原型核电池组10倍以上功率

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来自莫斯科物理与技术研究所(MIPT)、超硬和新型碳材料技术研究所(TISNCM)的俄罗斯研究人员和美国国立科学技术大学MISIS已经优化了由Beta de产生的核电池的设计。一种放射性同位素镍-63。他们的新电池原型每克能量约为3300毫瓦小时,这比基于镍-63的任何其他核电池都要多,是商业化学电池比能量的10倍。这篇论文发表在《钻石与相关材料》杂志上。

常规电池

普通电池供电时钟,手电筒,玩具,和其他紧凑的自主电气设备使用所谓的氧化还原化学反应的能量。在它们中,电子通过电解质从一个电极转移到另一个电极。这会引起电极之间的电位差。如果两个电池端子然后通过导体连接,电子开始流动以消除电势差,产生电流。化学电池,也被称为原电池,其特征在于高功率密度,即,所产生的电流的功率与电池体积之间的比率。然而,化学电池在相对短的时间内放电,限制了它们在自主设备中的应用。这些电池中的一些被称为蓄电池,可再充电,但即使充电也需要更换。这可能是危险的,就像在心脏起搏器的情况下,甚至是不可能的,如果电池为航天器供电。

核电池:历史

幸运的是,化学反应只是电力的可能来源之一。早在1913,Henry Moseley发明了第一个基于放射性衰变的发电机。他的核电池由一个镀银玻璃球组成,内部有一个镭射发射器安装在隔离电极的中心。由镭的β衰变引起的电子在银膜和中心电极之间产生电位差。然而,该装置的闲置电压太高-几十千伏-并且电流对于实际应用来说太低。

1953,Paul Rappaport提出使用半导体材料将β衰变能量转化为电能。β粒子——由放射源发射的电子和正电子电离半导体的原子,产生未补偿的电荷载流子。在p-n结构的静电场的存在下,电荷在一个方向上流动,从而产生电流。由β衰变供电的电池被称为倍增钒酸盐。β细胞在原电池上的主要优势是它们的寿命:核电池中使用的放射性同位素有几十到几百年的半衰期,所以它们的功率输出在很长一段时间内几乎保持不变。不幸的是,βV细胞的功率密度明显低于它们的电流密度。尽管如此,在七十年代,Beta ValoTaic实际上被用于给心脏起搏器供电,之后被更便宜的锂离子电池淘汰,即使后者具有更短的寿命。

Beta电压源不应与放射性同位素热电发电机或RTGS混淆,它们也被称为核电池,而是以不同的原理操作。热电电池利用热电偶将放射性衰变释放的热量转换为电能。RTGS的效率仅为百分之几,并取决于温度。但由于其长寿命和相对简单的设计,热电动力源被广泛应用于航天器,如新地平线探测器和火星探测器好奇号。RTGS以前曾用于无人驾驶的远程设施,如灯塔和自动气象站。然而,这种做法被放弃了,因为使用过的放射性燃料很难回收并泄漏到环境中。

十倍的功率

由MIIPT的纳米结构物理和化学主任Vladimir Blank领导的一个研究小组提出了一种将核电池的功率密度提高近十倍的方法。物理学家开发和制造了一种使用镍-63作为辐射源和基于肖特基势垒的金刚石二极管进行能量转换的倍增钒电池。原型电池实现了约1微瓦的输出功率,而每立方厘米的功率密度为10微瓦,这足以满足现代人工起搏器的需要。镍-63的半衰期为100年,因此电池每包1毫瓦的功率约为3300毫瓦,比电化学电池多10倍。

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图1。核电池设计信用:BrimHoov公司和钻石及相关材料。

核电池原型由200个金刚石转化器与镍-63和稳定的镍箔层组成(图1)。转换器产生的功率取决于镍箔和转换器本身的厚度,因为两者都会影响多少β粒子被吸收。目前可用的核电池原型优化得很差,因为它们的体积过大。如果β辐射源太厚,它发射的电子就不能逃逸。这种效应被称为自吸收。然而,随着源的变薄,每单位时间经历β衰变的原子的数量成比例地减少。类似的推理适用于转换器的厚度。

WPAP6023 602IMG WPAP60300 1BR原型核电池。信用:超硬和新型碳材料技术研究所

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