Bateri atom di dunia moden

Sains kini sedang maju dan berkembang. Bateri nuklear telah pun dicipta. Sumber tenaga sedemikian boleh bertahan sehingga 50 tahun, dan kadangkala sehingga 100 tahun. Semuanya bergantung pada saiz dan bahan radioaktif yang digunakan.

Rosatom merupakan syarikat pertama yang mengumumkan pengeluaran bateri nuklear. Pada tahun 2017, syarikat itu telah mempersembahkan prototaip di sebuah pameran.

Penyelidik telah berjaya mengoptimumkan lapisan bateri nuklear yang menggunakan pereputan beta isotop nikel-63 untuk menjana elektrik.

1 gram bahan ini mengandungi 3300 milliwatt jam.

Cara bateri atom berfungsi

Bateri atom, juga dikenali sebagai penjana haba radioisotop (RIHG), ialah sumber kuasa yang menggunakan proses pereputan isotop radioaktif untuk menjana haba dan seterusnya, menukarkannya kepada tenaga elektrik.

Prinsip operasi bateri atom adalah berdasarkan pereputan radioaktif, di mana nukleus atom hancur, memancarkan zarah dan tenaga. Salah satu bahan yang paling biasa digunakan dalam bateri atom ialah plutonium-238, yang mempunyai separuh hayat yang panjang. Plutonium-238 mereput menjadi uranium-234, memancarkan zarah alfa. Zarah-zarah ini mengandungi tenaga yang tinggi, yang ditukar menjadi haba apabila berinteraksi dengan persekitaran.

Penjanaan haba merupakan langkah utama dalam operasi bateri atom. Haba dipindahkan melalui penukar haba ke penukar termoelektrik. Penukar ini mengandungi bahan yang mampu menjana arus elektrik apabila tertakluk kepada perbezaan suhu. Oleh itu, haba daripada pereputan radioaktif plutonium-238 dipindahkan ke satu sisi penukar termoelektrik, mewujudkan perbezaan suhu antara kedua-dua sisinya. Perbezaan suhu ini membolehkan penjanaan tenaga elektrik menggunakan kesan termoelektrik Seebeck.

Tenaga elektrik yang dijana oleh penukar termoelektrik digunakan untuk menggerakkan peranti elektrik. Kelebihan utama bateri atom ialah ia menyediakan sumber tenaga yang stabil dan tahan lama, tidak memerlukan penggantian atau pengecasan semula selama bertahun-tahun. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh penggunaan bahan radioaktif, bateri atom membawa risiko tertentu dan memerlukan langkah berjaga-jaga keselamatan khas semasa penggunaan dan pengendalian.

 

Adakah bateri nuklear berbahaya?

Para pembangun mendakwa bahawa bateri ini selamat sepenuhnya untuk orang biasa. Ini kerana perumahannya direka bentuk dengan baik.

Sinaran beta diketahui berbahaya kepada badan. Tetapi dalam bateri nuklear yang baru dicipta, ia lembut dan akan diserap dalam sel tenaga.

Pada masa ini, pakar mengenal pasti beberapa industri di mana bateri nuklear Rusia A123 dirancang untuk digunakan:

1. Ubat.
2. Industri angkasa lepas.
3. Industri.
4. Pengangkutan.

Selain kawasan ini, sumber tenaga baharu yang berkekalan juga boleh digunakan di kawasan lain.

Kelebihan bateri nuklear

Beberapa kualiti positif diserlahkan:

• Ketahanan. Ia boleh bertahan sehingga 100,000 tahun.
• Keupayaan untuk menahan suhu kritikal.
• Saiznya yang kecil membolehkannya dibuat mudah alih dan digunakan dalam peralatan padat.

Kelemahan bateri nuklear

• Kerumitan pengeluaran.
• Terdapat risiko pendedahan radiasi, terutamanya jika selongsongnya rosak.
• Mahal. Sebiji bateri nuklear boleh berharga antara 500,000 dan 4,500,000 rubel.
• Tersedia untuk kalangan orang yang terhad.
• Pilihan kecil.

Penyelidikan dan pembangunan bateri nuklear bukan sahaja sedang dijalankan oleh syarikat-syarikat besar tetapi juga oleh pelajar biasa. Seorang pelajar di Tomsk, sebagai contoh, telah membangunkan bateri berkuasa nuklearnya sendiri yang boleh beroperasi selama kira-kira 12 tahun tanpa dicas semula. Ciptaan ini bergantung pada pereputan tritium. Ciri-ciri bateri ini kekal tidak berubah dari semasa ke semasa.

Bateri nuklear untuk telefon pintar

Sehingga tahun 2019, sumber kuasa nuklear untuk telefon sedang dihasilkan. Ia kelihatan seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah.

Ia menyerupai mikrocip yang dimuatkan ke dalam slot khas dalam telefon bimbit. Bateri sedemikian boleh bertahan selama 20 tahun, dan ia tidak perlu dicas dalam tempoh tersebut. Ini mungkin berlaku hasil daripada proses pembelahan nuklear. Walau bagaimanapun, sumber tenaga ini mungkin membimbangkan ramai. Lagipun, semua orang tahu bahawa radiasi berbahaya dan memudaratkan badan. Dan hanya sedikit orang yang akan suka membawa telefon sedemikian sepanjang hari.

Tetapi saintis mendakwa bateri nuklear ini selamat sepenuhnya. Tritium digunakan sebagai bahan aktif. Sinaran yang dipancarkan semasa pereputannya tidak berbahaya. Anda boleh melihat tritium bertindak pada jam tangan kuarza bercahaya dalam gelap. Bateri ini boleh menahan suhu serendah -50°C dan beroperasi dengan andal pada suhu setinggi 150°C.⁰Pada masa yang sama, tiada turun naik dalam kerjanya dicatatkan.

Alangkah baiknya jika ada bateri sedemikian, sekurang-kurangnya untuk mengecas semula telefon anda dengan bateri biasa.

Voltan bateri sedemikian berubah-ubah antara 0.8 dan 2.4 volt. Ia juga menjana antara 50 dan 300 nanoamp. Dan semua ini berlaku dalam tempoh 20 tahun.

Kapasiti dikira seperti berikut: C = 0.000001W * 50 tahun * 365 hari * 24 jam / 2V = 219mA

Bateri tersebut kini bernilai $1,122. Jika ditukar kepada rubel pada kadar pertukaran semasa (65.42), ia akan menjadi 73,400 rubel.

Di manakah bateri nuklear digunakan?

Skop aplikasinya hampir sama dengan bateri konvensional. Ia digunakan dalam:

• Mikroelektronik.
• Sensor tekanan dan suhu.
• Implan.
• Sebagai bank kuasa untuk bateri litium.
• Sistem pengenalan.
• Jam.
• Memori SRAM.
• Untuk menguasakan pemproses berkuasa rendah, seperti FPGA, ASIC.

Ini bukan satu-satunya peranti; senarai mereka akan berkembang dengan ketara pada masa hadapan.

Bateri nuklear nikel-63 dan ciri-cirinya

Sumber kuasa nuklear ini, berdasarkan isotop 63, boleh bertahan sehingga 50 tahun. Ia beroperasi melalui kesan beta-voltaik. Ia hampir sama dengan kesan fotoelektrik. Dalam kesan ini, pasangan elektron-lubang dalam kekisi kristal semikonduktor dicipta oleh tindakan elektron pantas atau zarah beta. Dalam kesan fotoelektrik, ia dicipta oleh tindakan foton.

Bateri atom nikel-63 dihasilkan dengan menyinari sasaran nikel-62 dalam reaktor. Penyelidik Gavrilov mendakwa proses ini mengambil masa kira-kira setahun. Sasaran yang diperlukan sudah tersedia di Zheleznogorsk.

Jika kita membandingkan bateri nuklear nikel-63 Rusia yang baharu dengan bateri litium-ion, ia akan menjadi 30 kali lebih kecil.

Pakar mendakwa bahawa sumber tenaga ini selamat untuk manusia kerana ia memancarkan sinar beta yang lemah. Tambahan pula, ia tidak dilepaskan secara luaran, tetapi kekal di dalam peranti.

Sumber kuasa ini pada masa ini sesuai untuk alat pacu jantung perubatan. Walau bagaimanapun, pembangun belum mendedahkan kosnya. Walau bagaimanapun, ia boleh dikira tanpanya. Satu gram Ni-63 kini berharga kira-kira $4,000. Oleh itu, bateri yang berfungsi sepenuhnya memerlukan pelaburan yang besar.

Komposisi bateri nuklear

Nikel-63 diekstrak daripada berlian. Walau bagaimanapun, untuk mendapatkan isotop ini memerlukan pembangunan teknologi baharu untuk memotong bahan berlian yang tahan lama.

Bateri nuklear terdiri daripada pemancar dan pengumpul yang dipisahkan oleh filem khas. Apabila unsur radioaktif mereput, ia memancarkan sinaran beta. Ini menghasilkan cas positifnya. Pada masa yang sama, pengumpul menjadi bercas negatif. Ini menghasilkan beza keupayaan, menghasilkan arus elektrik.

Pada asasnya, sel kuasa atom kita adalah pai berlapis. 200 sumber kuasa nikel-63 diapit di antara 200 semikonduktor berlian. Sumber kuasa ini mempunyai ketinggian kira-kira 4 mm dan beratnya 250 miligram. Saiznya yang kecil merupakan kelebihan utama untuk bateri atom Rusia.

Mencari dimensi yang betul adalah sukar. Isotop yang tebal akan menghalang elektron yang dihasilkan daripada terlepas. Isotop yang nipis adalah merugikan, kerana ia mengurangkan bilangan pereputan beta setiap unit masa. Perkara yang sama berlaku untuk ketebalan semikonduktor. Bateri berfungsi paling baik dengan ketebalan isotop kira-kira 2 mikron, manakala semikonduktor berlian memerlukan 10 mikron.

Tetapi apa yang telah dicapai oleh saintis setakat ini bukanlah hadnya. Pelepasan ekzos boleh ditingkatkan sekurang-kurangnya tiga kali ganda. Ini bermakna bateri nuklear boleh dibuat tiga kali ganda lebih murah.

Bateri nuklear karbon-14 yang tahan selama 100 tahun.

Bateri atom ini mempunyai kelebihan berikut berbanding sumber tenaga sinaran lain:

1. Murahnya.
2. Mesra alam sekitar.
3. Jangka hayat perkhidmatan yang panjang sehingga 100 tahun.
4. Ketoksikan rendah.
5. Keselamatan.
6. Mampu beroperasi dalam keadaan suhu yang melampau.

Isotop radioaktif karbon-14 mempunyai separuh hayat selama 5,700 tahun. Ia sama sekali tidak toksik dan murah.

Bukan sahaja AS dan Rusia, tetapi negara-negara lain juga sedang giat berusaha untuk memodenkan bateri nuklear! Para penyelidik telah belajar untuk mengembangkan filem pada substrat karbida. Hasilnya, kos substrat telah menurun sebanyak 100 kali ganda. Struktur ini tahan terhadap radiasi, menjadikan sumber tenaga ini selamat dan tahan lama. Dengan menggunakan silikon karbida dalam bateri nuklear, adalah mungkin untuk mencapai operasi pada suhu 350 darjah Celsius.

Oleh itu, saintis berjaya mencipta bateri atom dengan tangan mereka sendiri!