Учёные из МФТИ, ТИСНУМ и МИСиС оптимизировали толщину слоёв «ядерной батарейки», использующей для генерации электрической энергии бета-распад изотопа никеля-63. В одном грамме созданной ими батарейки запасено около 3300 милливатт-часов, что является лучшим результатом среди «ядерных батареек» на основе никеля-63 и в десять раз превосходит плотность энергии, запасённой в обычных химических элементах. Статья опубликована в журнале Diamond and Related Materials .

Как работает батарейка

Обычные батарейки, которые используют для питания часов, карманных фонариков, игрушек и других сравнительно небольших автономных электрических приборов, получают электрическую энергию с помощью химических реакций. В ходе этих реакций, которые называют окислительно-восстановительными , электроны «перетекают» через электролит с одного электрода на другой, и на электродах возникает разность потенциалов. Если соединить концы батарейки проводом, электроны придут в движение так, чтобы разность потенциалов исчезла - по проводу потечёт ток. Химические батарейки, которые также называют гальваническими элементами , обладают высокой удельной мощностью, то есть отношением мощности создаваемого тока к объёму батарейки, но сравнительно быстро разряжаются, и это заметно ограничивает их автономную работу. Конечно, при определённой конструкции химических элементов их можно перезаряжать (тогда их называют аккумуляторами). Однако даже в этом случае батарейку нужно вынимать из прибора, что может быть опасно или невозможно: например, если она обеспечивает питание кардиостимулятора или космического аппарата.

Немного истории

К счастью, электрическую энергию можно получать не только в химических реакциях. Более ста лет назад, в 1913 году Генри Мозли (Henry Moseley) представил первый радиоизотопный источник электрической энергии, представлявший собой посеребрённую изнутри стеклянную сферу, в центре которой на изолированном электроде располагался радиевый источник. Электроны бета-распада радия создавали разность потенциалов между серебряным слоем стеклянной сферы и центральным электродом. Такой источник обладает чрезвычайно высоким напряжением холостого хода - в десятки киловольт - и малым током, поэтому на практике его использование почти невозможно.

В 1953 году Пол Раппапорт (Paul Rappaport) предложил использовать полупроводниковую структуру для преобразования энергии бета-распада радиоактивных элементов. Бета-частицы (электроны или позитроны) ионизируют атомы полупроводника и создают неравновесные носители зарядов, которые при наличии статического поля барьерной p-n структуры упорядоченно движутся, создавая электрический ток. Основанные на этом принципе элементы назвали бета-вольтаическими. Главным преимуществом таких элементов перед гальваническими выступает их долговечность: период полураспада некоторых радиоактивных изотопов составляет десятки или сотни лет, следовательно, мощность элемента будет оставаться почти постоянной в течение всего этого периода. К сожалению, удельная мощность бета-вольтаических генераторов сильно уступает химическим батареям. Тем не менее, радиоактивные генераторы всё-таки использовали в 70-х годах для питания кардиостимуляторов, однако впоследствии их вытеснили литий-ионные аккумуляторы, дешевизна изготовления которых перевесила долговечность бета-вольтаических элементов.

Заметим, что бета-вольтаические батарейки не следует путать с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (сокращённо РИТЭГ), которые тоже иногда называют ядерными батареями. В этих устройствах энергия радиоактивных распадов используется для нагрева и создания потока тепла, который потом конвертируется в электрический ток с помощью термоэлектрических элементов. Эффективность РИТЭГов составляет всего несколько процентов и зависит от температуры. Тем не менее, из-за своей долговечности и относительно простого устройства радиоизотопные генераторы широко используются для питания космических аппаратов - например, или . Ранее РИТЭГи также устанавливали на радиомаяках и метеостанциях, расположенных в труднодоступных областях, однако сейчас эту практику приостановили из-за трудностей утилизации и риска утечки радиоактивных веществ.

Мощность повысили на порядок

Группа учёных под руководством Владимира Бланка, директора ФГБНУ ТИСНУМ и заведующего кафедрой «Физика и химия наноструктур» МФТИ, придумала способ почти на порядок повысить удельную мощность «ядерной батарейки». В разработанном и изготовленном ими элементе бета-частицы испускались радиоактивным изотопом никеля-63 и попадали в алмазные преобразователи на основе барьера Шоттки. Полная электрическая мощность батарейки составила около 1 мкВт, а удельная мощность достигла десяти микроватт на кубический сантиметр - этого достаточно, чтобы питать современный кардиостимулятор. Период полураспада никеля-63 составляет около ста лет. Таким образом, в одном грамме батарейки запасено около 3300 милливатт-часов, что в десять раз больше, чем в химических батарейках.

Рисунок 1. Схема устройства «ядерной батарейки». Дизайнер - Елена Хавина, пресс-служба МФТИ.

Образец «ядерной батарейки» состоял из двухсот алмазных преобразователей, чередуемых слоями фольги никеля-63 и стабильного никеля (рисунок выше). Мощность, генерируемая преобразователем, зависит от толщины никелевой фольги и самого преобразователя, который поглощает бета-частицы. Все известные на данный момент прототипы ядерных батарей плохо оптимизированы, так как имеют лишний объём. Если толщина бета-источника слишком велика, электроны, рождающиеся внутри него, не смогут покинуть его. Этот эффект называется самопоглощением. С другой стороны, сильно уменьшать толщину источника тоже невыгодно, поскольку вместе с ней уменьшается число бета-распадов в единицу времени. Аналогичные рассуждения применимы и к толщине преобразователя.

Фото. Ядерная батарейка, образец. Предоставлено ТИСНУМ.

Сначала расчёты

Перед учёными стояла цель: создать батарею на никеле-63 с максимальной удельной мощностью, то есть без лишнего объёма. Для этого они численно смоделировали движение электронов в бета-источнике и прилегающих преобразователях и нашли их оптимальные толщины: оказалось, что эффективнее всего бета-источник на основе никеля-63 «работает» при толщине около двух микрометров, а алмазный преобразователь на основе барьера Шоттки - при толщине около 10 микрометров.

Рисунок 2. (а) зависимость потока энергии из никелевой фольги от её толщины; (b) эффективность поглощения алмазным преобразователем в зависимости от его толщины. Видно, что в случае (a) насыщение происходит при толщине около двух микрометров, а в случае (b) - при толщине около десяти микрометров.

Технология изготовления

Наиболее сложной задачей было изготовление большого количества алмазных преобразователей со сложной внутренней структурой толщиной всего в несколько десятков микрон (как полиэтиленовый пакет из супермаркета). Традиционные механические и ионные методы уменьшения толщины алмаза не подходили для решения такой задачи. Сотрудники ТИСНУМ и МФТИ разработали технологию синтеза и отщепления тонких алмазных пластин от многоразовых алмазных подложек для массового создания сверхтонких преобразователей.

В качестве исходного материала были использованы 20 толстых подложек из легированного бором алмаза, выращенного методом температурного градиента. При помощи ионной имплантации в подложках создавался дефектный слой толщиной около 100 нанометров на глубине около 700 нанометров. Поверх этого слоя методом осаждения из газовой фазы синтезировался гомоэпитаксиальный (наследующий кристаллическую структуру подложки) слой слабо легированного бором алмаза толщиной 15 мкм. Затем методом высокотемпературного отжига дефектный слой подвергался графитизации, после чего удалялся методом электрохимического травления. После удаления дефектного слоя заготовку преобразователя снимали с подложки и покрывали контактами: омическим и Шоттки.

В ходе всего описанного процесса подложка теряла менее 1 мкм толщины, после чего операции повторялись. Таким образом на 20 подложках были выращены 200 преобразователей. Разработанная технология чрезвычайно важна с экономической точки зрения: высококачественные алмазные подложки стоят очень дорого, поэтому не подходят для массового производства преобразователей методом уменьшения толщины.

Все преобразователи были объединены параллельно согласно схеме, показанной на рисунке 1. Технология изготовления фольги никеля-63 толщиной 2 микрона была разработана в НПО «Луч». Батарею залили эпоксидным компаундом для герметичности.

Батарея обладает характерной вольт-амперной характеристикой (рисунок ниже). Напряжение короткого замыкания составило около 1 вольта, а ток короткого замыкания - около 1 мкА. Наибольшая электрическая мощность W ≈ 0,93 микроватт достигалась при напряжении V ≈ 0,93 вольт. Такая мощность отвечает плотности энергии около 3300 милливатт-часов на грамм, что в десять раз превышает плотность энергии созданной ранее в ТИСНУМ «ядерной батарейки» на основе никеля-63 и во столько же раз превосходит обычные химические батарейки.

Рисунок 3. (a) зависимость силы тока и выходной мощности, выдаваемой батареей, от напряжения; (b) зависимость выходной мощности от сопротивления подключённой к батарее нагрузки.

В 2016 году учёные уже сообщали о разработке прототипа ядерной батарейки на основе никеля-63. В июне 2017 года работающий образец ядерной батарейки мощностью 1 микроватт с полезным объёмом 1,5 кубических сантиметра был показан ТИСНУМ и НПО «Луч» на форуме «Атомэкспо-2017».

Основным фактором, ограничивающим изготовление ядерных батареек в России, является отсутствие промышленного производства и обогащения изотопа никеля-63. Такое производство планируется создать к середине 2020-х годов.

Альтернативный способ создания ядерной батарейки на основе алмаза - изготовление алмазных преобразователей из радиоактивного углерода-14, обладающего чрезвычайно большим периодом полураспада, - 5700 лет. О разработке таких генераторов сообщали физики из университета Бристоля.

Будущее ядерных батареек

Полученный результат открывает новые перспективы для медицинских применений. Современные кардиостимуляторы имеют размер более 10 кубических сантиметров и потребляют мощность около 10 микроватт. Разработанная батарея может быть использована в качестве источника питания такого кардиостимулятора практически без серьёзных изменений его конструкции и объёма. «Вечный» кардиостимулятор значительно повысит качество жизни пациентов, так как исчезнет потребность в его обслуживании и замене батарей.

Также в разработке компактных ядерных батарей заинтересована космическая промышленность. В частности, в настоящее время существует потребность в автономных беспроводных внешних датчиках и микросхемах памяти со встроенной системой питания для космических аппаратов. Алмаз является одним из наиболее радиационно стойких полупроводников, и за счёт большой ширины запрещённой зоны может функционировать в широком диапазоне температур, что делает его идеальным материалом для создания ядерных батарей космических аппаратов.

Учёные планируют продолжить свои исследования в области ядерных батарей и предлагают основные направления развития данной тематики. Во-первых, это повышение обогащения никеля-63 в батарее, что приведёт к линейному росту мощности. Во-вторых - разработка алмазной p-i-n структуры с контролируемым профилем легирования, которая позволит увеличить напряжение, а значит, и полезную мощность батареи в 3 и более раза. В-третьих - увеличение площади поверхности преобразователя, что позволит разместить больше атомов никеля-63 на одном преобразователе.

Владимир Бланк, директор ТИСНУМ и заведующий кафедрой «Физика и химия наноструктур» МФТИ, прокомментировал:

«Мы уже достигли выдающегося результата, который может быть применён в медицине и космической технике, но не собираемся останавливаться на этом. За последние годы наш институт достиг значительных успехов в создании высококачественных легированных алмазов, в частности, алмазов с проводимостью n-типа. Это позволит нам перейти от барьера Шоттки к p-i-n структуре и повысить удельную мощность батареи в 3 раза. А чем больше удельная мощность, тем большее количество применений может найти наша разработка. Мы имеем хороший задел в области синтеза алмазов высокого качества и планируем использовать сочетание уникальных свойств этого материала для расширения компонентной базы радиационно стойкой электроники и создания инновационных электронных и оптических устройств на его основе».

Компания City Labs начала выпуск настоящих атомных батареек NanoTritium. Источником энергии в этих батарейках служит распад сверхтяжелого водорода - трития. Батарейка изготавливается в корпусе микросхемы, на данный момент ее стоимость достаточно велика и составляет около $1000. Тритий входит в десятку самых дорогих веществ в мире и его грамм стоит $30000.

Тритий - это радиоактивный изотоп водорода. Ядро трития составляет протон и два нейтрона. При распаде тритий превращается в 3He. Период полураспада примерно 13 лет. Энергия испускаемых электронов мала - от 6.5 кэВ до 18.59 кэВ. Излучение останавливается такими преградами, как одежда или даже кожа человека. В герметической упаковке тритий безвреден. Пары трития все же представляют радиационную опасность. Впрочем, в атомных батарейках NanoTritium его настолько мало, что данная проблема не актуальна. Один кубический миллилитр тритиевого газа обладает активностью около 94 ГБк.

Тритий уже давно используется в ряде устройств. К примеру, его можно встретить на стрелках светящихся в темноте часов. Светящиеся элементы часов изготавливаются как герметичные колбы, заполненные газом трития. Стенки колб изнутри покрывают слоем люминофора. Принцип работы свечения достаточно прост. Электроны, испускаемые тритием при бета-распаде, соударяются с люминофором, поглощаются им, заставляя светиться.

Принцип работы атомной батарейки достаточно прост: распад трития - это бета-распад, ядро трития превращается в ядро гелий-3, и вылетает один электрон обладающий высокой энергией. Тритий закачивают в ячеистый, или можно сказать губчатый, рабочий объём из кремния. В кремнии каждый электрон высокой энергии создаёт огромное число электронно-дырочных пар. По сути, подобные процессы протекают в обычных фотоэлементах - с той лишь разницей, что в фотоэлементе один фотон порождает только одну пару (просто потому, что энергия оптического фотона в тысячи раз меньше, чем энергия бета-электрона). Дальше, достаточно, замкнуть цепь и потечёт ток.

Атомный источник питания от City Labs способен выдерживать перепад температур от -50 до 150 градусов Цельсия, а также хорошие перепады высот. Этот аккумулятор способен работать на протяжении 20 лет и выдавать до 2.4В с силой тока 50-300 наноампер.

Даже столь низкий ток вполне достаточен для питания многих устройств. Например, специальные прослушивающие устройства. Радиоактивность тритиевых элементов не выходит за пределы корпуса, и не может быть обнаружена, в сочетании с современными цифровыми технологиями кодирования сигнала такие элементы питания позволяют создать идеальную "прослушку". В медецине, также атомные батарейки NanoTritium могут использоваться для питания кардиостимуляторов.

Элементы питания на тритии - не единственная разработка изотопных источников питания. На американских междпланетных станциях "Пионер" и "Вояджер" используются плутониевые радиоизотопные источники. Их мощность уже существенно - порядка 400 ватт. И, между прочим, они были изготовлены более сорока лет назад и работают по сей день.

Российские физики разработали батарейку, которая может преобразовывать в электричество энергию бета-распада – излучения электронов радиоактивным элементом.

Коллектив исследователей из Московского института стали и сплавов под руководством заведующего кафедрой материаловедения полупроводников и диэлектриков профессора Юрия Пархоменко представил прототипы радиоизотопных батареек, созданных по технологии преобразования энергии бета-излучения в электрическую энергию на основе монокристаллов пьезоэлектриков. В качестве источника использован радиоактивный изотоп «никель-63». Его период полураспада около 100 лет, что позволяет создавать элементы питания со сроками службы до 50 лет.

Представленный МИСиС прототип ядерной батарейки

Руководитель работы профессор Юрий Николаевич Пархоменко

Такие батарейки часто называют также «ядерными», поскольку в них используется процесс бета-распада, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона. Хотя бета-распад - один из видов радиоактивного излучения, людям нечего бояться. Бета-излучение в данном случае обладает малой проникающей способностью и легко задерживается оболочкой. А используемый изотоп «никель-63» не имеет сопутствующего гамма-излучения. Так что сами батарейки не излучают и совершенно безопасны.

Чтобы компенсировать малую мощность природного бета-распада, физики используют импульсный режим с накоплением заряда. В этом случае удается обеспечить непрерывную мощность электрического тока 10-100 нановатт с каждого кубического сантиметра устройства. Такой мощности достаточно для питания, например, кардиостимулятора.

Благодаря длительному сроку службы батарейки найдут применение в тех случаях, когда их замена нежелательна или просто невозможна: в медицине, ядерной энергетике, авиакосмической технике, нано- и микроэлектронике, в системах безопасности и контроля.

Выбор в качестве источника энергии несуществующего в природе изотопа «никель-63» неслучаен. В нашей стране разработана также уникальная технология его выработки в специальных ядерных реакторах и обогащения до необходимых «не ниже 80%». Производство батареек запланировано на в Красноярском крае.

Уникальные характеристики разработанного устройства, его компактность и безопасность позволяют надеяться на его конкурентоспособность на рынке аналогичных источников питания
Единственный недостаток батарейки – высокая стоимость. Из-за дороговизны производства никеля-63 на начальном этапе она может составлять несколько миллионов рублей. Однако по мере отработки технологии и налаживании массового производства цена неминуемо сильно упадет.

Создание портативного одноразового источника питания, срок службы которого измерялся бы не сутками или месяцами, а годами, прежде покорилось специалистам Корнельского университета. Элемент питания, в качестве базы для которого был выбран радиоактивный изотоп никеля-63, мог похвастаться непрерывным сроком службы до 50 лет. Но, разумеется, не обошлось и без существенных ограничений в номинальных параметрах «ядерной батарейки». Всё дело в том, что принцип, на котором строится работа таких устройств — сопровождающее распад никеля-63 испускание электронов для последующего заряда медной пластины — не позволял добиться серьёзной мощности источника питания. В итоге указанная характеристика для ядерных батареек находилась на уровне нескольких милливатт, что накладывало ряд существенных ограничений при её эксплуатации.

Решением описанной проблемы активно занялись учёные Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», которые вчера рапортовали о достигнутых успехах. Им удалось изготовить прототип уникальной «ядерной батарейки», способной, как и её предшественник родом из США, питать определённую электронику на протяжении 50 лет.

Как рассказали в «МИСиС», спроектированная ими «ядерная батарейка» обладает огромным потенциалом и имеет широкий спектр потенциально возможного применения, начиная от использования разработки в медицинском оборудовании и миниатюрных приборах для поддержания жизнедеятельности, заканчивая размещением такого источника питания в космических аппаратах. Команде инженеров под руководством профессора Юрия Пархоменко удалось воплотить на практике концепцию преобразования энергии бета-излучения в электрическую на основе монокристаллов пьезоэлектриков. Этот принцип и лёг в основу показанного образца автономной бета-вольтаической батареи переменного напряжения, первичным источником энергии для которой послужил хорошо знакомый изотоп никель-63.

Излучение выбранного в качестве источника электронов изотопа, несмотря на свою радиоактивность, характеризуется периодом полураспада в 100 лет и не несёт какой-либо угрозы для здоровья биологических организмов. Но главной особенностью прототипа отечественного производства стало применение импульсных источников питания для накопления и последующей отдачи заряда. За счёт этого учёные сумели обойти главный недостаток бета-вольтаической «ядерной батарейки» — их крайне малую мощность, сильно сужавшую сферы дальнейшего эффективного применения.

«В импульсном режиме один бета-вольтаический элемент способен выдавать мощность вплоть до 1 мВт/см 3 . При низких удельных мощностях энергетического материала батарейка, собранная на их основе, способна обеспечивать непрерывную выходную мощность 10-100 нВт/см 3 — достаточную, чтобы обеспечить питание кардиоимплантата», — объяснил технические особенности продемонстрированного решения господин Пархоменко.

Инновационная российская «ядерная батарейка», ставшая реальностью благодаря усилиям сотрудников «МИСиС», обладает всеми необходимыми для начала серийного производства и скорейшего внедрения технологии преимуществами. Здесь и сверхмалые габариты источника питания, и отсутствие пагубного влияния энергетического материала, и длительный срок эксплуатации в несколько десятков лет. Однако дойдёт ли дело до выпуска коммерческого образца — покажет время.

Сегодня атомную батарейку уже можно купить в интернете. Во всяком случае такие предложения есть. За эту экзотику, произведенную, к примеру, в США, нужно выложить 1000 долларов. Китайская обойдется дешевле. Зачем нужны столь супердорогие "игрушки"?

Главное достоинство - долговечность. Срок службы может быть и 20, и 50, и 100, и даже тысяча лет. Все зависит от периода полураспада радиоактивного изотопа - источника энергии. Отсюда и возможные области применения. Конечно, медицина, прежде всего кардиостимуляторы. Химические батарейки разряжаются, их приходится периодически менять. С "вечным" источником энергии такой проблемы вообще нет. Еще сфера применения - космос. С атомной батарейкой можно отправляться в дальние миссии, не думая о том, чем питать электронику.

Но все это пока действительно экзотика. И причина не только цена. Характеристики атомных батареек далеки от требуемых. Речь прежде всего о низкой удельной мощности и низком КПД, что предельно ограничивает сферу применения. Как изменить ситуацию? Над этим бьются в ведущих лабораториях мира. И здесь работа группы российских ученых из МФТИ, ФГБНУ "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" и МИСиС может стать прорывом. Ими создана батарейка, у которой удельная мощность и КПД в 10 раз выше, чем у всех созданных на сегодня аналогов. За счет чего это удалось?

Источником энергии у нас служит изотоп никель-63 с периодом полураспада около 100 лет, - говорит руководитель разработки доктор физико-математических наук Владимир Бланк. - Этот изотоп испускает бета-частицы, которые создают электрический ток в полупроводнике из алмаза. Ноу-хау нашей разработки именно в этом материале. Его уникальные свойства позволили на порядок улучшить параметры атомной батарейки.

Бланк подчеркивает, что хотя, с одной стороны, алмаз имеет ряд привлекательных качеств, но никто из конкурентов с ним не работает. Достаточно сказать, что в созданном нашими учеными устройстве толщина полупроводников из алмаза должна быть как у обычного полиэтиленового пакета - несколько десятков микрон. Как "настрогать" такие тонкие пластины из самого твердого минерала во Вселенной? Российским ученым удалось решить проблему, создать оригинальную технологию обработки алмаза.

Наша ядерная батарейка это своего рода слоеный пирог, между 200 алмазными полупроводниками установлены 200, изготовленных из никеля-63, источников энергии, - говорит Бланк. - Высота батарейки 3-4 миллиметра, вес 250 миллиграмм. Это в разы меньше, чем у всех современных аналогов.

Такие габариты - еще один плюс российской разработки. Расчеты показывают, что все известные на данный момент прототипы ядерных батарей имеют лишний объем. Вообще поиск оптимальных размеров - очень непростая задача. Если толщина изотопа слишком велика, рождающиеся в нем электроны не смогут его покинуть. С другой стороны, сильно уменьшать толщину тоже невыгодно, поскольку уменьшается число бета-распадов в единицу времени. Аналогичная ситуация и с толщиной полупроводника.

Чтобы найти максимум параметров, мы построили модель движения электронов в изотопе и полупроводниках, - говорит Бланк. - Оказалось, что эффективнее всего батарейка работает при толщине изотопа около двух микрон, а алмазного полупроводника 10 микрон.

По словам Бланка, достигнутая рекордная удельная мощность - это не предел. Ученые знают, как ее повысить еще минимум в три раза. Понятно, что чем она выше, тем больше сфер применения атомной батарейки. И ниже цена, ведь она уменьшается при масштабном серийном выпуске. Впрочем, по мнению Бланка, даже сейчас при разумной организации производства цена такой батарейки сравнима с ценой химических источников питания, которые применяются в кардиостимуляторах. Атомные батарейки безопасны для человека, так как излучение полностью поглощается внутри корпуса.

Инфографика "РГ": Антон Переплетчиков / Юрий Медведев