Вечный заряд: российские ученые создают батарейку, способную работать десятилетиями

Можно сказать, что тритий преследует атомную энергетику. Он образуется в ходе деления ядер урана в реакторах, появляется во многих других процессах с участием нейтронов – например, при борном регулировании цепной реакции. Здесь это побочный продукт, и не самый безопасный, требующий нейтрализации. Присутствие изотопа водорода на АЭС обязательно отслеживают.

«Тритию требуется постоянное внимание, – рассказывает Александр Аникин, заместитель директора отделения ВНИИНМ им. А. А. Бочвара. – Сам по себе это очень подвижный газ, при определенных условиях он способен проникать даже сквозь металлические преграды. Причем чем выше температура, тем больше скорость его диффузии. Поэтому для безопасности тритий выделяют, концентрируют и переводят в твердое состояние, чтобы утилизировать вместе с остальными радиоактивными отходами».

Технологии работы с тритием в России получили развитие в связи с созданием термоядерного оружия, топливом для которого служит именно тритий. На некоторых реакторах изотоп специально вырабатывают для подобных нужд, хотя это производство трудно назвать массовым.

«Когда речь идет о тритии, слово "килограмм" не употребляется: килограмм – это нечто невообразимое, – поясняет Александр. – Обычная скорость получения трития на АЭС в среднем не превышает 1 г в год». И даже такие количества требуют контроля специалистов.

Распадаясь, радиоактивные элементы создают разные виды опасного излучения: это могут быть потоки ядер гелия (альфа-излучение), высокоэнергетических фотонов (гамма) и электронов (бета). При распаде трития образуется почти чистое бета-излучение с частицами невысоких энергий. Они неспособны проникнуть сквозь кожу, а в воздухе пролетают всего несколько миллиметров. По словам Александра Аникина, небольшое количество молекулярного трития, даже попав в легкие, за время между вдохом и выдохом не сможет нанести серьезного вреда. Проблема в том, что это водород, а значит, он способен легко встроиться в молекулы воды, оказываясь в жидкостях тела и даже биологических полимерах, включая ДНК.

«Грамм трития – это порядка 10 тыс. кюри, при этом максимально допустимое содержание его в воде составляет всего 7600 беккерелей на литр», – добавляет Александр.

С учетом того, что 1 кюри соответствует 37 млрд Бк, легко подсчитать, что 1 г этого изотопа способен загрязнить десятки миллионов тонн воды, сделав ее опасной. Неудивительно, что улавливанию и нейтрализации этого элемента уделяется такое внимание.

«Конечно, хорошо бы найти тритию полезное применение, – говорит Александр Аникин. – В будущем он станет использоваться в термоядерных реакторах, но пока мы разрабатываем другое направление – источники энергии».

Радиоизотопные источники тока трудно назвать технологической новинкой. Существуют РИТЭГ и другие термоэлектрические батареи, которые используют распад нестабильных ядер для извлечения тепла и превращения его в электричество. В таких генераторах применяются достаточно мощные излучатели с большими потоками альфа- и бета-частиц высоких энергий (стронций-90, америций-241 и даже плутоний-238), позволяющие получать сотни ватт. Тритий же считается мягким излучателем, его слабосильные бета-частицы на это неспособны. Зато изотоп отлично подходит для создания батарей другого типа – тех, что называют бета-вольтаическими, или просто атомными. Работают они почти так же, как фотоэлементы солнечных панелей, только полупроводниковый генератор тока в атомных батареях бомбардируется не фотонами, а бета-излучением. Попадание достаточно энергичной (1–100 тыс. эВ) частицы в материал создает целую лавину свободных электронов и дырок – незаполненных валентных связей, которые ведут себя как положительные заряды. На границе полупроводников с электронной (N–) и дырочной (P–) проводимостью возникают разница потенциалов и ток. Мощность его невелика, не более сотен микроватт, зато источник получается исключительно миниатюрным, долговечным и надежным.

Атомная батарейка состоит всего из двух ключевых компонентов: источника бета-излучения и полупроводникового преобразователя. На роль первого из них тритий подходит почти идеально.

«Существуют прототипы источников на основе стронция-90, однако образующийся при этом иттрий-90 испускает настолько мощное излучение, что полупроводники и электроника не выдерживают такой радиационной нагрузки, – объясняет Александр. – Активно ведется разработка батарейки на никеле-63 с периодом полураспада около 100 лет. Но именно из-за долгого полураспада никель имеет очень низкую радиоактивность. Тритий тоже довольно мягкий излучатель, но по остальным параметрам он почти оптимален и позволяет рассчитывать на средний срок службы батареи в 20-25 лет».

Чтобы разместить этот летучий изотоп в устройстве, ученые поступают так же, как и при его нейтрализации на АЭС, – переводят в твердую форму гидрида, связывая металлическим сорбентом. Такая связь легко обратима и при сильном нагревании позволяет получить свободный тритий, а при охлаждении – связать его снова. Впрочем, в обычной жизни нужные температуры встречаются редко, и в пределах сотни градусов в любую сторону от нуля изотоп остается надежно связанным в металле. В результате долгих и кропотливых экспериментов специалисты научились насыщать сорбент с большой эффективностью, добиваясь стехиометрического отношения металла и трития как 1:2.

«Правильный выбор сорбента определяет главные характеристики будущего устройства, – подчеркивает Александр. – Некоторые металлы слишком плотны, и бета-частицы тут же поглощаются, не попадая на полупроводник. Материал нужен максимально прозрачный для бета-частиц, но и достаточно емкий по содержанию трития».

В атомной батарейке тонкие слои сорбента чередуются со слоями полупроводников, чтобы те могли улавливать как можно больше бета-частиц, превращая их энергию в ток.

«Мы испытывали большой спектр полупроводников на основе кремния и карбида кремния, арсенида галлия и даже алмазных диодов Шоттки, стремясь использовать только отечественные материалы, – продолжает Александр Аникин. – Опробовали продукты почти всех ведущих производителей, включая ТИСНУМ (Москва), МИЭТ (Зеленоград), ОКБ "Планета" (Ростов Великий), НПЦ "Штандарт" и ЛЭТИ (Санкт-Петербург). Проблема в том, что все они "заточены" под создание солнечных панелей. Фотоны уловить сложнее, поэтому полупроводниковые преобразователи там более толстые – бета-частицы через них просто не пробьются».

Пока российским разработчикам удалось довести КПД преобразования бета-излучения в ток лишь до 2%. Для сравнения: самый известный мировой производитель атомных батареек, американская компания City Labs, заявляет о КПД около 7,5%, которого удалось добиться, используя полупроводники на основе фосфида галлия-индия.

«Нам нужны дополнительные исследования, нужно пробовать, создавать новые преобразователи, – говорит Александр. – Если удастся довести КПД хотя бы до 10%, мы получим токи совершенно другого уровня. Это амбициозная, но достижимая цель. И тогда даже эти крошечные батарейки смогут пригодиться довольно широкому кругу потребителей».

Батарейки размером с таблетку, причем работающие пару десятков лет, необходимы множеству приборов, которые не нуждаются в сильных токах. Это могут быть микроэлектроника и микроэлектромеханика (MEMS) космических аппаратов и беспилотников, модули памяти, кардиостимуляторы, датчики для контроля за состоянием инфраструктуры и сенсоры, ведущие длительный мониторинг окружающей среды – особенно в удаленных и труднодоступных районах, где их замена – сложная задача. Тритий обеспечит питание таких устройств на протяжении многих лет, пока выдерживает полупроводник.

«Срок службы атомной батареи зависит не столько от количества оставшегося изотопа, сколько от состояния преобразователя, – подчеркивает Александр Аникин. – Непрерывная бомбардировка бета-частицами понемногу разрушает структуру полупроводника, и со временем он деградирует».

Кроме того, современное законодательство запрещает использование радиоактивных источников в пользовательских устройствах. Для работы с такими материалами производителям требуются лицензии – ни у одной российской компании, выпускающей полупроводники, необходимых документов пока нет.

«Проблема еще и в том, что атомную батарейку всегда можно вскрыть, например с помощью огня, – объясняет Александр. – В этом случае тритий начнет высвобождаться из гидрида и окажется в окружающей среде. Трудно представить себе, какой должна быть конструкция с полной "защитой от дурака"».

Сегодня производство бета-вольтаических батареек ограничивается мелко- или среднесерийными партиями. Даже лидер City Labs, насколько известно, выпускает менее 1500 изделий в год. По словам Александра Аникина, стартап таких масштабов вполне может появиться и в России: все технологии у нас уже имеются, дело лишь за спросом на источники тока – слабого, зато, по нынешним меркам, практически вечного.