Атомная батарейка или «РИТЭГ второго поколения» – срок службы 432 года

Граждане, отвлекитесь на минутку от жареных новостей про мост. Росатом тут выдал ролик с телевизионным репортажем Антона Подковенко, а я вам в клювике принёс его текстовую версию, собственноручно сделанную. Убрал только описание экспедиции по эвакуации старых РИТЭГов, её можете в самом ролике посмотреть (см. раздел Использованные источники). Вся основная информация сохранена, устранены лишь речевые ошибки и слова-паразиты. Собственно репортаж:

Атомная батарейка. Звучит как фантастика, между тем вот она. Это прототип, но вполне работающий. В камере источника питания капсула для изотопа плутония-238, установка преобразовывает энергию его полураспада в электричество.

Для проверки ее работы вполне достаточно имитатора источника из молибдена, но можно ли уже сейчас запитать от установки датчик телеметрии, который необходим для проверки трубопроводов в газовой промышленности? Подключаем контакты, работает!

Мы имеем комплект: датчик, запитанный от автономного радиоизотопного источника питания. Фактически, это открывает нам возможность 20 лет, независимо от внешних условий, получать информацию в данном случае о температуре, о влажности, это может быть коррозионная стойкость, это может быть давление в линейной части нефтегазопровода. Эта информация может быть отражена на мониторе.

Пётр Борисюк, заведующий кафедрой физико-технических проблем метрологии Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ

Пока планируемая мощность до 500 Вт. Этого хватит чтобы обеспечить электричеством, например, метеостанцию на Крайнем Севере, где альтернативные источники энергии использовать очень непросто, особенно Полярной ночью.

Области применения ограничиваются только фантазией инженеров. Можем поставить станцию слежения за температурой где-нибудь на отдалённом острове и на протяжении всего периода работы такого источника мы будем получать сигнал.

Андрей Кузнецов, директор Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ

Принцип атомной батарейки в том, что радиоактивный изотоп, распадаясь, излучает тепло и разогревает капсулу, в которой он находится, до полутора тысяч градусов. Тепло с помощью особого нанопокрытия превращают в свет, а свет в электрическую энергию. Оригинальность решения ученых МИФИ в использовании специального покрытия.

Мы создаем специальное покрытие на основе наночастиц, которыми покрывается капсула радиоизотопного источника тепла, чтобы сместить спектр излучения нагретого тела в более коротковолновую область, в более видимый спектр. Это позволяет увеличить эффективность преобразования энергии ядерного распада в электричество с помощью специальных фотоэлементов.

Пётр Борисюк, заведующий кафедрой физико-технических проблем метрологии Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ

Прослужить такая батарейка может очень долго: какой изотоп поставишь, столько и проработает. Торий-228 излучает 2 года, плутоний-238 почти 90 лет, а если источником сделать америций-241, то атомный источник будет беспрерывно и безопасно давать электричество дольше, чем 4 столетия.

Идея такой батарейки в том, что мы один раз ее поставили либо в прибор, либо в механизм, и забыли. Весь период работы этого прибора обеспечивается энергией такой батарейки. Правильный подбор изотопов позволяет создать абсолютно безопасные источники энергии и от их продуктов деления можно защититься тонкой фольгой или даже листом бумаги.

Андрей Кузнецов, директор Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ

Атомной батарейке не нужны подзарядка и обслуживание, она компактная и несложная в производстве: вакуумная капсула, система контроля термопары, плутониевый источник. Все это в России умеют делать еще с советских времен.

Похожие устройства использовались еще в СССР: радиоизотопный термоэлектрический генератор, сокращенно РИТЭГ. В нём тепловая энергия, которая выделяется при распаде изотопа, преобразовывалась в электрическую с помощью специального генератора, это были уникальные для своего времени источники питания для обеспечения автономной работы техники в самой труднодоступной среде.

Принцип РИТЭГа еще проще, чем у атомной батарейки: полупроводниковая термопара, одна сторона источника холодная другая горячая, и возникает электрический ток. Школьная физика!

В РИТЭГах реализуется принцип преобразования тепловой энергии радионуклидного источника в электрическую энергию за счет и посредством термоэлектрической батареи. То есть если мы нагреваем, скажем, горячий спай тепловым источником, охлаждаем радиатором холодный спай, то возникает электродвижущая сила и начинает протекать электрический ток.

Евгений Крошкин, заместитель директора Научно-исследовательского института технической физики и автоматизации

В качестве источника был изотоп стронция-90, это бета-распад, от которого защищает свинец, так что РИТЕГи были достаточно массивными. С семидесятых годов их устанавливали на метеостанциях на Сахалине, Чукотке, Камчатке, Курилах, в Балтийском регионе, вдоль Северного морского пути и в антарктических широтах. Радиоизотопные генераторы давали энергию автономным маякам, навигационным знаком для судов, гидрографическим станциям.

Это был идеальный источник электроэнергии, не обслуживаемый, в котором ничего не крутится, не вертится, который не надо часто менять. Только лишь ученые приезжали, снимали показания, и уезжали опять.

Виктор Помелов, Главный эколог Российской антарктической экспедиции Арктического и антарктического НИИ

В начале 90-х у советских РИТЭГов закончился срок эксплуатации, их начали вывозить и утилизировать. Чтобы найти последние четыре генератора в Антарктиде, в 2015 была организована целая экспедиция. Чем заменить снятые с эксплуатации генераторы? Сейчас на Севере используют солнечные батареи и ветряки, но батареи заледеневают, ветряки сносит пурга... Выручить может универсальная атомная батарейка, у которой и срок службы дольше, и КПД выше чем у советских ритегов.

КПД РИТЭГов (радиоизотопных термоэлектрических генераторов) на выходе, когда это новый прибор, достигает 5-6%. РИТЭГи сделаны по технологии термоэлектрической генерации, а наши ядерные батарейки сделаны по технологии термофотовольтаического преобразования. На сегодняшний день нам удалось достичь 15% КПД и в перспективе мы можем увеличить КПД до 40%.

Пётр Борисюк, заведующий кафедрой физико-технических проблем метрологии Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ

Морозы ядерной батарейке не помеха, в лаборатории уже протестировали систему, которая может работать при самом суровом минусе, на Северном морском пути например.

Наша ядерная батарейка является продолжением РИТЭГа, это фактически РИТЭГи второго поколения, на другом принципе преобразования, более эффективные, более надежные и фактически позволяют вам запитывать удаленные инфраструктурные объекты индивидуальными источниками питания. Это могут быть буи, створные знаки, это могут быть маяки, могут быть какие-то другие объекты Северного морского пути, в том числе метеостанции маленькие или другие.

Пётр Борисюк, заведующий кафедрой физико-технических проблем метрологии Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ

РИТЭГи, впрочем, не полностью забыты. В Московском научно-исследовательском институте технической физики и автоматизации есть образцы радиоизотопных термоэлектрических генераторов для будущей лунной и марсианской программы России, однако их тоже возможно заменит атомная батарейка, как более эффективный источник питания. Разработка может пригодиться в том числе и для спутников, которые полетят исследовать глубокий космос, там, где солнечные батареи уже не в состоянии дать достаточно энергии. Изобретатели ядерной батарейки говорят, что уже готовы сделать шаг от прототипа.

Если говорить о сроках реализации всего проекта, то по-видимому речь идет о 5-6 годах, когда мы совместно с нашим основным партнером, госкорпорацией Росатом, перейдем на серийный выпуск таких изделий широкой линейки как по мощности, так и по срокам их работы.

Андрей Кузнецов, директор Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ

Нынешняя разработка ученых МИФИ – по сути развитие идеи советских РИТЭГов, и этот прототип только начало. В перспективе устройство может быть намного меньше: источник питания для кардиостимулятора, такие уже есть и сейчас или например гораздо больше – атомная батарея для спутника. Хватит на десятки лет бесперебойной безопасной работы.