De atoombatterij in de moderne wereld

De wetenschap boekt momenteel vooruitgang en ontwikkeling. Er is al een kernbatterij uitgevonden. Zo'n energiebron kan tot wel 50, en soms zelfs tot 100 jaar meegaan. Dat hangt allemaal af van de grootte en de gebruikte radioactieve stof.

Rosatom was het eerste bedrijf dat de productie van een kernbatterij aankondigde. In 2017 presenteerde het bedrijf een prototype op een tentoonstelling.

Onderzoekers zijn erin geslaagd de lagen van een kernbatterij te optimaliseren die gebruikmaakt van het bètaverval van het nikkel-63-isotoop om elektriciteit op te wekken.

1 gram van deze stof bevat 3300 milliwattuur.

Hoe een atoombatterij werkt

Een atoomaccu, ook wel radio-isotopenwarmtegenerator (RIHG) genoemd, is een energiebron die gebruikmaakt van het vervalproces van radioactieve isotopen om warmte te genereren en deze vervolgens om te zetten in elektrische energie.

Het werkingsprincipe van een atoomaccu is gebaseerd op radioactief verval, waarbij de kernen van atomen uiteenvallen en deeltjes en energie vrijkomen. Een van de meest gebruikte materialen in atoomaccu's is plutonium-238, dat een lange halfwaardetijd heeft. Plutonium-238 vervalt tot uranium-234, waarbij alfadeeltjes vrijkomen. Deze deeltjes bevatten veel energie, die bij interactie met de omgeving wordt omgezet in warmte.

Warmteopwekking is een cruciale stap in de werking van een atoomaccu. Warmte wordt via een warmtewisselaar overgebracht naar een thermo-elektrische omvormer. Deze omvormer bevat materialen die elektrische stroom kunnen genereren wanneer ze worden blootgesteld aan een temperatuurverschil. Zo wordt warmte afkomstig van het radioactieve verval van plutonium-238 naar één kant van de thermo-elektrische omvormer overgebracht, waardoor een temperatuurverschil ontstaat tussen de twee zijden. Dit temperatuurverschil maakt de opwekking van elektrische energie mogelijk met behulp van het Seebeck-thermo-elektrische effect.

De elektrische energie die door een thermo-elektrische omvormer wordt opgewekt, wordt gebruikt om elektrische apparaten van stroom te voorzien. Het belangrijkste voordeel van atoomaccu's is dat ze een stabiele, langdurige energiebron vormen en jarenlang niet vervangen of opgeladen hoeven te worden. Vanwege het gebruik van radioactieve materialen brengen atoomaccu's echter bepaalde risico's met zich mee en vereisen ze speciale veiligheidsmaatregelen bij gebruik en hantering.

 

Zijn kernbatterijen gevaarlijk?

De ontwikkelaars beweren dat deze batterijen volkomen veilig zijn voor gewone mensen. Dit komt doordat de behuizing goed ontworpen is.

Het is bekend dat bètastraling schadelijk is voor het lichaam. Maar in de nieuw ontwikkelde kernbatterij is deze straling zwak en zal ze worden geabsorbeerd door de energiecel.

Momenteel hebben deskundigen verschillende industrieën geïdentificeerd waarin de Russische A123-kernbatterij naar verwachting zal worden ingezet:

1. Geneesmiddel.
2. Ruimtevaartindustrie.
3. Industrie.
4. Vervoer.

Naast deze gebieden kunnen nieuwe, duurzame energiebronnen ook op andere gebieden worden gebruikt.

Voordelen van een kernbatterij

Een aantal positieve eigenschappen wordt benadrukt:

• Duurzaamheid. Ze kunnen tot wel 100.000 jaar meegaan.
• Vermogen om kritische temperaturen te weerstaan.
• Door hun kleine formaat zijn ze draagbaar en kunnen ze in compacte apparatuur worden gebruikt.

Nadelen van een kernbatterij

• Complexiteit van de productie.
• Er bestaat een risico op blootstelling aan straling, vooral als de behuizing beschadigd is.
• Duur. Een enkele kernbatterij kan tussen de 500.000 en 4.500.000 roebel kosten.
• Beschikbaar voor een beperkte groep mensen.
• Beperkte keuze.

Onderzoek en ontwikkeling van kernbatterijen wordt niet alleen door grote bedrijven, maar ook door gewone studenten nagestreefd. Een student in Tomsk heeft bijvoorbeeld zijn eigen kernbatterij ontwikkeld die ongeveer twaalf jaar kan werken zonder opgeladen te hoeven worden. De uitvinding is gebaseerd op het verval van tritium. De eigenschappen van deze batterij blijven in de loop der tijd onveranderd.

Kernbatterij voor smartphones

Sinds 2019 worden er kernenergiebronnen voor telefoons geproduceerd. Ze zien eruit zoals op de afbeelding hieronder.

Ze lijken op een microchip die in speciale sleufjes in een mobiele telefoon past. Zo'n batterij kan wel 20 jaar meegaan en hoeft gedurende die tijd niet opgeladen te worden. Dit is mogelijk dankzij het proces van kernsplijting. Deze energiebron kan echter voor velen verontrustend zijn. Iedereen weet immers dat straling schadelijk is voor het lichaam. En weinig mensen zouden het prettig vinden om zo'n telefoon de hele dag bij zich te dragen.

Wetenschappers beweren echter dat deze kernbatterij volkomen veilig is. Tritium wordt gebruikt als actieve stof. De straling die vrijkomt tijdens het verval is onschadelijk. Je kunt tritium in actie zien op een kwartshorloge dat in het donker oplicht. De batterij kan temperaturen tot -50 °C weerstaan ​​en werkt betrouwbaar bij temperaturen tot 150 °C.⁰Tegelijkertijd werden er geen schommelingen in de werking ervan geconstateerd.

Het zou handig zijn om zo'n batterij bij de hand te hebben, al was het maar om je telefoon op te laden met een gewone batterij.

De spanning van zo'n batterij schommelt tussen 0,8 en 2,4 volt. Hij genereert ook tussen de 50 en 300 nanoampère. En dit alles gebeurt over een periode van 20 jaar.

De capaciteit wordt als volgt berekend: C = 0,000001W * 50 jaar * 365 dagen * 24 uur / 2V = 219mA

De batterij heeft momenteel een waarde van $1.122. Omgerekend naar roebels tegen de huidige wisselkoers (65,42) zou dat 73.400 roebels zijn.

Waar worden kernbatterijen gebruikt?

Het toepassingsgebied is vrijwel hetzelfde als dat van conventionele batterijen. Ze worden gebruikt in:

• Micro-elektronica.
• Druk- en temperatuursensoren.
• Implantaten.
• Als powerbanks voor lithiumbatterijen.
• Identificatiesystemen.
• Uren.
• SRAM-geheugen.
• Voor het aansturen van energiezuinige processoren, zoals FPGA's en ASIC's.

Dit zijn niet de enige apparaten; de lijst zal in de toekomst aanzienlijk worden uitgebreid.

De nikkel-63 kernbatterij en haar kenmerken

Deze kernenergiebron, gebaseerd op het 63-isotoop, kan tot 50 jaar meegaan. Hij werkt via het bèta-voltaïsche effect, dat vrijwel identiek is aan het foto-elektrisch effect. Bij dit effect worden elektronen-gatparen in het halfgeleiderkristalrooster gecreëerd door de werking van snelle elektronen of bètadeeltjes. Bij het foto-elektrisch effect worden ze gecreëerd door de werking van fotonen.

Een nikkel-63-atoombatterij wordt geproduceerd door nikkel-62-targets in een reactor te bestralen. Onderzoeker Gavrilov beweert dat dit proces ongeveer een jaar duurt. De benodigde targets zijn al beschikbaar in Zheleznogorsk.

Als we de nieuwe Russische nikkel-63-kernbatterijen vergelijken met lithium-ionbatterijen, dan zijn ze 30 keer kleiner.

Deskundigen beweren dat deze energiebronnen veilig zijn voor mensen omdat ze zwakke bètastralen uitzenden. Bovendien worden ze niet naar buiten uitgestoten, maar blijven ze in het apparaat zelf.

Deze energiebron is momenteel ideaal voor medische pacemakers. De ontwikkelaars hebben de kosten echter niet bekendgemaakt. Deze kunnen echter wel zonder die informatie worden berekend. Eén gram Ni-63 kost momenteel ongeveer $4.000. Een volledig functionerende batterij zou daarom een ​​aanzienlijke investering vergen.

Samenstelling van een kernbatterij

Nikkel-63 wordt gewonnen uit diamanten. Het verkrijgen van dit isotoop vereiste echter de ontwikkeling van een nieuwe technologie voor het slijpen van het duurzame diamantmateriaal.

Een kernbatterij bestaat uit een zender en een ontvanger, gescheiden door een speciale film. Wanneer het radioactieve element vervalt, zendt het bètastraling uit. Hierdoor krijgt het een positieve lading. Tegelijkertijd raakt de ontvanger negatief geladen. Dit creëert een potentiaalverschil, waardoor een elektrische stroom wordt opgewekt.

In essentie is onze atoomenergiecel een gelaagde taart. 200 nikkel-63-energiebronnen zijn ingeklemd tussen 200 diamanthalfgeleiders. De energiebron is ongeveer 4 mm hoog en weegt 250 milligram. Het kleine formaat is een groot voordeel voor de Russische atoombatterij.

Het vinden van de juiste afmetingen is lastig. Een dikke isotooplaag voorkomt dat de elektronen die hij produceert ontsnappen. Een dunne isotooplaag is nadelig, omdat deze het aantal bètavervallen per tijdseenheid vermindert. Hetzelfde geldt voor de dikte van de halfgeleider. De batterij presteert het best met een isotooplaag van ongeveer 2 micron dik, terwijl een diamanthalfgeleider 10 micron nodig heeft.

Maar wat wetenschappers tot nu toe hebben bereikt, is niet het einddoel. De uitstoot van uitlaatgassen zou minstens verdrievoudigd kunnen worden. Dit betekent dat een kernbatterij drie keer goedkoper geproduceerd zou kunnen worden.

Een kernbatterij op basis van koolstof-14 die 100 jaar meegaat.

Deze atoombatterij heeft de volgende voordelen ten opzichte van andere stralingsenergiebronnen:

1. Goedkoopheid.
2. Milieuvriendelijk.
3. Lange levensduur tot wel 100 jaar.
4. Lage toxiciteit.
5. Veiligheid.
6. Geschikt voor gebruik onder extreme temperatuursomstandigheden.

Het radioactieve isotoop koolstof-14 heeft een halfwaardetijd van 5700 jaar. Het is volkomen niet-giftig en goedkoop.

Niet alleen de VS en Rusland, maar ook andere landen werken actief aan de modernisering van kernbatterijen! Onderzoekers hebben geleerd om een ​​film te laten groeien op een carbide substraat. Hierdoor zijn de kosten van het substraat met een factor 100 gedaald. Deze structuur is bestand tegen straling, waardoor deze energiebron veilig en duurzaam is. Door siliciumcarbide te gebruiken in kernbatterijen is het mogelijk om te werken bij temperaturen van 350 graden Celsius.

Zo zijn wetenschappers erin geslaagd om met eigen handen een atoombatterij te maken!