В МИФИ создали прототип ядерной батарейки мощностью до единиц кВт

Группа российских ученых создала прототип автономного радиоизотопного источника питания средней мощности (от 1 мВт до 100 Вт). Он использует бета-распад никеля-63. Эта разработка открывает новые способы масштабирования данных элементов для получения больших мощностей при уменьшении размера энергоносителя. Теоретическая часть исследования была опубликована в журнале Applied Physics Letters, о практической разработке сообщает пресс-релиз, поступивший в нашу редакцию.

Ядерные (радиоизотопные, атомные) батарейки – это источник тока, в котором в электричество преобразовывается энергия радиоактивного распада метастабильных ядер. Подобные источники энергии автономны и могут годы работать без подзарядки. Они были бы незаменимы в труднодоступных местах, например, на Арктических территориях или в космосе. Также ядерные батарейки могут быть полезны в связи и медицине в случаях, когда из-за специфики работы невозможна оперативная замена источника энергии. При создании такой батареи важно учесть несколько факторов. Во-первых, найти подходящий радиоизотоп, в котором отсутствует гамма-излучение. Во-вторых, выбрать схему преобразования энергии ядерного распада. На этом строится безопасность и энергоемкость источника питания.

Российские физики создали систему, в основе которой – бета-распад никеля-63. В ней значительно увеличен токовый сигнал благодаря тому, что генерация вторичных электронов происходит непосредственно внутри наноструктурированных пленок никеля. При окислении такой пленки поверх металлического ядра нанокластера образуется оксидная оболочка. Малые размеры нанокластеров (2-15 нм) приводят к проявлению квантовых свойств, благодаря которым возможна эмиссия фотонов заданной длины волны при нагреве и последующая настройка спектра излучения системы под требуемый диапазон длин волн. Это позволит увеличить эффективность работы источников питания, часть энергии которых безвозвратно тратится на тепло.

Более того, для никеля-63, который испускает мягкое бета-излучение, легко создать физическую защиту, что делает его применение доступным в гражданском секторе. КПД преобразования теплового излучения системы не ниже 15%. Это более чем в два раза превосходит КПД преобразования радиоизотопных батареек, выполненных по технологии радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ), которая использовалась ранее.

В процессе работы авторы исследования также описали технические характеристики прототипа и создали конструкторскую документацию для масштабирования разработки.