La bateria atòmica al món modern

La ciència està progressant i desenvolupant-se actualment. Ja s'ha inventat una bateria nuclear. Aquesta font d'energia pot durar fins a 50, i de vegades fins a 100 anys. Tot depèn de la mida i la substància radioactiva utilitzada.

Rosatom va ser la primera empresa a anunciar la producció d'una bateria nuclear. El 2017, l'empresa va presentar un prototip en una exposició.

Investigadors han aconseguit optimitzar les capes d'una bateria nuclear que utilitza la desintegració beta de l'isòtop níquel-63 per generar electricitat.

1 gram d'aquesta substància conté 3300 mil·liwatts hora.

Com funciona una bateria atòmica

Una bateria atòmica, també coneguda com a generador de calor radioisòtopic (RIHG), és una font d'energia que utilitza el procés de desintegració dels isòtops radioactius per generar calor i, al seu torn, convertir-la en energia elèctrica.

El principi de funcionament d'una bateria atòmica es basa en la desintegració radioactiva, en què els nuclis dels àtoms es desintegren, emetent partícules i energia. Un dels materials més comuns utilitzats en les bateries atòmiques és el plutoni-238, que té una llarga semivida. El plutoni-238 es desintegra en urani-234, emetent partícules alfa. Aquestes partícules contenen una alta energia, que es converteix en calor en interactuar amb l'entorn.

La generació de calor és un pas clau en el funcionament d'una bateria atòmica. La calor es transfereix a través d'un intercanviador de calor a un convertidor termoelèctric. Aquest convertidor conté materials capaços de generar corrent elèctric quan se sotmet a una diferència de temperatura. Així, la calor de la desintegració radioactiva del plutoni-238 es transfereix a un costat del convertidor termoelèctric, creant una diferència de temperatura entre els seus dos costats. Aquesta diferència de temperatura permet la generació d'energia elèctrica mitjançant l'efecte termoelèctric de Seebeck.

L'energia elèctrica generada per un convertidor termoelèctric s'utilitza per alimentar dispositius elèctrics. El principal avantatge de les bateries atòmiques és que proporcionen una font d'energia estable i duradora, que no requereix substitució ni recàrrega durant molts anys. Tanmateix, a causa de l'ús de materials radioactius, les bateries atòmiques comporten certs riscos i requereixen precaucions de seguretat especials durant l'ús i la manipulació.

 

Són perilloses les bateries nuclears?

Els desenvolupadors afirmen que aquestes bateries són completament segures per a la gent corrent. Això es deu al fet que la carcassa està ben dissenyada.

Se sap que la radiació beta és nociva per al cos. Però a la bateria nuclear recentment creada, és suau i s'absorbirà dins de la cèl·lula d'energia.

Actualment, els experts identifiquen diverses indústries en què es preveu utilitzar la bateria nuclear russa A123:

1. Medicament.
2. Indústria espacial.
3. Indústria.
4. Transport.

A més d'aquestes zones, també es poden utilitzar noves fonts d'energia de llarga durada en altres.

Avantatges d'una bateria nuclear

Es destaquen diverses qualitats positives:

• Durabilitat. Poden durar fins a 100.000 anys.
• Capacitat per suportar temperatures crítiques.
• La seva petita mida permet que siguin portàtils i utilitzats en equips compactes.

Desavantatges d'una bateria nuclear

• Complexitat de la producció.
• Hi ha risc d'exposició a la radiació, sobretot si la carcassa està danyada.
• Car. Una sola bateria nuclear pot costar entre 500.000 i 4.500.000 rubles.
• Disponible per a un cercle limitat de persones.
• Petita selecció.

La recerca i el desenvolupament de bateries nuclears no només la duen a terme grans empreses, sinó també estudiants normals. Un estudiant de Tomsk, per exemple, ha desenvolupat la seva pròpia bateria d'energia nuclear que pot funcionar durant aproximadament 12 anys sense recarregar-se. La invenció es basa en la desintegració del triti. Les característiques d'aquesta bateria romanen inalterades al llarg del temps.

Bateria nuclear per a telèfons intel·ligents

A partir del 2019, s'estan produint fonts d'energia nuclear per a telèfons. Tenen un aspecte semblant al que es mostra a la imatge següent.

S'assemblen a un microxip que encaixa en ranures especials d'un telèfon mòbil. Una bateria d'aquest tipus pot durar 20 anys i no cal carregar-la durant aquest temps. Això és possible gràcies al procés de fissió nuclear. Tanmateix, aquesta font d'energia pot ser alarmant per a molts. Al cap i a la fi, tothom sap que la radiació és nociva i perjudicial per al cos. I poques persones gaudirien portant un telèfon així tot el dia.

Però els científics afirmen que aquesta bateria nuclear és completament segura. El triti s'utilitza com a substància activa. La radiació emesa durant la seva desintegració és inofensiva. Podeu veure el triti en acció en un rellotge de quars que brilla a la foscor. La bateria pot suportar temperatures de fins a -50 °C i funciona de manera fiable a temperatures de fins a 150 °C.⁰Alhora, no es van observar fluctuacions en la seva tasca.

Seria bo tenir una bateria així a mà, almenys per recarregar el telèfon amb una bateria normal.

El voltatge d'una bateria d'aquest tipus fluctua entre 0,8 i 2,4 volts. També genera entre 50 i 300 nanoamperes. I tot això passa durant un període de 20 anys.

La capacitat es calcula de la següent manera: C = 0,000001W * 50 anys * 365 dies * 24 hores / 2V = 219mA

La bateria està valorada actualment en 1.122 dòlars. Convertits a rubles al tipus de canvi actual (65,42), això serien 73.400 rubles.

On s'utilitzen les bateries nuclears?

L'àmbit d'aplicació és pràcticament el mateix que el de les bateries convencionals. S'utilitzen en:

• Microelectrònica.
• Sensors de pressió i temperatura.
• Implants.
• Com a bancs d'energia per a bateries de liti.
• Sistemes d'identificació.
• Hores.
• Memòria SRAM.
• Per alimentar processadors de baix consum, com ara FPGA, ASIC.

Aquests no són els únics dispositius; la seva llista s'ampliarà significativament en el futur.

Bateria nuclear de níquel-63 i les seves característiques

Aquesta font d'energia nuclear, basada en l'isòtop 63, pot durar fins a 50 anys. Funciona mitjançant l'efecte beta-voltaic. És gairebé idèntic a l'efecte fotoelèctric. En aquest efecte, els parells electró-forat a la xarxa cristal·lina semiconductora es creen per l'acció d'electrons ràpids o partícules beta. En l'efecte fotoelèctric, es creen per l'acció de fotons.

Una bateria atòmica de níquel-63 es produeix irradiant objectius de níquel-62 en un reactor. L'investigador Gavrilov afirma que aquest procés triga aproximadament un any. Els objectius necessaris ja estan disponibles a Zheleznogorsk.

Si comparem les noves bateries nuclears russes de níquel-63 amb les bateries de liti-ió, seran 30 vegades més petites.

Els experts afirmen que aquestes fonts d'energia són segures per als humans perquè emeten raigs beta febles. A més, no s'alliberen externament, sinó que romanen dins del dispositiu.

Aquesta font d'energia és actualment ideal per a marcapassos mèdics. Tanmateix, els desenvolupadors no han revelat el cost. No obstant això, es pot calcular sense ells. Un gram de Ni-63 actualment costa aproximadament 4.000 dòlars. Per tant, una bateria completament funcional requeriria una inversió important.

Composició d'una bateria nuclear

El níquel-63 s'extreu dels diamants. Tanmateix, l'obtenció d'aquest isòtop va requerir el desenvolupament d'una nova tecnologia per tallar el material de diamant durador.

Una bateria nuclear consta d'un emissor i un col·lector separats per una pel·lícula especial. A mesura que l'element radioactiu es desintegra, emet radiació beta. Això provoca la seva càrrega positiva. Al mateix temps, el col·lector es carrega negativament. Això crea una diferència de potencial, generant un corrent elèctric.

Essencialment, la nostra pila d'energia atòmica és un pastís de capes. 200 fonts d'energia de níquel-63 estan intercalades entre 200 semiconductors de diamant. La font d'energia fa aproximadament 4 mm d'alçada i pesa 250 mil·ligrams. La seva petita mida és un avantatge important per a la bateria atòmica russa.

Trobar les dimensions correctes és difícil. Un isòtop gruixut evitarà que els electrons que produeix s'escapen. Un isòtop prim és desavantatjós, ja que redueix el nombre de desintegracions beta per unitat de temps. El mateix s'aplica al gruix del semiconductor. La bateria funciona millor amb un gruix d'isòtop d'uns 2 micres, mentre que un semiconductor de diamant requereix 10 micres.

Però el que els científics han aconseguit fins ara no és el límit. Les emissions de gasos d'escapament es podrien augmentar com a mínim tres vegades. Això significa que una bateria nuclear es podria fer tres vegades més barata.

Una bateria nuclear de carboni-14 que dura 100 anys.

Aquesta bateria atòmica té els següents avantatges respecte a altres fonts d'energia de radiació:

1. Baratesa.
2. Respectuós amb el medi ambient.
3. Llarga vida útil fins a 100 anys.
4. Baixa toxicitat.
5. Seguretat.
6. Capaç de funcionar en condicions de temperatura extremes.

L'isòtop radioactiu carboni-14 té una vida mitjana de 5.700 anys. És completament no tòxic i barat.

No només els EUA i Rússia, sinó també altres països estan treballant activament per modernitzar les bateries nuclears! Els investigadors han après a fer créixer pel·lícules sobre un substrat de carbur. Com a resultat, el cost del substrat s'ha reduït per un factor de 100. Aquesta estructura és resistent a la radiació, cosa que fa que aquesta font d'energia sigui segura i duradora. Mitjançant l'ús de carbur de silici en bateries nuclears, és possible aconseguir un funcionament a temperatures de 350 graus Celsius.

Així, els científics van aconseguir crear una bateria atòmica amb les seves pròpies mans!