonok hatására jönnek létre.

Egy nikkel-63 atomakkumulátort nikkel-62 célpontok besugárzásával állítanak elő egy reaktorban. Gavrilov kutató szerint ez a folyamat körülbelül egy évig tart. A szükséges célpontok már rendelkezésre állnak Zseleznogorszkban.

Ha összehasonlítjuk az új orosz nikkel-63 nukleáris akkumulátorokat a lítium-ion akkumulátorokkal, azok 30-szor kisebbek lesznek.

A szakértők azt állítják, hogy ezek az energiaforrások biztonságosak az emberre nézve, mivel gyenge béta-sugarakat bocsátanak ki. Továbbá, ezek nem szabadulnak fel kívülről, hanem a készülék belsejében maradnak.

Ez az áramforrás jelenleg ideális orvosi pacemakerekhez. A fejlesztők azonban nem hozták nyilvánosságra a költségét. Azonban ezek nélkül is kiszámolható. Egy gramm Ni-63 jelenleg körülbelül 4000 dollárba kerül. Ezért egy teljesen működőképes akkumulátor jelentős beruházást igényelne.

Egy nukleáris akkumulátor összetétele

A nikkel-63 izotópot gyémántokból vonják ki. Ennek az izotópnak a kinyeréséhez azonban új technológiát kellett kifejleszteni a tartós gyémántanyag megmunkálására.

Egy nukleáris akkumulátor egy emitterből és egy kollektorból áll, amelyeket egy speciális film választ el egymástól. Ahogy a radioaktív elem bomlik, béta-sugárzást bocsát ki. Ez pozitív töltéshez vezet. Ugyanakkor a kollektor negatív töltésűvé válik. Ez potenciálkülönbséget hoz létre, ami elektromos áramot generál.

Atomcellánk lényegében egy réteges pite. 200 darab nikkel-63-as energiaforrás helyezkedik el 200 gyémánt félvezető között. Az energiaforrás körülbelül 4 mm magas és 250 milligramm súlyú. Kis mérete az orosz atomakkumulátor egyik fő előnye.

A megfelelő méretek megtalálása nehéz. Egy vastag izotóp megakadályozza, hogy az általa termelt elektronok kiszökjenek. Egy vékony izotóp hátrányos, mivel csökkenti az időegységenkénti béta-bomlások számát. Ugyanez vonatkozik a félvezető vastagságára is. Az akkumulátor körülbelül 2 mikronos izotópvastagsággal teljesít a legjobban, míg egy gyémánt félvezetőnek 10 mikronra van szüksége.

De amit a tudósok eddig elértek, az nem a határ. A kipufogógáz-kibocsátás legalább háromszorosára növelhető. Ez azt jelenti, hogy egy nukleáris akkumulátor háromszor olcsóbbá tehető.

Egy szén-14-es izotópú nukleáris akkumulátor, amely 100 évig bírja.

Ennek az atomakkumulátornak a következő előnyei vannak más sugárzó energiaforrásokkal szemben:

1. Olcsóság.
2. Környezetbarát.
3. Hosszú élettartam, akár 100 évig.
4. Alacsony toxicitású.
5. Biztonság.
6. Képes extrém hőmérsékleti viszonyok között működni.

A radioaktív szén-14 izotóp felezési ideje 5700 év. Teljesen nem mérgező és olcsó.

Nemcsak az USA és Oroszország, hanem más országok is aktívan dolgoznak az atomakkumulátorok modernizálásán! A kutatók megtanulták, hogyan lehet filmet növeszteni keményfém hordozóra. Ennek eredményeként az aljzat költsége 100-szorosára csökkent. Ez a szerkezet ellenáll a sugárzásnak, így ez az energiaforrás biztonságos és tartós. A szilícium-karbid atomakkumulátorokban történő használatával 350 Celsius-fokos hőmérsékleten is működhetnek.

Így a tudósoknak sikerült saját kezükkel atomakkumulátort létrehozniuk!