6.11.2023

В Институте лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ

создали прототип ядерной батарейки, работающей на изотопе плутония.

Ее мощность — 500 Вт,

но можно поднять и до нескольких кВт.

Но даже мощности прототипа хватит,
чтобы запитать метеостанцию в Арктике

или какой-либо из приборов космического аппарата.

Космос, освоение Арктики и других территорий с суровыми условиями,

работа на большой глубине,

мониторинг нефтепроводов большой протяженности

и
даже медицина

— основные области, где можно применить новинку.

Конечно, немного страшно,
когда слышишь, что такая обыденная для нас вещь, как батарейка,
будет с плутонием.

Тем самым, из которого делают атомные бомбы.

  .

Плутоний-238
— это «особая версия» плутония.

В природе он встречается только в таких мелких количествах,

что добывать его практически невозможно.

Цена этого токсического и радиоактивного вещества — около 2,5 миллионов долларов США за килограмм,

но даже при таких расценках эффективнее его синтезировать:
нужно бомбардировать нептуний-237
нейтронами.

238-й радиоактивен,

но в нем отсутствует гамма-излучение

(радиоактивное излучение состоит из трех типов) и практически полностью — бета-излучение.

Из трех спектров радиоактивных волн присутствует только альфа-излучение.

Его легко экранировать.

Плутоний-238 и плутоний-239

открыли в 1940-м году американские ученые-ядерщики.

Приблизительно в это же время получением и изучением изотопов плутония занялись

и советские умы от науки.

А уже через пять лет США с помощью ядерного оружия уничтожили японские города
Хиросима
(урановую атомную бомбу «Малыш» (Little Boy)

и
Нагасаки.
Три дня спустя, 9 августа 1945 года,
плутониевая атомная бомба «Fat Man» («Толстяк»),

Одна из бомб была на основе урана, другая — плутониевая.

В Союзе, оказавшемся в этой гонке позади, в 1946 году
в закрытом городке Челябинске-40 (его называли самым охраняемым городом в регионе) 

создали предприятие по производству урана и плутония,

годных для применения в ядерном оружии.

Это были слитки с чистотой 95% и выше.

И, как следствие, в 1949 Союз испытал свою первую атомную бомбу
в Семипалатинской области
Казахской ССР.

Репутация редкого металла быстро начала ассоциироваться с возможностью нанести военным противникам удары,

стирающие с лица земли целые города.

Плутоний прочно ассоциировался со смертоносным оружием массового поражения.

Но все же у изотопов были слишком разные свойства:

238-й не годился для применения в бомбах.

Напротив, чем выше его содержание в «оружейном» 239-м изотопе,
тем хуже — эффективность 239-го падает.

Если совсем упростить, — 238-й не способен взрываться.

Ученые начали обнаруживать интересные свойства.

В 1954 году сотрудники Маундовской лаборатории (США)

Кен Джордан и Джон Бьорде

изобрели радиоизотопный термоэлектрический генератор (в русскоязычной номенклатуре — РИТЭГ).

Кену и Джону повезло
— в их распоряжении было передовое оборудование и другие мощности,
которые использовали для разработки ядерного оружия во время холодной войны.

Установка работала на принципе распада радиоактивного элемента
— он нагревался до высоких температур,

просто существуя.

Так, один грамм оксида плутония-238 (238-PuO2)

генерирует 0,5 ватта тепловой энергии.

Если ее перевести в электрическую, то получим «батарейку».

У каждого изотопа на один или несколько электронов больше, чем нужно.

И они, в зависимости от своей структуры, рано или поздно стремятся «отдать» лишнее.

При этом выделяется тепло, его и переводили в электрическую энергию.

Как пустить тепло по электрическим проводам?

На тот момент уже были известны разные методы.

Термоэлектрический
— если спаять два провода из разных металлов
и нагревать один из них,

то по ним пойдет ток.

Позже появился термофотоэлектрический

— улавливать «детектором» в инфракрасном спектре фотоны.

Или даже термоэлектрический конвертер,
начинка которого из расплавленных солей натрия и серы
при нагреве тоже даст электричество.

В общем, перевод энергии из одного вида в другую не был проблемой.

Период полураспада — срок жизни изотопов.

У 238-го он 87,7 лет.

Через этот срок в килограмме лишь половина вещества останется изотопом,

а остальная часть избавится от «лишних» электронов

(и в данном случае превратится в уран-234).

Через еще 87,7 лет останется лишь 250 граммов.

Это значит, что РИТЭГом нельзя управлять.

Не получится загрузить на борт космического аппарата
десяток батареек
и менять их по мере надобности

— они все начинают работу еще до того, как их подключают к системе.

Постоянное уменьшение количества радиоактивного топлива означает и уменьшение тепла и электричества.

Но не все так плохо.

В космосе не только светло, но и темно

В батарейках на основе диоксида плутония-238

увидели смысл в космической промышленности.

Например, на околоземной орбите спутнику достаточно солнечных батарей размером с 4 парковочных места.

Для полета к Марсу понадобится вдвое большая площадь.

К Юпитеру — еще увеличить раз в 8.

Чем дальше от Солнца летит космический аппарат,
тем меньше и меньше и меньше эффективность солнечных батарей.

Поскольку абсолютно все тепло от работающей установки невозможно поглотить и передать на провода,

она ощутимо нагревалась.

Для космических аппаратов это оказалось даже плюсом
— абсолютный минус черного межпланетного пространства уже не страшен.

РИТЭГ давал спутникам и электричество, и тепло.

Кстати, в фантастическом фильме «Марсианин»
Ридли Скотта главный герой ищет решение

— ему нужно поехать на ровере на большое расстояние.

Чтобы не замерзнуть по ночам (в зависимости от удаленности от полюсов температура там составляет от -80 С до -135 С),
он берет с собой в путь небольшой РИТЭГ.

РИТЭГи были на «Вояджер-1»,

который в пути уже 46 лет
и является наиболее удаленным от Земли рукотворным объектом.

А еще он первым сделал снимки спутников Юпитера и Сатурна.

На «Вояджер-2» (у него и его собрата генераторы прослужат до 2025 года
— такие оценки в NASA),
марсоходе «Кьюриосити»

и ряде других космических аппаратов тоже РИТЭГи.

Стоит рассмотреть миссию «Кассини-Гюйгенс»

— она проработала почти 20 лет,

передала без малого полмиллиона снимков

и 635 гигабайт разных данных.

Станция несла зонд, который спустился на поверхность Титана
(спутник Сатурна,

на котором есть вода в стабильном состоянии)

и прислал фото с нее.

На борту было 32,8 килограмм чистого и свежего 238-го.

Затраты на миссию вышли больше, чем в 3,2 миллиарда долларов,

так что плутония было «всего» миллионов на 50.

Но самое важное — такое количество вещества ни одна страна в мире не могла произвести и за пару лет.

Но в NASA никогда не скрывали, что закупают 238-й у разных стран,

в том числе и у России.

Станция имела мощность 880 ватт

в 1997 и около 670 ватт в 2010. Но это лишь тепло; в начале миссии установка выделяла 292 Ватта электроэнергии.

Солнце взаперти

Если РИТЭГи уже давно успешно используются, то что предлагают российские ученые?

аппарата с серьезным запасом мощности на пару десятилетий,
а то и больше.

В батарейке МИФИ несколько иной принцип действия

— изотоп в вакуумной камере нагревается до 1500 градусов Цельсия

и начинает светиться.

Вся поверхность капсулы усеяна наносферами из вольфрама

— одного из самых тугоплавких материалов в мире

(напылять его приходится около 100 часов,
чтобы обработать капсулу размером с обычное ведро).

Это несколько изменяет спектр излучения в нужном направлении
и повышает эффективность изобретения.

Вокруг капсулы еще одна камера,

вся поверхность которой покрыта фотоэлементами.

Они схожи по своей природе с солнечными батареями,

но рассчитаны на длительную работу при высокой температуре и высокой интенсивности излучения.

Внутренняя камера нужна для «сдерживания» радиоактивного плутония

— она раскаляется до 1500 градусов Цельсия

(видимый человеческим глазом спектр свечения начинается уже после 527 градусов).

Изотоп находится там в вакуумном состоянии.
Внешняя камера изнутри усеяна светопоглотителями.

Заведующий кафедрой физико-технических проблем метрологии Института Ла Плаз НИЯУ МИФИ

д.ф-м.н. Петр Борисюк

считает, что при нынешних конфигурациях батарея проработает 10 лет без проблем.

А далее могут быть нужны замены элементов,
окружающих светящуюся капсулу, проводков, электроники и так далее.

По сути, капсулу можно поместить в новый контейнер, и она продолжит работу в новой системе.

Ученые представили установку, которая дает электричество за счет энергии полураспада изотопа плутония.

Этакая мини-АЭС,

способная работать без подзарядки 87 лет.

Мощность батареи — до 500 Вт.

Этого хватает, чтобы запитать, например, метеостанцию в Арктике.

Да что там, это вдвое больше,

чем мощность «Кассини-Гюйгенс», при меньшем размере.

Аппаратура на бортах космических аппаратов всегда зависит от мощности энергоустановок.

Больше мощности дает возможность поставить аппаратуру получше.

Пока что прототип вышел размером с микроволновку.

Но ученые продолжают работу.

Но космос где-то там, далеко от нас…

В НИЯУ МИФИ уже получили заказ от «Росатома»

на создание гражданской версии плутониевой батарейки.

Кто знает — может, через несколько лет мы сможем носить вечные часы или телефон,
который не нуждается в подзарядке.