La batteria atomica nel mondo moderno

La scienza è in continuo progresso e sviluppo. È già stata inventata una batteria nucleare. Una simile fonte di energia può durare fino a 50, e talvolta fino a 100 anni. Tutto dipende dalle dimensioni e dalla sostanza radioattiva utilizzata.

Rosatom è stata la prima ad annunciare la produzione di una batteria nucleare. Nel 2017, l'azienda ha presentato un prototipo in una fiera.

I ricercatori sono riusciti a ottimizzare gli strati di una batteria nucleare che sfrutta il decadimento beta dell'isotopo nichel-63 per generare elettricità.

1 grammo di questa sostanza contiene 3300 milliwattora.

Come funziona una batteria atomica

Una batteria atomica, nota anche come generatore di calore a radioisotopi (RIHG), è una fonte di energia che sfrutta il processo di decadimento degli isotopi radioattivi per generare calore e, a sua volta, convertirlo in energia elettrica.

Il principio di funzionamento di una batteria atomica si basa sul decadimento radioattivo, in cui i nuclei degli atomi si disintegrano, emettendo particelle ed energia. Uno dei materiali più comuni utilizzati nelle batterie atomiche è il plutonio-238, che ha una lunga emivita. Il plutonio-238 decade in uranio-234, emettendo particelle alfa. Queste particelle contengono un'elevata energia, che viene convertita in calore quando interagiscono con l'ambiente.

La generazione di calore è un passaggio fondamentale nel funzionamento di una batteria atomica. Il calore viene trasferito attraverso uno scambiatore di calore a un convertitore termoelettrico. Questo convertitore contiene materiali in grado di generare corrente elettrica quando sottoposti a una differenza di temperatura. Pertanto, il calore derivante dal decadimento radioattivo del plutonio-238 viene trasferito a un lato del convertitore termoelettrico, creando una differenza di temperatura tra i due lati. Questa differenza di temperatura consente la generazione di energia elettrica utilizzando l'effetto termoelettrico di Seebeck.

L'energia elettrica generata da un convertitore termoelettrico viene utilizzata per alimentare dispositivi elettrici. Il vantaggio principale delle batterie atomiche è che forniscono una fonte di energia stabile e di lunga durata, che non richiede sostituzioni o ricariche per molti anni. Tuttavia, a causa dell'utilizzo di materiali radioattivi, le batterie atomiche comportano determinati rischi e richiedono speciali precauzioni di sicurezza durante l'uso e la manipolazione.

 

Le batterie nucleari sono pericolose?

Gli sviluppatori sostengono che queste batterie sono completamente sicure per le persone comuni, grazie al design ben studiato dell'involucro.

È noto che le radiazioni beta sono dannose per l'organismo. Ma nella nuova batteria nucleare, sono morbide e verranno assorbite dalla cella energetica.

Attualmente gli esperti hanno individuato diversi settori nei quali si prevede di utilizzare la batteria nucleare russa A123:

1. Medicinale.
2. Industria spaziale.
3. Industria.
4. Trasporto.

Oltre a questi settori, anche in altri possono essere utilizzate nuove fonti di energia a lunga durata.

Vantaggi di una batteria nucleare

Vengono evidenziate alcune qualità positive:

• Durata. Possono durare fino a 100.000 anni.
• Capacità di resistere a temperature critiche.
• Le loro dimensioni ridotte consentono di renderli portatili e di utilizzarli in apparecchiature compatte.

Svantaggi di una batteria nucleare

• Complessità della produzione.
• Esiste il rischio di esposizione alle radiazioni, soprattutto se l'alloggiamento è danneggiato.
• Costoso. Una singola batteria nucleare può costare tra 500.000 e 4.500.000 rubli.
• Disponibile per una cerchia limitata di persone.
• Piccola selezione.

La ricerca e lo sviluppo di batterie nucleari sono portati avanti non solo dalle grandi aziende, ma anche da semplici studenti. Uno studente di Tomsk, ad esempio, ha sviluppato una propria batteria a propulsione nucleare che può funzionare per circa 12 anni senza bisogno di essere ricaricata. L'invenzione si basa sul decadimento del trizio. Le caratteristiche di questa batteria rimangono invariate nel tempo.

Batteria nucleare per smartphone

A partire dal 2019, vengono prodotte fonti di energia nucleare per i telefoni. Sono simili a quelle mostrate nell'immagine qui sotto.

Assomigliano a un microchip che si inserisce in appositi slot di un telefono cellulare. Una batteria del genere può durare 20 anni e non ha bisogno di essere ricaricata durante questo periodo. Questo è possibile grazie al processo di fissione nucleare. Tuttavia, questa fonte di energia potrebbe destare preoccupazione in molti. Dopotutto, tutti sanno che le radiazioni sono dannose e dannose per l'organismo. E poche persone apprezzerebbero portare con sé un telefono del genere tutto il giorno.

Ma gli scienziati sostengono che questa batteria nucleare sia completamente sicura. Il principio attivo utilizzato è il trizio. Le radiazioni emesse durante il suo decadimento sono innocue. È possibile osservare il trizio in azione su un orologio al quarzo fosforescente. La batteria può resistere a temperature fino a -50 °C e funziona in modo affidabile fino a 150 °C.⁰Allo stesso tempo non sono state notate fluttuazioni nel suo lavoro.

Sarebbe bello avere a portata di mano una batteria del genere, almeno per ricaricare il telefono con una batteria normale.

La tensione di una batteria di questo tipo oscilla tra 0,8 e 2,4 volt. Genera inoltre tra 50 e 300 nanoampere. E tutto questo avviene nell'arco di 20 anni.

La capacità è calcolata come segue: C = 0,000001W * 50 anni * 365 giorni * 24 ore / 2V = 219mA

Il valore attuale della batteria è di 1.122 dollari. Convertito in rubli al tasso di cambio attuale (65,42), il valore sarebbe di 73.400 rubli.

Dove vengono utilizzate le batterie nucleari?

Il loro campo di applicazione è praticamente lo stesso delle batterie convenzionali. Vengono utilizzate in:

• Microelettronica.
• Sensori di pressione e temperatura.
• Impianti.
• Come power bank per batterie al litio.
• Sistemi di identificazione.
• Ore.
• Memoria SRAM.
• Per alimentare processori a basso consumo, come FPGA, ASIC.

Questi non sono gli unici dispositivi: il loro elenco si amplierà notevolmente in futuro.

Batteria nucleare al nichel-63 e sue caratteristiche

Questa fonte di energia nucleare, basata sull'isotopo 63, può durare fino a 50 anni. Funziona tramite l'effetto beta-voltaico. È quasi identico all'effetto fotoelettrico. In questo effetto, le coppie elettrone-lacuna nel reticolo cristallino del semiconduttore vengono create dall'azione di elettroni veloci o particelle beta. Nell'effetto fotoelettrico, vengono create dall'azione dei fotoni.

Una batteria atomica al nichel-63 viene prodotta irradiando bersagli di nichel-62 in un reattore. Il ricercatore Gavrilov sostiene che questo processo richiede circa un anno. I bersagli necessari sono già disponibili a Zheleznogorsk.

Se confrontiamo le nuove batterie nucleari russe al nichel-63 con quelle agli ioni di litio, saranno 30 volte più piccole.

Gli esperti sostengono che queste fonti di energia sono sicure per gli esseri umani perché emettono deboli raggi beta. Inoltre, non vengono rilasciati all'esterno, ma rimangono all'interno del dispositivo.

Questa fonte di energia è attualmente ideale per i pacemaker medicali. Tuttavia, gli sviluppatori non ne hanno rivelato il costo. Tuttavia, è possibile calcolarlo senza di essi. Un grammo di Ni-63 costa attualmente circa 4.000 dollari. Pertanto, una batteria completamente funzionante richiederebbe un investimento significativo.

Composizione di una batteria nucleare

Il nichel-63 viene estratto dai diamanti. Tuttavia, l'ottenimento di questo isotopo ha richiesto lo sviluppo di una nuova tecnologia per il taglio del diamante, un materiale durevole.

Una batteria nucleare è costituita da un emettitore e un collettore separati da una pellicola speciale. Quando l'elemento radioattivo decade, emette radiazioni beta. Questo si traduce nella sua carica positiva. Allo stesso tempo, il collettore si carica negativamente. Questo crea una differenza di potenziale, generando una corrente elettrica.

In sostanza, la nostra cella atomica è una torta a strati. 200 fonti di energia al nichel-63 sono inserite tra 200 semiconduttori al diamante. La fonte di energia è alta circa 4 mm e pesa 250 milligrammi. Le sue dimensioni ridotte rappresentano un vantaggio importante per la batteria atomica russa.

Trovare le dimensioni giuste è difficile. Un isotopo spesso impedirà agli elettroni che produce di fuoriuscire. Un isotopo sottile è svantaggioso, poiché riduce il numero di decadimenti beta per unità di tempo. Lo stesso vale per lo spessore del semiconduttore. La batteria funziona al meglio con uno spessore dell'isotopo di circa 2 micron, mentre un semiconduttore di diamante richiede 10 micron.

Ma ciò che gli scienziati hanno ottenuto finora non rappresenta il limite. Le emissioni di scarico potrebbero essere aumentate di almeno tre volte. Ciò significa che una batteria nucleare potrebbe essere resa tre volte più economica.

Una batteria nucleare al carbonio-14 che dura 100 anni.

Questa batteria atomica presenta i seguenti vantaggi rispetto ad altre fonti di energia radiante:

1. Economicità.
2. Rispettoso dell'ambiente.
3. Lunga durata utile fino a 100 anni.
4. Bassa tossicità.
5. Sicurezza.
6. In grado di funzionare in condizioni di temperatura estreme.

L'isotopo radioattivo carbonio-14 ha un'emivita di 5.700 anni. È completamente atossico e poco costoso.

Non solo Stati Uniti e Russia, ma anche altri Paesi stanno lavorando attivamente per modernizzare le batterie nucleari! I ricercatori hanno imparato a far crescere una pellicola su un substrato di carburo. Di conseguenza, il costo del substrato è diminuito di un fattore 100. Questa struttura è resistente alle radiazioni, rendendo questa fonte di energia sicura e durevole. Utilizzando il carburo di silicio nelle batterie nucleari, è possibile raggiungere temperature di funzionamento di 350 gradi Celsius.

Così gli scienziati sono riusciti a creare una batteria atomica con le proprie mani!