Modern dünyada atom pili

Bilim şu anda ilerliyor ve gelişiyor. Nükleer pil çoktan icat edildi. Bu tür bir enerji kaynağı 50 yıla, hatta bazen 100 yıla kadar dayanabiliyor. Her şey pilin büyüklüğüne ve kullanılan radyoaktif maddeye bağlı.

Rosatom, nükleer pil üretimine başlayacağını duyuran ilk şirketti. Şirket, 2017 yılında bir sergide prototipini tanıttı.

Araştırmacılar, elektrik üretmek için nikel-63 izotopunun beta bozunmasını kullanan bir nükleer bataryanın katmanlarını optimize etmeyi başardılar.

Bu maddenin 1 gramı 3300 milivat saat enerji içerir.

Atom pili nasıl çalışır?

Atom pili, diğer adıyla radyoizotop ısı jeneratörü (RIHG), radyoaktif izotopların bozunma sürecini kullanarak ısı üreten ve bu ısıyı elektrik enerjisine dönüştüren bir güç kaynağıdır.

Atom pillerinin çalışma prensibi, atom çekirdeklerinin parçalanarak parçacıklar ve enerji yaydığı radyoaktif bozunmaya dayanmaktadır. Atom pillerinde en sık kullanılan malzemelerden biri, uzun yarı ömre sahip olan plütonyum-238'dir. Plütonyum-238, alfa parçacıkları yayarak uranyum-234'e bozunur. Bu parçacıklar yüksek enerji içerir ve çevreyle etkileşime girdiklerinde ısıya dönüşürler.

Atom pilinin çalışmasında ısı üretimi önemli bir adımdır. Isı, bir ısı eşanjörü aracılığıyla termoelektrik dönüştürücüye aktarılır. Bu dönüştürücü, sıcaklık farkına maruz kaldığında elektrik akımı üretebilen malzemeler içerir. Böylece, plütonyum-238'in radyoaktif bozunmasından kaynaklanan ısı, termoelektrik dönüştürücünün bir tarafına aktarılarak iki tarafı arasında bir sıcaklık farkı oluşturur. Bu sıcaklık farkı, Seebeck termoelektrik etkisi kullanılarak elektrik enerjisi üretilmesini sağlar.

Termoelektrik dönüştürücü tarafından üretilen elektrik enerjisi, elektrikli cihazlara güç sağlamak için kullanılır. Atom pillerinin en büyük avantajı, uzun yıllar boyunca değiştirilme veya şarj edilme gerektirmeyen, istikrarlı ve uzun ömürlü bir enerji kaynağı sağlamalarıdır. Bununla birlikte, radyoaktif maddelerin kullanımı nedeniyle, atom pilleri belirli riskler taşır ve kullanım ve taşıma sırasında özel güvenlik önlemleri gerektirir.

 

Nükleer bataryalar tehlikeli midir?

Geliştiriciler, bu bataryaların sıradan insanlar için tamamen güvenli olduğunu iddia ediyor. Bunun nedeni, gövdenin iyi tasarlanmış olmasıdır.

Beta radyasyonunun vücut için zararlı olduğu bilinmektedir. Ancak yeni geliştirilen nükleer bataryada beta radyasyonu yumuşaktır ve enerji hücresi tarafından emilecektir.

Uzmanlar şu anda Rusya'nın A123 nükleer bataryasının kullanılmasının planlandığı çeşitli sektörleri belirlemiştir:

1. İlaç.
2. Uzay endüstrisi.
3. Sanayi.
4. Ulaşım.

Bu alanların yanı sıra, yeni ve uzun ömürlü enerji kaynakları başka alanlarda da kullanılabilir.

Nükleer bataryanın avantajları

Bir dizi olumlu özellik vurgulanmıştır:

• Dayanıklılık. 100.000 yıla kadar dayanabilirler.
• Kritik sıcaklıklara dayanabilme yeteneği.
• Küçük boyutları sayesinde taşınabilir hale getirilebilir ve kompakt ekipmanlarda kullanılabilirler.

Nükleer bataryanın dezavantajları

• Üretimin karmaşıklığı.
• Özellikle konut hasar görmüşse, radyasyona maruz kalma riski vardır.
• Pahalı. Tek bir nükleer bataryanın maliyeti 500.000 ile 4.500.000 ruble arasında değişebiliyor.
• Sınırlı sayıda kişiye sunulmaktadır.
• Sınırlı sayıda ürün.

Nükleer batarya araştırma ve geliştirme çalışmaları sadece büyük şirketler tarafından değil, sıradan öğrenciler tarafından da sürdürülüyor. Örneğin, Tomsk'ta bir öğrenci, yaklaşık 12 yıl şarj edilmeden çalışabilen kendi nükleer enerjili bataryasını geliştirdi. Bu buluş, trityumun bozunmasına dayanıyor. Bu bataryanın özellikleri zaman içinde değişmeden kalıyor.

Akıllı telefonlar için nükleer pil

2019 yılı itibariyle, cep telefonları için nükleer enerji kaynakları üretilmeye başlandı. Bunlar aşağıdaki resimde gösterilenlere benziyor.

Bunlar, cep telefonlarındaki özel yuvalara yerleştirilen mikroçiplere benziyor. Bu tür bir pil 20 yıl dayanabiliyor ve bu süre boyunca şarj edilmesine gerek kalmıyor. Bu, nükleer fisyon süreci sayesinde mümkün oluyor. Ancak bu enerji kaynağı birçok kişi için endişe verici olabilir. Sonuçta, herkes radyasyonun vücut için zararlı ve tehlikeli olduğunu biliyor. Ve çok az insan böyle bir telefonu bütün gün yanında taşımaktan hoşlanır.

Ancak bilim insanları bu nükleer pilin tamamen güvenli olduğunu iddia ediyor. Aktif madde olarak trityum kullanılıyor. Bozunması sırasında yayılan radyasyon zararsızdır. Trityumun etkisini karanlıkta parlayan kuvars saatlerde görebilirsiniz. Pil, -50°C'ye kadar düşük sıcaklıklara dayanabilir ve 150°C'ye kadar yüksek sıcaklıklarda güvenilir bir şekilde çalışır.⁰Aynı zamanda, çalışmalarında herhangi bir dalgalanma gözlemlenmedi.

Böyle bir bataryanın el altında bulunması güzel olurdu, en azından telefonunuzu normal bir batarya ile şarj etmek için.

Bu tür bir bataryanın voltajı 0,8 ile 2,4 volt arasında dalgalanır. Ayrıca 50 ile 300 nanoamper arasında akım üretir. Ve tüm bunlar 20 yıllık bir süre boyunca gerçekleşir.

Kapasite aşağıdaki gibi hesaplanır: C = 0,000001W * 50 yıl * 365 gün * 24 saat / 2V = 219mA

Bataryanın mevcut değeri 1.122 dolar. Mevcut döviz kuru (65,42) üzerinden rubleye çevrilirse, bu 73.400 ruble eder.

Nükleer bataryalar nerelerde kullanılır?

Kullanım alanları, geleneksel pillerle neredeyse aynıdır. Şu alanlarda kullanılırlar:

• Mikroelektronik.
• Basınç ve sıcaklık sensörleri.
• İmplantlar.
• Lityum piller için güç bankaları olarak.
• Kimlik sistemleri.
• Saat.
• SRAM bellek.
• FPGA ve ASIC gibi düşük güç tüketimli işlemcilere güç sağlamak için kullanılır.

Bunlar tek cihazlar değil; liste gelecekte önemli ölçüde genişleyecek.

Nikel-63 nükleer bataryası ve özellikleri

63 izotopuna dayalı bu nükleer enerji kaynağı 50 yıla kadar dayanabilir. Beta-voltaik etkiyle çalışır. Fotoelektrik etkiye neredeyse tamamen benzer. Bu etkide, yarı iletken kristal kafesindeki elektron-delik çiftleri, hızlı elektronların veya beta parçacıklarının etkisiyle oluşur. Fotoelektrik etkide ise bunlar fotonların etkisiyle oluşur.

Nikel-63 atomik pili, bir reaktörde nikel-62 hedeflerinin ışınlanmasıyla üretiliyor. Araştırmacı Gavrilov, bu sürecin yaklaşık bir yıl sürdüğünü iddia ediyor. Gerekli hedefler Zheleznogorsk'ta zaten mevcut.

Yeni Rus yapımı nikel-63 nükleer pilleri lityum-iyon pillerle karşılaştırırsak, 30 kat daha küçük olacaklar.

Uzmanlar, bu enerji kaynaklarının zayıf beta ışınları yaydıkları için insanlar için güvenli olduğunu iddia ediyor. Dahası, bu ışınlar dışarıya salınmıyor, cihazın içinde kalıyor.

Bu güç kaynağı şu anda tıbbi kalp pilleri için idealdir. Ancak geliştiriciler maliyeti açıklamadılar. Bununla birlikte, maliyet onlarsız da hesaplanabilir. Bir gram Ni-63'ün şu anki fiyatı yaklaşık 4.000 dolardır. Bu nedenle, tamamen işlevsel bir pil önemli bir yatırım gerektirecektir.

Nükleer pilin bileşimi

Nikel-63 elmaslardan elde edilir. Ancak bu izotopu elde etmek, dayanıklı elmas malzemesini kesmek için yeni bir teknolojinin geliştirilmesini gerektirmiştir.

Nükleer pil, özel bir filmle ayrılmış bir yayıcı ve bir toplayıcıdan oluşur. Radyoaktif element bozunurken beta radyasyonu yayar. Bu, pozitif yüke sahip olmasına neden olur. Aynı zamanda, toplayıcı negatif yüklenir. Bu, bir potansiyel farkı oluşturarak elektrik akımı üretir.

Esasen, atomik güç hücremiz katmanlı bir pasta şeklindedir. 200 adet nikel-63 güç kaynağı, 200 adet elmas yarı iletken arasına yerleştirilmiştir. Güç kaynağı yaklaşık 4 mm yüksekliğinde ve 250 miligram ağırlığındadır. Küçük boyutu, Rus atom pilinin en büyük avantajlarından biridir.

Doğru boyutları bulmak zordur. Kalın bir izotop, ürettiği elektronların kaçmasını engeller. İnce bir izotop ise dezavantajlıdır, çünkü birim zamandaki beta bozunmalarının sayısını azaltır. Aynı durum yarı iletkenin kalınlığı için de geçerlidir. Pil, yaklaşık 2 mikronluk bir izotop kalınlığıyla en iyi performansı gösterirken, elmas yarı iletken 10 mikron gerektirir.

Ancak bilim insanlarının şu ana kadar başardıkları sınır değil. Egzoz emisyonları en az üç kat artırılabilir. Bu da nükleer bataryanın üç kat daha ucuz hale getirilebileceği anlamına geliyor.

100 yıl dayanabilen karbon-14 nükleer pil.

Bu atomik pilin diğer radyasyon enerjisi kaynaklarına göre aşağıdaki avantajları vardır:

1. Ucuzluk.
2. Çevre dostu.
3. 100 yıla kadar uzun hizmet ömrü.
4. Düşük toksisite.
5. Emniyet.
6. Aşırı sıcaklık koşullarında çalışabilme özelliğine sahiptir.

Radyoaktif izotop karbon-14'ün yarı ömrü 5.700 yıldır. Tamamen zehirsiz ve ucuzdur.

Sadece ABD ve Rusya değil, diğer ülkeler de nükleer bataryaları modernize etmek için aktif olarak çalışıyor! Araştırmacılar, karbür bir alt tabaka üzerinde film büyütmeyi öğrendiler. Sonuç olarak, alt tabakanın maliyeti 100 kat azaldı. Bu yapı radyasyona dayanıklı olduğundan, bu enerji kaynağını güvenli ve dayanıklı hale getiriyor. Nükleer bataryalarda silisyum karbür kullanılarak, 350 derece Celsius sıcaklıkta çalışma elde etmek mümkün.

Böylece bilim insanları kendi elleriyle atom pili üretmeyi başardılar!