Российские разработчики усовершенствовали ядерную батарейку

Группа российских ученых из МФТИ, ФГБНУ ТИСНУМ и МИСиС за счет оптимизации толщины слоев создала мощную ядерную батарейку, использующую для генерации электрической энергии бета-распад изотопа никеля-63. В одном грамме созданной батарейки содержится около 3300 милливатт-часов, что на сегодня является наилучшим показателем среди аналогичных источников питания.

Конструкция и фотография ядерной батарейки. Изображения от ФГБНУ ТИСНУМ и МФТИ

Группа российских ученых разработала метод, который позволяет почти в десять раз 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. 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. 

Созданный прототип «ядерной батарейки» включает двести алмазных преобразователей, между которыми находятся слои фольги никеля-63 и стабильного никеля. Мощность, генерируемая преобразователем, зависит от толщины никелевой фольги и самого преобразователя, который поглощает бета-частицы. Низкая эффективность существующих ядерных батареек связана с несовершенной оптимизацией и наличием лишнего объема. Если толщина бета-источника слишком велика, электроны не смогут покинуть его. Но слишком тонкий источник тоже невыгоден, так как в этом случае уменьшается число бета-распадов в единицу времени.

Российские ученые планировали создать батарею на никеле-63 с максимальной удельной мощностью, без лишнего объема. В ходе экспериментов они обнаружили оптимальную толщину бета-источника и преобразователя. Эффективнее всего бета-источник на основе никеля-63 при толщине около двух микрометров, а алмазный преобразователь на основе барьера Шоттки — при толщине около 10 микрометров.

Новая разработка может быть применима в космической промышленности. В частности, в настоящее время существует потребность в автономных беспроводных внешних датчиках и микросхемах памяти со встроенной системой питания. Алмаз является одним из наиболее радиационно стойких полупроводников, и может функционировать в широком диапазоне температур, что делает его идеальным материалом для создания ядерных батарей космических аппаратов.