История и будущее ядерных батареек

В январе 2024 года китайский стартап Betavolt ^[1] представил миниатюрную ядерную батарейку BV100 ^[2] размером 15×15×5 мм, то есть меньше монеты, о ней вкратце упоминали ^[3] на Хабре. По заявлениям изобретателей, батарея может обеспечить питание электронного устройства на протяжении 50 лет, без подзарядки или обслуживания.

На сегодняшний день это самая маленькая в мире ядерная батарейка, хотя у нескольких западных компаний есть опыт миниатюризации подобных источников питания, а вообще идее почти 70 лет.

Схема BV100 выглядит следующим образом ^[4]:

Как видим, у неё слоистая структура, где чередуются слои с радиоактивным веществом (изотоп никель-63) толщиной 2 мкм и слои с полупроводниковым преобразователем энергии изотопов ^[5], который собирает бета-частицы (электроны) после радиоактивного распада.

Лазерный полупроводниковый преобразователь энергии изотопов, фото: Betavolt ^[5]

Батарейка модульная. Один модуль состоит как минимум из двух конвертеров и одного слоя никеля-63, но их можно добавлять практически в любом количестве за счёт утолщения корпуса:

В минимальном варианте с двумя конвертерами и одним слоем никеля-63 размер батарейки составляет 3×3×0,03 мм. В изготовленном прототипе коэффициент преобразования энергии 8,8%.

В стандартном исполнении батарея выдаёт 100 мкВт. По словам ^[4] разработчиков, она может работать непрерывно, генерируя 8,64 Дж в сутки и 3125 Дж в год. Плотность энергии десятикратно превышает показатель литиевых батареек, а один грамм материала хранит 3300 мВт·ч энергии без опасности возгорания или взрыва, как у литиевых аккумуляторов при нагреве. Ядерная батарейка хорошо функционирует в диапазоне температур от −60 °С до +120 °С. Плотность энергии можно ещё больше увеличить, если использовать более чистый никель-63.

Для сравнения, смартфон на 50% CPU, с Wi-Fi и включённым экраном потребляет 1857 мВт ^[6], поэтому ядерная батарея в данный момент не подходит для бытовой электроники.

Судя по всему, Betavolt (основана в 2021 г.) — не фантомный стартап, а реальная технологическая компания. По крайней мере, в их портфеле несколько высокотехнологичных продуктов ^[7], которые применяются в том числе для изготовления ядерных батареек:

• диоды Шоттки ^[8] (с переходом металл-полупроводник вместо обычного p-n-перехода);
• алмазный полупроводниковый преобразователь ^[5] энергии изотопов, изготовленный из легированного бором алмаза в качестве подложки, с плазменным химическим паровым осаждением, размер 3×20 мм с толщиной 10 мкм, устройство используется в производстве ядерных батарей;
• сверхдлинные углеродные нанотрубки ^[9] с высокой удельной поверхностью и проводимостью представляют собой идеальный материал для электродов суперконденсаторов. Выращиваются с помощью вихревого реактора, в котором природный газ при температуре выше 1000 °C превращается в «паутину» из ультратонких (3-10 нм) и длинных (сантиметры) углеродных нанотрубок. Этот тип углеродных нанотрубок обладает собственной прочностью до 36 ГПа и теплопроводностью до 7000 Вт/м.

  

  Из них можно делать композитные материалы для самолётов и автомобилей (пучки нанотрубок толщиной 10 микрон могут служить заменой тяжёлым металлическим проводам и использоваться в производстве тканей, стальных канатов и тросов), специальные кабели для аэрокосмической и других отраслей (плотность тока в 1000 раз выше, чем в медных проводах, при такой плотности тока медные провода взрываются), cверхлёгкие теплоотводы и электронные детали (теплопроводность до 759 Вт/м·К, что значительно выше меди (385) и алюминия (247), сверхлёгкие высокопрочные кабели (альтернатива полиамидным полимерам), упрочнённые обмотки для автомобилей, подводного оборудования и сосудов высокого давления в химическом машиностроении (замена углеродного волокна), суперконденсаторы.;

• электрохимические суперконденсаторы ^[10] с высокой ёмкостью (10 мкФ − 10000 Ф) и рабочей температурой (от −70 °C до 110 °C). Электрохимическая удельная ёмкость суперконденсаторов из массивов углеродных нанотрубок в водных электролитах составляет 100−120 Ф/г, а композитов из них — до 500 700 Ф/г, с большим количеством циклов перезарядки.
  

• микрохирургический алмазный скальпель ^[11] с твёрдостью более 105 ГПа и радиусом заточки менее 4 нм, такие используются в офтальмологии, ортопедии, нейрохирургии, стоматологии и т. д. Лезвие скальпеля изготовлено из монокристалла чёрного алмаза, оно также может использоваться в качестве датчика температуры, позволяя хирургу контролировать температуру операционной зоны в реальном времени.

Betavolt надеется, что ядерные батарейки найдут широкое применение в медицинских устройствах, в том числе имплантатах (например, кардиостимуляторы), военном оборудовании, микроэлектромеханических устройствах, микророботах, беспилотниках, аэрокосмической отрасли. Везде, где нужны источники питания с длительным сроком действия. Внешняя радиация за пределами корпуса отсутствует, что позволяет применять батарейку внутри живой ткани без угрозы здоровью:

В 2025 году производитель планирует выпустить батарейку на 1 Вт.

На самом деле, батарейки такого маленького размера с зарядом на 50 лет могут изменить человеческую цивилизацию. Если мощность позволит использовать их в мобильных телефонах и другой бытовой технике, то выбор становится очевидным. Появление на рынке устройств типа Swapery ^[12] (автоматическая замена аккумуляторов в смартфоне за 7 секунд) доказывает, что спрос на подобную услугу есть: людям не нравится постоянно подключать смартфоны к розетке.

▍ История ядерных батареек

Идея использовать ядерную энергию для бытовых устройств появилась в 50-е гг. В 1954 году американская корпорация RCA представила небольшую атомную батарею для маленьких радиоприёмников и слуховых аппаратов ^[13]:

Из журнала «Популярная механика», январь 1954 г.

С тех времён разработано множество типов и методов извлечения электрической энергии из ядерных источников. Ядерные батареи можно разделить по технологии преобразования энергии на две основные группы: термические и нетермические.

1. Термические преобразователи преобразуют часть тепла, выделяемого при ядерном распаде, в электричество. Наиболее ярким примером является радиоизотопный термоэлектрический генератор ^[14] (РИТЭГ), часто используемый в космических аппаратах.
   

   Схема РИТЭГа, используемого на космическом аппарате «Кассини-Гюйгенс», источник ^[15]

   Ядерный реактор типа РИТЭГ — практически безальтернативный вариант двигателя для ряда космических миссий: от длительных межзвёздных перелётов до обустройства постоянных баз на других планетах, в том числе на Марсе.

2. Нетермические преобразователи извлекают энергию непосредственно из испускаемого излучения. Их проще уменьшить в размерах, поэтому они подходят для использования в малогабаритных приложениях. Наиболее ярким примером является бетавольтаический элемент. Собственно, китайские конструкторы представили очередной, более совершенный вариант такой конструкции.

   Ядерные батарейки такого типа имеют давнюю историю ^[16]. Первые концепты бетавольтаических элементов появились в конце 50-х, потом они были забыты, а в 21 веке технология получила вторую жизнь и снова считается перспективной.

   В США производством таких элементов занимаются, например, компании Widetronix ^[17] и City Labs ^[18]. В данный момент Widetronix выпускает два типа батареек ^[19]: Firefli-T на изотопе водорода ³H, тритие (от 10 нВт до 1 мкВт), и Firefli-N на изотопе никеля-63, как у китайцев. Максимальная мощность второго типа батареек 500 нВт.

   
   Образец бетавольтаической батареи Widetronix. В прототипе 2009 года ^[16] использовались слои карбида кремния и металлической фольги с изотопом трития. Когда высокоэнергетические электроны после распада трития попадают на карбид кремния, в нём возникает электрический ток, который выходит через металлические контакты. Такие батареи рассчитаны на 25 лет службы

   Тритиевая батарея P200 ^[20] от City Labs гораздо мощнее (100 мкВт) и массивнее: 99×45 мм, вес 7,54 г.

   

   Хотя есть разные корпусировки ^[21].

Как известно, некоторые страны сейчас отказываются от ядерной энергии по причинам безопасности. В качестве решения когда-то рассматривались малые модульные реакторы ^[22] (ММР) до 300 МВт, которые проще в строительстве и обслуживании, дешевле и безопаснее обычных АЭС:

Но в Китае, России и Аргентине расходы на строительство ММР многократно превысили бюджет ^[23], что ставит под сомнение их экономичность:

Кроме того, сроки строительства в Китае и РФ растянулись на 12−13 лет вместо запланированных трёх-четырёх (аргентинский спустя 13 лет ещё не достроен). Американский проект ММР NuScale пришлось свернуть ^[24], когда себестоимость киловатта выросла с $9964 до $21 561. Так что перспективы ММР сейчас сомнительны, особенно когда себестоимость возобновляемой энергии кардинально снижается. В Европе граждане массово скупают ^[25] DIY-комплекты солнечных батарей для оформления балконов.

Хотя ММР под вопросом, но в целом ядерная энергетика может получить вторую жизнь благодаря миниатюризации источников питания. Если батарейки со сроком работы 50 лет выйдут на рынок по доступной цене, а их мощность будет увеличена, то массовый спрос практически гарантирован.

Если пофантазировать, то для многих устройств (автомобили, смартфоны, планшеты) само понятие «аккумулятор» устареет, потому что он будет изначально встроен в схему устройства и предполагать работу на протяжении всего срока его службы, как диоды и конденсаторы на материнской плате.

Интересно посчитать, на какое расстояние сможет проехать обычный электромобиль на одной ядерной батарейке. Возможно, даже в потребительских машинах понятие «зарядить аккумулятор» отойдёт в разряд архаизмов или переместится в категорию техосмотра, который производится раз в два года.

Интересен ещё и тот факт, что в условиях технологических санкций Китаю удаётся вести передовые научно-технические исследования. По сути, с этим проектом Китай претендует на роль мирового лидера в разработке ядерных батарей и алмазных полупроводников четвёртого поколения.