סוללת האטום בעולם המודרני

המדע מתקדם ומתפתח כעת. סוללה גרעינית כבר הומצאה. מקור אנרגיה כזה יכול להחזיק מעמד עד 50, ולפעמים עד 100 שנים. הכל תלוי בגודל ובחומר הרדיואקטיבי בו נעשה שימוש.

רוזאטום הייתה הראשונה להכריז על ייצור סוללה גרעינית. בשנת 2017 הציגה החברה אב טיפוס בתערוכה.

חוקרים הצליחו לייעל את השכבות של סוללה גרעינית המשתמשת בדעיכת בטא של האיזוטופ ניקל-63 כדי לייצר חשמל.

גרם אחד של חומר זה מכיל 3300 מיליוואט-שעה.

כיצד פועלת סוללה אטומית

סוללה אטומית, המכונה גם מחולל חום רדיואיזוטופי (RIHG), היא מקור כוח המשתמש בתהליך הדעיכה של איזוטופים רדיואקטיביים כדי לייצר חום, ובתורו, להמיר אותו לאנרגיה חשמלית.

עקרון הפעולה של סוללה אטומית מבוסס על דעיכה רדיואקטיבית, שבה גרעיני האטומים מתפרקים, פולטים חלקיקים ואנרגיה. אחד החומרים הנפוצים ביותר המשמשים בסוללות אטומיות הוא פלוטוניום-238, בעל זמן מחצית חיים ארוך. פלוטוניום-238 מתפרק לאורניום-234, ופולט חלקיקי אלפא. חלקיקים אלה מכילים אנרגיה גבוהה, המומרת לחום כאשר היא מקיימת אינטראקציה עם הסביבה.

יצירת חום היא שלב מפתח בפעולתה של סוללה אטומית. חום מועבר דרך מחליף חום לממיר תרמואלקטרי. ממיר זה מכיל חומרים המסוגלים לייצר זרם חשמלי כאשר הוא נתון להפרש טמפרטורה. לפיכך, חום מהדעיכה הרדיואקטיבית של פלוטוניום-238 מועבר לצד אחד של הממיר התרמואלקטרי, ויוצר הפרש טמפרטורה בין שני צדדיו. הפרש טמפרטורה זה מאפשר יצירת אנרגיה חשמלית באמצעות אפקט תרמואלקטרי של זיבק.

האנרגיה החשמלית הנוצרת על ידי ממיר תרמואלקטרי משמשת להפעלת מכשירים חשמליים. היתרון העיקרי של סוללות אטומיות הוא שהן מספקות מקור אנרגיה יציב ועמיד לאורך זמן, שאינו דורש החלפה או טעינה מחדש במשך שנים רבות. עם זאת, עקב השימוש בחומרים רדיואקטיביים, סוללות אטומיות נושאות סיכונים מסוימים ודורשות אמצעי זהירות מיוחדים במהלך השימוש והטיפול.

 

האם סוללות גרעיניות מסוכנות?

המפתחים טוענים כי סוללות אלו בטוחות לחלוטין עבור אנשים רגילים. הסיבה לכך היא שהמארז מעוצב היטב.

קרינת בטא ידועה כמזיקה לגוף. אך בסוללה הגרעינית החדשה, היא רכה ותיספג בתוך תא האנרגיה.

נכון לעכשיו, מומחים מזהים מספר תעשיות בהן מתוכננת להשתמש בסוללה הגרעינית A123 הרוסית:

1. תרופה.
2. תעשיית החלל.
3. תַעֲשִׂיָה.
4. תַחְבּוּרָה.

מלבד אזורים אלה, ניתן להשתמש במקורות אנרגיה חדשים ועמידים לאורך זמן גם באחרים.

יתרונות של סוללה גרעינית

מספר תכונות חיוביות מודגשות:

• עמידות. הם יכולים להחזיק מעמד עד 100,000 שנים.
• יכולת עמידה בטמפרטורות קריטיות.
• גודלם הקטן מאפשר להם להיות ניידים ושימושיים בציוד קומפקטי.

חסרונות של סוללה גרעינית

• מורכבות הייצור.
• קיים סיכון לחשיפה לקרינה, במיוחד אם המארז ניזוק.
• יקר. סוללה גרעינית אחת יכולה לעלות בין 500,000 ל-4,500,000 רובל.
• זמין למעגל מוגבל של אנשים.
• מבחר קטן.

מחקר ופיתוח של סוללות גרעיניות נמשכים לא רק חברות גדולות אלא גם סטודנטים מן השורה. סטודנט בטומסק, לדוגמה, פיתח סוללה גרעינית משלו שיכולה לפעול כ-12 שנים ללא טעינה מחדש. ההמצאה מסתמכת על פירוק טריטיום. מאפייני סוללה זו נשארים ללא שינוי לאורך זמן.

סוללה גרעינית לסמארטפונים

נכון לשנת 2019, מיוצרים מקורות אנרגיה גרעיניים לטלפונים. הם נראים כמו זה שמוצג בתמונה למטה.

הם דומים לשבב מיקרו שמתאים לחריצים מיוחדים בטלפון סלולרי. סוללה כזו יכולה להחזיק מעמד 20 שנה, ואין צורך לטעון אותה במהלך תקופה זו. זה אפשרי הודות לתהליך של ביקוע גרעיני. עם זאת, מקור אנרגיה זה עשוי להדאיג רבים. אחרי הכל, כולם יודעים שקרינה מזיקה ומזיקה לגוף. ומעטים האנשים יהנו לשאת טלפון כזה כל היום.

אבל מדענים טוענים שסוללה גרעינית זו בטוחה לחלוטין. טריטיום משמש כחומר פעיל. הקרינה הנפלטת במהלך הדעיכה שלה אינה מזיקה. ניתן לראות טריטיום בפעולה על שעון קוורץ זוהר בחושך. הסוללה יכולה לעמוד בטמפרטורות נמוכות עד -50 מעלות צלזיוס ופועלת בצורה אמינה בטמפרטורות גבוהות עד 150 מעלות צלזיוס.⁰יחד עם זאת, לא נצפו תנודות בעבודתה.

יהיה נחמד שתהיה סוללה כזו בהישג יד, לפחות כדי לטעון את הטלפון שלך עם סוללה רגילה.

המתח של סוללה כזו נע בין 0.8 ל-2.4 וולט. היא גם מייצרת בין 50 ל-300 ננו-אמפר. וכל זה קורה על פני תקופה של 20 שנה.

הקיבולת מחושבת באופן הבא: C = 0.000001W * 50 שנים * 365 ימים * 24 שעות / 2V = 219mA

הסוללה מוערכת כעת ב-1,122 דולר. בהמרה לרובלים לפי שער החליפין הנוכחי (65.42), זה יהיה 73,400 רובל.

היכן משתמשים בסוללות גרעיניות?

היקף היישום כמעט זהה לזה של סוללות קונבנציונליות. הן משמשות ב:

• מיקרואלקטרוניקה.
• חיישני לחץ וטמפרטורה.
• שתלים.
• כסוללות ליתיום.
• מערכות זיהוי.
• שעות.
• זיכרון SRAM.
• להפעלת מעבדים בעלי צריכת אנרגיה נמוכה, כגון FPGA, ASIC.

אלה לא המכשירים היחידים; הרשימה שלהם תתרחב משמעותית בעתיד.

סוללת ניקל-63 גרעינית ומאפייניה

מקור אנרגיה גרעיני זה, המבוסס על האיזוטופ 63, יכול להחזיק מעמד עד 50 שנה. הוא פועל באמצעות אפקט בטא-וולטאי. זה כמעט זהה לאפקט הפוטואלקטרי. באפקט זה, זוגות אלקטרון-חור בסריג גביש מוליך למחצה נוצרים על ידי פעולת אלקטרונים מהירים או חלקיקי בטא. באפקט הפוטואלקטרי, הם נוצרים על ידי פעולת פוטונים.

סוללת ניקל-63 אטומית מיוצרת על ידי הקרנת מטרות ניקל-62 בכור. החוקר גברילוב טוען שתהליך זה אורך כשנה. המטרות הדרושות כבר זמינות בז'לזנוגורסק.

אם נשווה את סוללות הניקל-63 הרוסיות החדשות לסוללות ליתיום-יון, הן יהיו קטנות פי 30.

מומחים טוענים שמקורות אנרגיה אלה בטוחים לבני אדם משום שהם פולטים קרני בטא חלשות. יתר על כן, הם אינם משתחררים מבחוץ, אלא נשארים בתוך המכשיר.

מקור כוח זה אידיאלי כיום עבור קוצבי לב רפואיים. עם זאת, המפתחים לא חשפו את העלות. עם זאת, ניתן לחשב אותה בלעדיהם. גרם אחד של Ni-63 עולה כיום כ-4,000 דולר. לכן, סוללה מתפקדת במלואה תדרוש השקעה משמעותית.

הרכב של סוללה גרעינית

ניקל-63 מופק מיהלומים. עם זאת, השגת איזוטופ זה דרשה פיתוח טכנולוגיה חדשה לחיתוך חומר היהלום העמיד.

סוללה גרעינית מורכבת מפולט ומקולט המופרדים על ידי שכבה מיוחדת. כאשר היסוד הרדיואקטיבי דועך, הוא פולט קרינת בטא. כתוצאה מכך נוצרת מטען חיובי שלו. במקביל, הקולט נטען שלילי. זה יוצר הפרש פוטנציאלים, ויוצר זרם חשמלי.

בעיקרו של דבר, תא הכוח האטומי שלנו הוא פאי שכבתי. 200 מקורות כוח ניקל-63 משולבים בין 200 מוליכים למחצה יהלום. מקור הכוח הוא בגובה של כ-4 מ"מ ומשקלו 250 מיליגרם. גודלו הקטן הוא יתרון משמעותי עבור סוללת האטום הרוסית.

קשה למצוא את המידות הנכונות. איזוטופ עבה ימנע מהאלקטרונים שהוא מייצר לברוח. איזוטופ דק הוא חסרון, מכיוון שהוא מפחית את מספר דעיכות הבטא ליחידת זמן. אותו הדבר חל על עובי המוליך למחצה. הסוללה מתפקדת בצורה הטובה ביותר עם עובי איזוטופ של כ-2 מיקרון, בעוד שמוליך למחצה יהלום דורש 10 מיקרון.

אבל מה שהמדענים השיגו עד כה אינו הגבול. ניתן להגדיל את פליטות הגזים לפחות פי שלושה. משמעות הדבר היא שניתן יהיה לייצר סוללה גרעינית זולה פי שלושה.

סוללת פחמן-14 גרעינית שמחזיקה מעמד 100 שנים.

לסוללה אטומית זו היתרונות הבאים על פני מקורות אנרגיה קרינתיים אחרים:

1. זוֹל.
2. ידידותי לסביבה.
3. חיי שירות ארוכים עד 100 שנים.
4. רעילות נמוכה.
5. בְּטִיחוּת.
6. מסוגל לפעול בתנאי טמפרטורה קיצוניים.

לאיזוטופ הרדיואקטיבי פחמן-14 יש זמן מחצית חיים של 5,700 שנים. הוא אינו רעיל לחלוטין וזול.

לא רק ארה"ב ורוסיה, אלא גם מדינות אחרות פועלות באופן פעיל למודרניזציה של סוללות גרעיניות! חוקרים למדו לגדל סרט על מצע קרביד. כתוצאה מכך, עלות המצע ירדה פי 100. מבנה זה עמיד בפני קרינה, מה שהופך את מקור האנרגיה הזה לבטוח ועמיד. באמצעות סיליקון קרביד בסוללות גרעיניות, ניתן להשיג פעולה בטמפרטורות של 350 מעלות צלזיוס.

כך, מדענים הצליחו ליצור סוללה אטומית במו ידיהם!