Атомные батареи.

Термин "атомная батарея", "ядерная батарея" и "радиоизотопная батарея" означает устройство, которое использует излучение заряженных частиц испускаемых радиоактивным изотопом для генерации электричества.
Устройства для преобразования естественного радиоактивного распада напрямую в электричество не являются чем-то новым. Технология ядерных батарей появилась еще в 1913 г. когда Генри Мозелей впервые продемонстрировал Бета Элемент.
Батареи, использующие энергию радиоактивного распада, могут генерировать электричество в течении 10-20 лет. Техники генерации подразделяются на 2 группы – термические и нетермические. Термические преобразователи (электричество генерируется за счет разницы температур) включают в себя термоэлектрические и термоионные генераторы. Нетермические преобразователи (не используют разницу температур для генерации электричества) используют энергию падающего потока для производства электричества, но используется только часть потока, т.к. большая его часть переходит в тепло.

Термические генераторы

Термоионный конвертор
Термоионный конвертор состоит из горячего электрода который испускает электроны через потенциальный энергетический барьер к холодному электроду и тем самым производит электричество. Пары цезия используются для оптимизации работы электродов и служат источником ионов для нейтрализации объемного заряда электронов.

Определение
С точки зрения физики, термоионная генерация энергии – это прямое производство электричества путем использования термоионного излучения электронов. С точки зрения термодинамики это использование электронного пара как рабочей жидкости в цикле производства электричества. Термоионный конвертор состоит из горячего излучающего электрода из которого термоионное излучение испаряет электроны и холодный коллекторный электрод на котором конденсируются электроны после прохождения межэлектродной плазмы. Возникающее в результате электричество – обычно несколько ампер на квадратный сантиметр поверхности излучателя, напряжение составляет от 0.5 –1 вольт и термический кпд составляет 5-20%, в зависимости от температуры излучателя (1500-2000 К) и режима работы.

Описание
Научный аспект термоионной генерации энергии описан в физике поверхностей и физике плазмы. Свойства поверхности электродов определяет величину излучения электронов и электрический потенциал поверхности электродов, а свойства плазмы определяют поток электронов от излучателя к коллектору. Термоионные конверторы используют пары цезия между электродами, которые определяют свойства поверхности и плазмы. Цезий используется потому, что он легче всего поддается ионизации.
Свойства поверхности представляют интерес вследствие того, что этот тот барьер который ограничивает излучение электронов с самой поверхности. Рабочая функция определяется главным образом слоем атомов цезия абсорбируемых поверхностью электродов. Свойства межэлектродной плазмы определяются режимом работы термоионного конвертора. В воспламененном состоянии (т.н. «дуга») плазма поддерживается внутренне за счет горячих электронов плазмы (~ 3300 К); в невоспламененном состоянии плазма поддерживается путем инъекции положительных электронов в холодную плазму; в гибридном режиме плазма поддерживается ионами от горячей плазмы в межэлектродном пространстве перетекающими в холодную плазму.


Радиоизотопный термоэлектрический генератор
Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ) это простой электрический генератор который питается от радиоактивного распада. В подобном устройстве тепло вырабатывается путем распада подходящего радиоактивного материала и преобразуется в электричество используя эффект Зеебека (используются термоэлементы). РТГ наиболее желанный источник энергии в тех ситуациях где не требуется присутствие людей. Первые рабочие образцы выдавали несколько сот ватт в течении длительного времени. Обычно применялись где установка солнечных батарей была невозможна.

Дизайн
Дизайн РТГ простой по стандартам ядерной технологии: основной компонент – крепкий контейнер с радиоактивным материалом (топливо). Термоэлементы помещаются на стенках контейнера, каждый внешний конец термоэлементов соединен с теплоотводом. Радиоактивный распад топлива дает тепло которое проходит через термоэлементы к теплоотводам, электричество генерируется в ходе данного процесса.
Термоэлемент представляет собой термоэлектрическое устройство которое преобразует тепловую энергию напрямую в электрическую используя эффект Зеебека. Термоэлемент сделан из двух видов металлов (или полупроводников) которые могут проводить ток. Они соединены друг с другом в замкнутый круг. Если соединения (швов) имеют различную температуру, то по этому контуру будет течь электрический ток.

Топливо
Радиоактивные материалы используемые в РТГ должны иметь следующие характеристики:
- Полураспад должен быть достаточно долгим чтобы можно было вырабатывать электричество в течении длительного времени и с постоянной интенсивностью. Однако полураспад должен быть достаточно коротким чтобы материал распадался достаточно быстро чтобы произвести достаточно тепла. Используемы в РГТ материалы имеют период полураспада несколько десятилетий, хотя изотопы с меньшим периодом полураспада используются для специальных целей.
- Также топливо должно иметь высокое соотношение энергии к массе и объему (плотность) для того чтобы батареи были более компактными.
- Топливо должно иметь высокое энергетическое излучение но с низкой проникающей способностью, в основном альфа-излучение. Бета-излучение может создавать существенное гамма-излучение через производство вторичного тормозного излучения, и в связи с этим требует тяжелого экранирования. Изотопы не должны иметь высокое гамма-излучение, нейтронную радиацию или проникающую радиацию.

Первые два критерия ограничивают число возможных видов топлива до 30 изотопов во всей изотопной таблице. Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 наиболее подходят, но такие изотопы как полоний-210, прометий-147, цезий-137, церий-144, рутений-106, кобальт-60, кюрий-242 и изотопы тулия также изучались. Из всех вышеперечисленных плутоний-238 имеет самые низкие требования по экранированию и самый долгий полураспад. И только 3 изотопа отвечают третьему критерию (не указаны выше) и требуют меньше чем 25 мм свинцового экранирования. Плутоний-238 (лучший из трех) требует меньше 2,5 мм и во многих случаях не требует экранирования вообще, т.к. корпуса достаточно.
Плутоний-238 наиболее часто используется в РТГ в форме оксида плутония (IV). Плутоний-238 имеет полураспад 87,7 лет, хорошее излучение энергии и очень низкие уровни гамма и нейтронной радиации.

Термофотогальванический генератор (ТФГ)
Термофотогальваническое преобразование энергии – это прямой процесс генерации электричества вследствие разницы температур. Обычная термофотогальваническая система состоит из теплового излучателя и фотогальванического диода.
Температура теплового излучателя варьируется от системы к системе, примерно от 900 до 1300 градусов Цельсия. Хотя в принципе ТФГ устройства могут генерировать энергию от любого излучателя с температурой выше чем у фотоэлектрического устройства (становясь фактически оптической тепловой машиной). Излучатель может быть сделан из цельного куска или специально сконструированной системой. Тепловое излучение – это спонтанное излучение фотонов из-за термического сдвига заряда в материале. Излучение обычных ТФГ – инфракрасный и около инфракрасный спектр излучения. Фотоэлектрический диод может абсорбировать часть излученных фотонов и преобразовать их в свободный заряд – электричество.
ТФГ системы имеют очень мало либо вообще не имеют подвижных частей, и, вследствие этого очень тихие и не требуют частого текущего ремонта. Однако их КПД достаточно низкий по сравнению с другими системами генерации энергии.
ТФГ системы также используются в как вспомогательные системы преобразования для регенерации потери тепловой энергии в других системах, таких как паровые турбины или солнечные батареи.

Термический электрогенератор на щелочном металле
Термический электрогенератор на щелочном металле – это термически регенерирующий электрохимический прибор для производства электричества напрямую используя преобразование тепла в электричество. Одной из его характеристик является высокий КПД и отсутствие подвижных частей.
Рабочая температура прибора 900-1300 градусов Кельвина и генерирует энергию с эффективностью 15-40%. В этом приборе натрий циркулирует в замкнутом термодинамическом цикле между двумя тепловыми резервуарами с разными температурами. Уникальной чертой рабочего цикла данного устройства является изотермическое расширение паров натрия через твердый электролит, вследствие этого атобы натрия распадаются на ионы и электроны натрия.
Преобразование энергии основывается на электролите, используемом в натриево-серных батареях, натриевой бетаокиси алюминия. Само устройство является натриево-накопительной батареей и использует керамический, поликристаллический бетаокись алюминиевый твердый электролит в качестве разделителя между области высокого давления, содержащих пары натрия с температурой 900-1300 градусов Кельвина и области низкого давления, содержащей конденсатор для жидкого натрия с температурой 400-700 градусов Кельвина. Первые образцы имели следующие характеристики: для одной ячейки – напряжение 1.37 Вольт и максимальную мощность 7.89 Ватт, и максимальная плотность мощности составляла 0.4 Ватт/см2при температуре 1007 градусов Кельвина.
Устройство требует входной мощности средних температур и любой длинны волны. Его можно приспособить к любому источнику тепла, включая радиоизотопы, солнечный свет, внутренне сгорание или атомный реактор.

Нетермические генераторы

Бета-гальванические генераторы
Бета-гальванические генераторы, по сути дела обычные батарейки которые используют энергию радиоактивного источника излучающего бета-частицы. Обычно используются изотопы водорода, трития. В отличие от атомных источников питания, которые используют радиоактивное излучения для генерации электричества (термоэлектрические и термоионные источники), бета-гальванические источники используют нетермическое преобразование для генерации электричества.
По принципу действия, бета-гальванические элементы сходны с солнечными батареями, которые преобразуют фотоны (свет) в электричество. В бета-гальваническом генераторе когда электрон ударяется от специальную поверхность между двумя слоями материала (p - n-переход) и в результате образуется электричество.
Для повышения КПД используются пористые кремниевые диоды – увеличивает поверхность соприкосновения.
И хотя бета-гальванические генераторы используют радиоактивные материалы в качестве источника питания, важно отметить, что бета-излучение имеет низкую энергию и легко останавливаются экранированием. При правильно спроектированным экранировании бета-гальванические элементы не будут излучать никакой радиации.
Со временем из-за полураспада радиоактивного вещества мощность генератора будет уменьшаться – компенсируется заменой.

Оптико-электрические атомные батареи
Оптико-электрические атомные батареи были разработаны в Институте имени Курчатова (Москва). Бета-излучатели, такие как технеций-99 или стронций-90 подвешены в газе или жидкости, содержащей люминесцентные молекулы газа эксимерного типа (двухатомная возбужденная молекула из одинаковых атомов), образуя «пылевую плазму». Эта система позволяет практически без потерь излучать бета электроны из пылевой плазмы в фотоэлектрическую оболочку. Все это позволяет создать легкую, с низким давлением и высоким КПД атомную батарею. Используемый излучающий материал – это дешевые радиоактивные отходы от ядерных реакторов. Диаметр пылевых частиц настолько мал (несколько микрометров), что электроны, образовавшиеся в результате бета распада, покидают это «облако» без потерь. Окружающая, слабо ионизированная плазма состоит из газа или смеси газов (например криптон, аргон, ксенон).