Aatompatarei tänapäeva maailmas

Teadus areneb ja edeneb praegu. Tuumapatarei on juba leiutatud. Selline energiaallikas võib kesta kuni 50 ja mõnikord kuni 100 aastat. Kõik sõltub suurusest ja kasutatavast radioaktiivsest ainest.

Rosatom teatas esimesena tuumapatarei tootmisest. 2017. aastal esitles ettevõte näitusel prototüüpi.

Teadlastel on õnnestunud optimeerida tuumapatarei kihte, mis kasutavad elektri tootmiseks nikkel-63 isotoobi beetalagunemist.

1 gramm seda ainet sisaldab 3300 millivatt-tundi.

Kuidas aatompatarei töötab

Aatompatarei, tuntud ka kui radioisotoop-soojusgeneraator (RIHG), on energiaallikas, mis kasutab radioaktiivsete isotoopide lagunemisprotsessi soojuse tekitamiseks ja omakorda elektrienergiaks muundamiseks.

Aatompatarei tööpõhimõte põhineb radioaktiivsel lagunemisel, mille käigus aatomite tuumad lagunevad, eraldades osakesi ja energiat. Üks levinumaid aatompatareides kasutatavaid materjale on plutoonium-238, millel on pikk poolestusaeg. Plutoonium-238 laguneb uraan-234-ks, eraldades alfaosakesi. Need osakesed sisaldavad palju energiat, mis keskkonnaga suheldes muundatakse soojuseks.

Soojuse genereerimine on aatompatarei töös võtmetähtsusega etapp. Soojus kandub soojusvaheti kaudu termoelektrilisse muundurisse. See muundur sisaldab materjale, mis on võimelised temperatuuride erinevuse korral tekitama elektrivoolu. Seega kandub plutoonium-238 radioaktiivse lagunemise soojus termoelektrilise muunduri ühele küljele, tekitades selle kahe külje vahel temperatuuride erinevuse. See temperatuuride erinevus võimaldab Seebecki termoelektrilise efekti abil toota elektrienergiat.

Termoelektrilise muunduri toodetud elektrienergiat kasutatakse elektriseadmete toiteks. Aatompatareide peamine eelis on see, et need pakuvad stabiilset ja kauakestvat energiaallikat, mis ei vaja aastaid vahetamist ega laadimist. Radioaktiivsete materjalide kasutamise tõttu kaasnevad aatompatareidega aga teatud riskid ning nende kasutamisel ja käsitsemisel tuleb järgida erilisi ohutusnõudeid.

 

Kas tuumapatareid on ohtlikud?

Arendajad väidavad, et need akud on tavainimestele täiesti ohutud. Seda seetõttu, et korpus on hästi disainitud.

Beetakiirgus on teadaolevalt organismile kahjulik. Kuid äsja loodud tuumapatareis on see pehme ja neeldub energiaelemendis.

Praegu tuvastavad eksperdid mitu tööstusharu, kus Venemaa A123 tuumapatareid plaanitakse kasutada:

1. Ravim.
2. Kosmosetööstus.
3. Tööstus.
4. Transport.

Lisaks neile valdkondadele saab uusi pikaajalisi energiaallikaid kasutada ka teistes.

Tuumapatarei eelised

Esile tõstetakse mitmeid positiivseid omadusi:

• Vastupidavus. Need võivad kesta kuni 100 000 aastat.
• Võime taluda kriitilisi temperatuure.
• Nende väike suurus võimaldab neid kaasaskantavaks muuta ja kasutada kompaktsetes seadmetes.

Tuumapatarei puudused

• Tootmise keerukus.
• Eriti kui korpus on kahjustatud, on oht saada kiirgust.
• Kallis. Üks tuumapatarei võib maksta 500 000 kuni 4 500 000 rubla.
• Saadaval piiratud ringile inimestele.
• Väike valik.

Tuumapatareide uurimis- ja arendustegevust ei teosta mitte ainult suurettevõtted, vaid ka tavaüliõpilased. Näiteks Tomski tudeng on välja töötanud oma tuumapatarei, mis suudab töötada umbes 12 aastat ilma laadimiseta. Leiutis põhineb triitiumi lagunemisel. Selle patarei omadused jäävad aja jooksul muutumatuks.

Nutitelefonide tuumaaku

Alates 2019. aastast toodetakse telefonidele mõeldud tuumaenergiaallikaid. Need näevad välja nagu alloleval pildil näidatud.

Need meenutavad mikrokiipi, mis sobib mobiiltelefoni spetsiaalsetesse pesadesse. Selline aku võib vastu pidada 20 aastat ja seda ei pea selle aja jooksul laadima. See on võimalik tänu tuumalõhustumise protsessile. See energiaallikas võib aga paljudele murettekitav olla. Lõppude lõpuks teavad kõik, et kiirgus on kahjulik ja kahjustab keha. Ja vähesed inimesed naudiksid sellise telefoni terve päeva kaasas kandmist.

Kuid teadlased väidavad, et see tuumapatarei on täiesti ohutu. Toimeainena kasutatakse triitiumi. Selle lagunemisel eralduv kiirgus on kahjutu. Triitiumi toimimist saab näha pimedas helendaval kvartskella peal. Patarei talub kuni -50 °C temperatuuri ja töötab usaldusväärselt kuni 150 °C temperatuuril.⁰Samal ajal ei täheldatud selle töös kõikumisi.

Oleks tore, kui selline aku käepärast oleks, vähemalt selleks, et telefoni tavalise akuga laadida.

Sellise aku pinge kõigub 0,8 ja 2,4 voldi vahel. See genereerib ka 50–300 nanoamprit. Ja kõik see toimub 20 aasta jooksul.

Mahtuvus arvutatakse järgmiselt: C = 0,000001W * 50 aastat * 365 päeva * 24 tundi / 2V = 219mA

Aku praegune väärtus on 1122 dollarit. Praeguse vahetuskursi (65,42) järgi rubladesse konverteerituna oleks see 73 400 rubla.

Kus kasutatakse tuumapatareisid?

Kasutusala on praktiliselt sama mis tavalistel akudel. Neid kasutatakse:

• Mikroelektroonika.
• Rõhu- ja temperatuuriandurid.
• Implantaadid.
• Liitiumakude toitepankadena.
• Identifitseerimissüsteemid.
• Tunnid.
• SRAM-mälu.
• Väikese energiatarbega protsessorite, näiteks FPGA ja ASIC toiteks.

Need pole ainsad seadmed; nende nimekiri laieneb tulevikus märkimisväärselt.

Nikkel-63 tuumapatarei ja selle omadused

See 63 isotoopil põhinev tuumaenergiaallikas võib kesta kuni 50 aastat. See toimib beeta-voltaalse efekti abil. See on peaaegu identne fotoelektrilise efektiga. Selle efekti puhul tekivad pooljuhtkristallvõres elektron-auk paarid kiirete elektronide või beetaosakeste toimel. Fotoelektrilise efekti puhul tekivad need footonite toimel.

Nikkel-63 aatompatareid toodetakse reaktoris nikkel-62 märklaudade kiiritamise teel. Teadlane Gavrilov väidab, et see protsess võtab aega umbes aasta. Vajalikud märklauad on Železnogorskis juba olemas.

Kui võrrelda uusi Venemaa nikkel-63 tuumapatareisid liitiumioonakudega, on need 30 korda väiksemad.

Eksperdid väidavad, et need energiaallikad on inimestele ohutud, kuna need kiirgavad nõrku beetakiirgust. Lisaks ei eraldu need väliselt, vaid jäävad seadme sisse.

See toiteallikas sobib praegu ideaalselt meditsiinilistele südamestimulaatoritele. Arendajad pole aga maksumust avaldanud. Seda saab aga arvutada ka ilma nendeta. Üks gramm Ni-63 maksab praegu umbes 4000 dollarit. Seega nõuaks täielikult toimiva aku valmistamine märkimisväärset investeeringut.

Tuumapatarei koostis

Nikkel-63 ekstraheeritakse teemantidest. Selle isotoobi saamiseks oli aga vaja välja töötada uus tehnoloogia vastupidava teemantmaterjali lõikamiseks.

Tuumapatarei koosneb emitterist ja kollektorist, mis on eraldatud spetsiaalse kilega. Radioaktiivse elemendi lagunemisel kiirgab see beetakiirgust. Selle tulemusel laetakse see positiivselt. Samal ajal laetakse kollektor negatiivselt. See tekitab potentsiaalide vahe, mis tekitab elektrivoolu.

Põhimõtteliselt on meie aatompatarei kihiline pirukas. 200 teemantpooljuhi vahel on 200 nikkel-63 toiteallikat. Toiteallika kõrgus on umbes 4 mm ja kaal 250 milligrammi. Selle väiksus on Venemaa aatompatarei peamine eelis.

Õigete mõõtmete leidmine on keeruline. Paks isotoop takistab selle tekitatud elektronide põgenemist. Õhuke isotoop on ebasoodne, kuna see vähendab beeta-lagunemiste arvu ajaühikus. Sama kehtib ka pooljuhi paksuse kohta. Aku töötab kõige paremini umbes 2 mikroni paksuse isotoobiga, teemantpooljuht aga 10 mikroni paksusega.

Kuid teadlaste seni saavutatu pole piir. Heitgaaside heitkoguseid võiks suurendada vähemalt kolm korda. See tähendaks, et tuumaaku saaks kolm korda odavamaks teha.

Süsinik-14 tuumapatarei, mis kestab 100 aastat.

Sellel aatompatareil on teiste kiirgusenergiaallikate ees järgmised eelised:

1. Odavus.
2. Keskkonnasõbralik.
3. Pikk kasutusiga kuni 100 aastat.
4. Madal toksilisus.
5. Ohutus.
6. Võimeline töötama äärmuslikes temperatuuritingimustes.

Radioaktiivse isotoobi süsinik-14 poolestusaeg on 5700 aastat. See on täiesti mittetoksiline ja odav.

Mitte ainult USA ja Venemaa, vaid ka teised riigid töötavad aktiivselt tuumapatareide moderniseerimise nimel! Teadlased on õppinud kasvatama kilet karbiidaluspinnale. Selle tulemusel on aluspinna maksumus vähenenud 100 korda. See struktuur on kiirguskindel, muutes selle energiaallika ohutuks ja vastupidavaks. Ränikarbiidi kasutamisega tuumapatareides on võimalik saavutada töö temperatuuril 350 kraadi Celsiuse järgi.

Seega õnnestus teadlastel oma kätega aatompatarei luua!