Pin nguyên tử trong thế giới hiện đại

Khoa học hiện đang tiến bộ và phát triển. Pin hạt nhân đã được phát minh. Nguồn năng lượng này có thể tồn tại đến 50 năm, và đôi khi lên đến 100 năm. Điều này phụ thuộc vào kích thước và chất phóng xạ được sử dụng.

Rosatom là công ty đầu tiên công bố sản xuất pin hạt nhân. Năm 2017, công ty đã giới thiệu một nguyên mẫu tại một triển lãm.

Các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tối ưu hóa các lớp của pin hạt nhân sử dụng sự phân rã beta của đồng vị niken-63 để tạo ra điện năng.

1 gam chất này chứa 3300 milliwatt giờ.

Nguyên lý hoạt động của pin nguyên tử

Pin nguyên tử, còn được gọi là máy phát nhiệt đồng vị phóng xạ (RIHG), là một nguồn năng lượng sử dụng quá trình phân rã của các đồng vị phóng xạ để tạo ra nhiệt và chuyển hóa nhiệt đó thành năng lượng điện.

Nguyên lý hoạt động của pin nguyên tử dựa trên sự phân rã phóng xạ, trong đó hạt nhân của các nguyên tử bị phân rã, phát ra các hạt và năng lượng. Một trong những vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trong pin nguyên tử là plutonium-238, có chu kỳ bán rã dài. Plutonium-238 phân rã thành uranium-234, phát ra các hạt alpha. Những hạt này chứa năng lượng cao, được chuyển hóa thành nhiệt khi tương tác với môi trường.

Việc tạo ra nhiệt là một bước quan trọng trong hoạt động của pin nguyên tử. Nhiệt được truyền qua bộ trao đổi nhiệt đến bộ chuyển đổi nhiệt điện. Bộ chuyển đổi này chứa các vật liệu có khả năng tạo ra dòng điện khi chịu sự chênh lệch nhiệt độ. Do đó, nhiệt từ sự phân rã phóng xạ của plutonium-238 được truyền đến một phía của bộ chuyển đổi nhiệt điện, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai phía của nó. Sự chênh lệch nhiệt độ này cho phép tạo ra năng lượng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng nhiệt điện Seebeck.

Năng lượng điện được tạo ra bởi bộ chuyển đổi nhiệt điện được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện. Ưu điểm chính của pin nguyên tử là chúng cung cấp nguồn năng lượng ổn định, lâu dài, không cần thay thế hoặc sạc lại trong nhiều năm. Tuy nhiên, do sử dụng vật liệu phóng xạ, pin nguyên tử tiềm ẩn một số rủi ro và đòi hỏi các biện pháp an toàn đặc biệt trong quá trình sử dụng và xử lý.

 

Pin hạt nhân có nguy hiểm không?

Các nhà phát triển khẳng định rằng những viên pin này hoàn toàn an toàn cho người dùng thông thường. Điều này là do vỏ pin được thiết kế tốt.

Bức xạ beta được biết là có hại cho cơ thể. Nhưng trong pin hạt nhân mới được tạo ra, nó mềm hơn và sẽ được hấp thụ bên trong tế bào năng lượng.

Hiện nay, các chuyên gia đã xác định một số ngành công nghiệp dự kiến ​​sẽ sử dụng tổ hợp pin hạt nhân A123 của Nga:

1. Thuốc.
2. Ngành công nghiệp vũ trụ.
3. Ngành công nghiệp.
4. Chuyên chở.

Bên cạnh những lĩnh vực này, các nguồn năng lượng bền vững mới cũng có thể được sử dụng ở những lĩnh vực khác.

Ưu điểm của pin hạt nhân

Một số phẩm chất tích cực được nêu bật:

• Độ bền. Chúng có thể tồn tại đến 100.000 năm.
• Có khả năng chịu được nhiệt độ khắc nghiệt.
• Kích thước nhỏ gọn cho phép chúng dễ dàng mang theo và sử dụng trong các thiết bị nhỏ gọn.

Nhược điểm của pin hạt nhân

• Độ phức tạp của quá trình sản xuất.
• Có nguy cơ phơi nhiễm phóng xạ, đặc biệt nếu nhà ở bị hư hỏng.
• Đắt đỏ. Một tổ hợp pin hạt nhân có thể có giá từ 500.000 đến 4.500.000 rúp.
• Chỉ dành cho một nhóm người hạn chế.
• Số lượng sản phẩm có hạn.

Nghiên cứu và phát triển pin hạt nhân không chỉ được thực hiện bởi các công ty lớn mà còn bởi cả các sinh viên bình thường. Ví dụ, một sinh viên ở Tomsk đã tự phát triển loại pin năng lượng hạt nhân có thể hoạt động trong khoảng 12 năm mà không cần sạc lại. Phát minh này dựa trên sự phân rã của tritium. Các đặc tính của loại pin này vẫn không thay đổi theo thời gian.

Pin hạt nhân cho điện thoại thông minh

Tính đến năm 2019, các nguồn năng lượng hạt nhân dùng cho điện thoại đã được sản xuất. Chúng trông giống như thiết bị trong hình bên dưới.

Chúng trông giống như một con vi mạch được lắp vào các khe đặc biệt trong điện thoại di động. Loại pin này có thể sử dụng được đến 20 năm mà không cần sạc trong suốt thời gian đó. Điều này có thể thực hiện được nhờ quá trình phân hạch hạt nhân. Tuy nhiên, nguồn năng lượng này có thể gây lo ngại cho nhiều người. Xét cho cùng, ai cũng biết rằng bức xạ có hại và gây nguy hiểm cho cơ thể. Và ít người muốn mang theo một chiếc điện thoại như vậy suốt cả ngày.

Nhưng các nhà khoa học khẳng định loại pin hạt nhân này hoàn toàn an toàn. Tritium được sử dụng làm chất hoạt động. Bức xạ phát ra trong quá trình phân rã của nó là vô hại. Bạn có thể thấy tritium hoạt động trên một chiếc đồng hồ thạch anh phát sáng trong bóng tối. Pin có thể chịu được nhiệt độ thấp tới -50°C và hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao tới 150°C.⁰Đồng thời, không ghi nhận bất kỳ sự biến động nào trong hoạt động của nó.

Sẽ thật tuyệt nếu có sẵn một cục pin như vậy, ít nhất là để sạc điện thoại bằng pin thông thường.

Điện áp của loại pin này dao động trong khoảng từ 0,8 đến 2,4 vôn. Nó cũng tạo ra dòng điện từ 50 đến 300 nanoampe. Và tất cả điều này diễn ra trong khoảng thời gian 20 năm.

Dung lượng được tính như sau: C = 0,000001W * 50 năm * 365 ngày * 24 giờ / 2V = 219mA

Hiện tại, cục pin này có giá trị 1.122 đô la Mỹ. Quy đổi sang đồng rúp theo tỷ giá hiện tại (65,42), con số đó sẽ là 73.400 rúp.

Pin hạt nhân được sử dụng ở đâu?

Phạm vi ứng dụng thực tế tương tự như các loại pin thông thường. Chúng được sử dụng trong:

• Vi điện tử.
• Cảm biến áp suất và nhiệt độ.
• Cấy ghép.
• Dùng làm pin dự phòng cho pin lithium.
• Hệ thống nhận dạng.
• Giờ.
• Bộ nhớ SRAM.
• Dùng để cấp nguồn cho các bộ xử lý công suất thấp, chẳng hạn như FPGA, ASIC.

Đây không phải là tất cả các thiết bị; danh sách của chúng sẽ mở rộng đáng kể trong tương lai.

Pin hạt nhân Niken-63 và các đặc tính của nó

Nguồn năng lượng hạt nhân này, dựa trên đồng vị 63, có thể hoạt động liên tục đến 50 năm. Nó hoạt động thông qua hiệu ứng beta-voltaic. Hiệu ứng này gần như giống hệt với hiệu ứng quang điện. Trong hiệu ứng này, các cặp electron-lỗ trống trong mạng tinh thể bán dẫn được tạo ra bởi tác động của các electron nhanh hoặc các hạt beta. Trong hiệu ứng quang điện, chúng được tạo ra bởi tác động của các photon.

Pin nguyên tử niken-63 được sản xuất bằng cách chiếu xạ các mục tiêu niken-62 trong lò phản ứng. Nhà nghiên cứu Gavrilov cho rằng quá trình này mất khoảng một năm. Các mục tiêu cần thiết đã có sẵn ở Zheleznogorsk.

Nếu so sánh pin hạt nhân niken-63 mới của Nga với pin lithium-ion, chúng sẽ nhỏ hơn 30 lần.

Các chuyên gia khẳng định rằng những nguồn năng lượng này an toàn cho con người vì chúng phát ra tia beta yếu. Hơn nữa, chúng không được giải phóng ra bên ngoài mà vẫn nằm bên trong thiết bị.

Nguồn năng lượng này hiện rất lý tưởng cho máy tạo nhịp tim y tế. Tuy nhiên, các nhà phát triển chưa tiết lộ giá thành. Mặc dù vậy, có thể tính toán được chi phí mà không cần thông tin từ họ. Một gram Ni-63 hiện có giá khoảng 4.000 đô la. Do đó, một viên pin hoạt động đầy đủ chức năng sẽ đòi hỏi một khoản đầu tư đáng kể.

Cấu tạo của pin hạt nhân

Niken-63 được chiết xuất từ ​​kim cương. Tuy nhiên, việc thu được đồng vị này đòi hỏi phải phát triển một công nghệ mới để cắt gọt vật liệu kim cương bền chắc.

Pin hạt nhân bao gồm một bộ phát và một bộ thu được ngăn cách bởi một lớp màng đặc biệt. Khi nguyên tố phóng xạ phân rã, nó phát ra bức xạ beta. Điều này dẫn đến việc nó mang điện tích dương. Đồng thời, bộ thu trở nên tích điện âm. Điều này tạo ra hiệu điện thế, sinh ra dòng điện.

Về cơ bản, pin năng lượng nguyên tử của chúng tôi là một chiếc bánh nhiều lớp. 200 nguồn năng lượng niken-63 được kẹp giữa 200 chất bán dẫn kim cương. Nguồn năng lượng này cao khoảng 4 mm và nặng 250 miligam. Kích thước nhỏ gọn là một lợi thế lớn đối với pin nguyên tử của Nga.

Việc tìm ra kích thước phù hợp rất khó. Một đồng vị dày sẽ ngăn các electron mà nó tạo ra thoát ra ngoài. Một đồng vị mỏng lại bất lợi, vì nó làm giảm số lượng phân rã beta trên mỗi đơn vị thời gian. Điều tương tự cũng áp dụng cho độ dày của chất bán dẫn. Pin hoạt động tốt nhất với độ dày đồng vị khoảng 2 micron, trong khi chất bán dẫn kim cương cần 10 micron.

Nhưng những gì các nhà khoa học đã đạt được cho đến nay không phải là giới hạn. Lượng khí thải có thể tăng lên ít nhất gấp ba lần. Điều này có nghĩa là pin hạt nhân có thể được sản xuất với chi phí thấp hơn ba lần.

Pin hạt nhân carbon-14 có tuổi thọ 100 năm.

Pin nguyên tử này có những ưu điểm sau so với các nguồn năng lượng bức xạ khác:

1. Giá rẻ.
2. Thân thiện với môi trường.
3. Tuổi thọ sử dụng lâu dài, lên đến 100 năm.
4. Độ độc thấp.
5. Sự an toàn.
6. Có khả năng hoạt động trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt.

Đồng vị phóng xạ cacbon-14 có chu kỳ bán rã là 5.700 năm. Nó hoàn toàn không độc hại và giá thành rẻ.

Không chỉ Mỹ và Nga, mà nhiều quốc gia khác cũng đang tích cực nỗ lực hiện đại hóa pin hạt nhân! Các nhà nghiên cứu đã học được cách tạo màng trên chất nền cacbua. Kết quả là, chi phí của chất nền đã giảm đi 100 lần. Cấu trúc này có khả năng chống bức xạ, giúp nguồn năng lượng này an toàn và bền bỉ. Bằng cách sử dụng cacbua silic trong pin hạt nhân, có thể đạt được hoạt động ở nhiệt độ 350 độ C.

Như vậy, các nhà khoa học đã thành công trong việc tự tay chế tạo pin nguyên tử!