Историята и бъдещето на ядрените батерии и каква всъщност е тяхната енергийна плътност?

През месец януари 2024 г. китайският стартъп Betavolt представи миниатюрната ядрена батерия BV100 с размери 15×15×5 мм, т.е. по-малка от монета. Изобретателите твърдят, че батерията може да захранва дадено електронно устройство в продължение на 50 години, без презареждане или поддръжка.

Към днешна дата това е най-малката ядрена батерия в света, въпреки че няколко западни компании имат опит в миниатюризирането на подобни източници на енергия, а идеята е на почти 70 години.

Принципната схема на BV100 е следната:

Както се вижда, той има слоеста структура, в която се редуват слоеве с радиоактивно вещество (изотоп на никел-63) с дебелина 2 микрона и слоеве с полупроводников изотопен преобразувател на енергия, който събира бета частиците (електроните) след радиоактивния разпад.

Батерията е модулна. Един модул се състои от поне два конвертора и един слой никел-63, но те могат да се добавят в почти всяко количество за сметка на удебеляването на корпуса:

В минималната конфигурация с два конвертора и един слой никел-63 размерът на батерията е 3×3×0,03 мм. При произведения прототип ефективността на преобразуване на енергията е 8,8%.

В стандартната версия батерията осигурява мощност от 100 µW. Според разработчиците тя може да работи непрекъснато, като генерира 8,64 Джаула на ден и 3125 Джаула на година. Енергийната плътност е десет пъти по-голяма от тази на литиевите батерии, а един грам материал съхранява 3300 MW енергия без риск от пожар или експлозия, както при литиевите батерии при нагряване. Ядрената батерия функционира добре в широк температурен диапазон от -60 °C до +120 °C. Енергийната плътност може да се увеличи допълнително чрез използване на по-чист никел-63.

За сравнение, един смартфон с 50% натоварен процесор, с включен Wi-Fi и екран консумира 1857 mW, така че ядрената батерия поне засега не е подходяща за потребителската електроника.

Очевидно Betavolt (основана през 2021 г.) не е стартъп фантом, а реална технологична компания. Най-малкото, в портфолиото им има няколко високотехнологични продукта, които се използват за производството на ядрени батерии, наред с много други неща:

• Диоди на Шотки (с преход метал-полупроводник вместо конвенционален p-n преход);
• диамантен полупроводников изотопен преобразувател на енергия, изработен от легиран с бор диамант като подложка, с плазмено химическо отлагане на пари, с размери 3×20 mm и дебелина 10 µm; устройството се използва при производството на ядрени батерии;
• свръхдългите въглеродни нанотръбички с висока специфична повърхност и проводимост са идеален материал за електродите на суперкондензаторите. Те се получават с помощта на вихров реактор, в който природният газ при температури над 1000 °C се превръща в „мрежа“ от свръхтънки (3-10 nm) и дълги (сантиметри) въглеродни нанотръбички. Този тип въглеродни нанотръбички имат вътрешна якост до 36 GPa и топлопроводимост до 7000 W/m.

Те могат да се използват за изработване на композитни материали за самолети и автомобили (снопове от нанотръбички с дебелина 10 микрона могат да заменят тежките метални проводници и да се използват при производството на тъкани, стоманени въжета и кабели), специални кабели за космическата и други индустрии (плътността на тока е 1000 пъти по-висока от тази в медните проводници, при такава плътност на тока медните проводници се взривяват), ултралеки радиатори и електронни части (топлопроводимост до 759 W/m-K, което е много по-високо от медта (385) и алуминия (247), ултралеки кабели с висока якост (алтернатива на полиамидните полимери), подсилени намотки за автомобили, подводно оборудване и съдове под налягане в химическата промишленост (заместител на въглеродните влакна), суперкондензатори.

• Електрохимични суперкондензатори с висок капацитет (10 µF – 10000 F) и работна температура (-70 °C до 110 °C). Електрохимичният специфичен капацитет на суперкондензаторите, изработени от масиви от въглеродни нанотръбички във водни електролити, е 100-120 F/g, а на композитите от тях – до 500 700 F/g (фарада на грам), при голям брой цикли на презареждане.

• Микрохирургичен диамантен скалпел с твърдост над 105 GPa и радиус на заточване, по-малък от 4 nm, като този, използван в офталмологията, ортопедията, неврохирургията, стоматологията и др. Острието на скалпела е изработено от черен диамантен монокристал и може да се използва и като температурен сензор, което позволява на хирурга да следи температурата на операционната зона в реално време.

Betavolt се надява, че ядрените батерии ще намерят широко приложение в медицинските устройства, включително имплантите (напр. пейсмейкъри), военното оборудване, микроелектромеханичните устройства, микророботите, безпилотните самолети и космическите апарати. Навсякъде, където е необходимо захранване с продължителна автономна работа. Няма външно излъчване извън корпуса, което позволява батерията да се използва в живата тъкан, без да застрашава здравето:

През 2025 г. компанията планира да представи батерия с мощност 1 W.

Всъщност батерии с толкова малък размер и 50-годишен период на работа могат да променят човешката цивилизация. Ако мощността им позволи използването им в мобилните телефони и другите домакински уреди, изборът става очевиден. Появата на пазара на устройства като Swapery (автоматична подмяна на батериите в смартфона за 7 секунди) доказва, че има търсене на подобна услуга: хората не обичат постоянно да включват смартфоните си в контакта.

Историята на ядрените батерии

Идеята за използване на ядрена енергия за домакинските уреди се появява през 50-те години. През 1954 г. американската корпорация RCA представя малка ядрена батерия за малки радиоприемници и слухови апарати:

Оттогава са разработени много видове и методи за извличане на електрическа енергия от ядрените източници. Ядрените батерии могат да бъдат разделени според технологията на преобразуване на енергията на две основни групи: термични и нетермични.

Термичните преобразуватели превръщат част от топлината, генерирана от ядрения разпад, в електричество. Най-известният пример за това е радиоизотопният термоелектрически генератор (RITEG или RTG, radioisotope thermoelectric generator), който често се използва в космическите кораби.

Нетермичните преобразуватели извличат енергия директно от изпускваното лъчение. Техният размер се намалява по-лесно, така че са подходящи за използване за малогабаритни приложения. Най-яркият пример е бетаволтаичната клетка. Всъщност китайските конструктори са представили друга, по-усъвършенствана версия на този дизайн.

Ядрените батерии от този тип имат дълга история. Първите концепции за бетаволтаични клетки се появяват в края на 50-те години на миналия век, след което са забравени, а през 21-ви век технологията получава втори живот и отново се смята за перспективна.

В САЩ с производството на такива елементи се занимават например компаниите Widetronix и City Labs. В момента Widetronix произвежда два вида батерии: Firefli-T на изотопа на водорода 3H, тритий (от 10 nW до 1 µW), и Firefli-N на изотопа на никел-63, каквито имат китайците. Максималната мощност на втория тип батерии е 500 nW.

Тритиевата батерия P200 на City Labs е много по-мощна (100 µW) и масивна: 99×45 mm, при тегло 7,54 гр.

Тези батерии се предлагат в най-различни корпуси.

Както е добре известно, някои страни вече се отказват от ядрената енергия от съображения за безопасност. Малките модулни реактори (SMR) с мощност до 300 MW, които са по-лесни за изграждане и поддръжка, по-евтини и по-безопасни от конвенционалните атомни електроцентрали, някога бяха разглеждани като едно великолепно решение:

Но в Китай, Русия и Аржентина разходите за изграждане на MMR многократно надхвърлиха бюджета, което повдига въпроса за тяхната рентабилност. Тази информация всъщност е доста спорна и през следващите няколко години ще стане ясно дали тази нова технология е по-изгодна от традиционните ядрени реактори.

Интересно е, че периодът на строителство в Китай и Русия, които решиха да изпробват новите реактори, продължи 12-13 години вместо планираните три-четири години (аржентинският проект все още не е завършен след 13 години). Американският проект NuScale трябваше да бъде отменен, когато цената на киловат се повиши от 9964 долара на 21 561 долара. Така че перспективите за MMR поне засега са съмнителни, особено когато разходите за възобновяема енергия драстично намаляват. Не всички изследователи се придържат към тази точка на зрение. Но така или иначе В Европа гражданите вече масово купуват комплекти за слънчеви панели от типа „Направи си сам“, за да поставят соларните панели на своите покриви или просто да декорират балконите си и по този начин да получат немалко количество електрическа енергия.

Въпреки че MMR е под въпрос, ядрената енергия като цяло може да получи втори живот чрез миниатюризация на източниците на енергия. Ако батериите с 50-годишен живот се появят на пазара на достъпна цена и мощността им се увеличи, масовото търсене е на практика гарантирано.

Ако просто си представим, че тази технология се развие, за много устройства (автомобили, смартфони, таблети) самото понятие „батерия“ ще стане отживелица, защото тя ще бъде изначално вградена в схемите на устройството и ще се предполага, че ще работи през целия му живот, подобно на диодите и кондензаторите на дънната платка.

Би било интересно да се изчисли какво разстояние би могъл да измине един конвенционален електромобил с една ядрена батерия. Може би дори при потребителските автомобили понятието „зареждане на батерията“ ще бъде изведено в категорията на архаизмите или ще бъде преместено в категорията на техническия преглед, който се извършва на всеки две години.

Друг интересен факт е, че Китай успява да провежда напредничави научни и технически изследвания в условията на технологични санкции. Всъщност с този проект Китай претендира да бъде световен лидер в разработването на ядрени батерии и диамантени полупроводници от четвърто поколение.