В статье описан ядерный электрогенератор, а конкретно, радиоизотопный механо-электрический генератор с пьезоэлектрическим преобразователем, который может быть использован для источников энергообеспечения с длительным сроком эксплуатации в навигационно-связной аппаратуре, мобильных зарядных устройств (Power Bank) для смартфонов и планшетных компьютеров.
Ключевые слова: радиоизотопный механико-электрический генератор, пьезоэлектрический преобразователь, смартфон.
Известно [1], что бета-вольтаический эффект был открыт в 60–70-х годах прошлого столетия, но в последнее время интерес к нему существенно вырос. Преимущества энергетических источников на основе радиоизотопов являются большой срок работы (свыше 10 лет в зависимости от изотопа), низкий вес, небольшой размер, широкий температурный диапазон и высокая надежность. Именно поэтому создание радиационно-стимулированных источников энергии представляется актуальной задачей. Одним из веских оснований к применению радиоизотопных источников энергии служит ряд преимуществ перед другими источниками энергии. Во-первых, компактность и громадная энергоемкость изотопов, во-вторых, при создании гибридного источника тока с элементами накопления заряда время непрерывной работы будет зависеть только от периода полураспада. При этом периоды полураспада и соответствующая длительность работ таких батарей питания варьируются от нескольких (Pr-147) до ста лет (Ni-63).
Известен радиоизотопный механо-электрический генератор, описанный в патенте РФ на изобретение № 2643151 С1 от 02.12.2016 (прототип). Радиоизотопный механо-электрический генератор содержит основание, радиоизотопный источник постоянного напряжения, металлическую плату-эмиттер, диэлектрическую опору, пьезоэлектрический преобразователь, первый и второй электрод пьезоэлектрического преобразователя, первый металлический фиксатор, второй металлический фиксатор, электрические соединители. Недостатками такого радиоизотопного механо-электрического генератора являются низкая надежность электрического соединения коллектора радиоизотопного источника постоянного напряжения с металлической платой — эмиттера в жестких условиях эксплуатации (большой вибрации), которые могут быть при запусках аэрокосмических аппаратов, сложность при монтаже и невозможность получение дополнительного источника напряжения с другой частотой из-за отсутствия второго пьезоэлектрического преобразователя.
Описание ядерного электрогенератора . Как видно из рисунка 1 [2], ядерный электрогенератор (ЯЭГ) 1, содержит основание 2, отдельно расположенный радиоизотопный источник постоянного напряжения 3, металлическую плату-эмиттер 7, диэлектрическую опору 4, пьезоэлектрический преобразователь 5, первый и второй 27 электрод пьезоэлектрического преобразователя 5, выход регулируемого переменного напряжения 29 получаемого от пьезоэлектрического преобразователя 5, первый металлический фиксатор 23, второй металлический фиксатор 24, первый соединительный провод 18, второй соединительный провод 21, третий металлический фиксатор 25, четвертый металлический фиксатор 26, второй пьезоэлектрический преобразователь 6, первый и второй электрод 28 второго пьезоэлектрического преобразователя 6.
ЯЭГ 1 имеет второй выход 30 регулируемого переменного напряжения получаемого от второго пьезоэлектрического преобразователя 6, при этом первый выход радиоизотопного источника постоянного напряжения 3 соединен соединительным проводом 18, через контактные зажимы со вторым металлическим фиксатором 24, расположенным на диэлектрической опоре 4. Второй выход радиоизотопного источника постоянного напряжения 3 соединен соединительным проводом 21, через контактные зажимы, с третьим металлическим фиксатором 22 расположенным на диэлектрической опоре 4.
В другом варианте, радиоизотопный источник постоянного напряжения 3, содержит первый коллектор 8, второй коллектор 9 изготовленные из металла, первой диэлектрической опоры винтового типа 11, второй диэлектрической опоры винтового типа 12 изготовленные из фторопласта, первый регулятор зазора коллектора 13, второй регулятор зазора коллектора 14, третий регулятор зазора коллектора 15 и четвертый регулятор зазора коллектора 16, металлическая плата-эмиттер 7 с нанесенным на ее поверхность верхним и нижним слоем пленки радиоизотопа 10.
Первый выход первого коллектора 8 содержит первый контактный зажим 17, который при помощи соединительного провода 18 соединен со вторым контактным зажимом 19 второго металлического фиксатора 24 размещенным на диэлектрической опоре 4. Первый выход второго коллектора 9 содержит третий контактный зажим 20, который при помощи соединительного провода 21 соединен с четвертым контактным зажимом 22 третьего металлического фиксатора 25 размещенным на диэлектрической опоре 4. Металлическая плата-эмиттер 7, размещенная между первым 8 и вторым коллекторами 9 с нанесенными на поверхность радиоизотопами является эмиттером 10 жестко закреплена на диэлектрической опоре 4, при этом первый коллектор 8 и второй коллектор 9 соединены между собой при помощи первого 13, второго 14, третьего 15 и четвертого 16 регулятора зазора коллектора на первой 11 и второй 12 диэлектрических опорах винтового типа.
Регулируя первый 13 и второй 14 регуляторы зазора коллектора, изменяется зазор между первым коллектором 8 и металлической пластиной-эмиттером 7 с нанесенным на поверхность верхним и нижним слоем пленки радиоизотопа 10, что позволяет регулировать выходное постоянное напряжение на первом выходе радиоизотопного источника постоянного напряжения 3.
Регулируя третий 15 и четвертый 16 регуляторы зазора коллектора изменяется зазор между вторым 9 коллектором и металлической пластиной-эмиттером 7 с нанесенным на поверхность верхним и нижним слоем пленки радиоизотопа 10, что позволяет регулировать выходное постоянное напряжение на втором выходе радиоизотопного источника постоянного напряжения 3.
Рис. 1. Блок-схема (слева) и макет для исследований ЯЭГ
Еще в одном варианте, металлическая плата-эмиттер 7 содержит пленку 10 бета-изотопа никель-63 нанесенного на верхнюю и нижнюю поверхность металлической платы 7, предназначенной для формирования структуры эмиттера радиоизотопного источника постоянного напряжения. В другом частном варианте, первый 5 и второй 6 пьезоэлектрический преобразователь выполнен из монокристаллического материала со сформированной бидоменной структурой, на краях которых сформированы по всей площади верхней и нижней поверхности первого 5 и второго 6 пьезоэлектрических преобразователей тонкопленочные металлические электроды 27 и 28, к которым присоединены первый 29 и второй 30 выводы выходного напряжения соответственно.
Один из электродов 27 первого пьезоэлектрического преобразователя 5 электрически, через второй металлический фиксатор 24, с помощью второго контактного зажима 19 соединен соединительным проводом 18 с первым контактным зажимом 17 первого коллектора 8, один из электродов 28 второго пьезоэлектрического преобразователя 6 электрически, через третий металлический фиксатор 25, с помощью четвертого контактного зажима 22 соединен соединительным проводом 21 с третьим контактным зажимом 20 второго коллектора 9.
Регулировкой первого 23 и второго 24 металлического фиксатора на диэлектрической опоре 4, обеспечивается изменение вылета первого пьезоэлектрического преобразователя 5 и расстояния между жестко закрепленной в сквозном отверстии диэлектрической опоры 4 металлической платой-эмиттера 7 и первым пьезоэлектрическим преобразователем 5, длина которого обеспечивает заданною первую резонансную частоту 33. Регулировкой третьего 25 и четвертого 26 металлического фиксатора обеспечивается изменение вылета второго пьезоэлектрического преобразователя 6 и расстояния между жестко закрепленной в сквозном отверстии диэлектрической опоры 4 металлической платой-эмиттера 7 и вторым пьезоэлектрическим преобразователем 6, длина которого обеспечивает заданною вторую резонансную частоту 34.
Еще в одном варианте [2], диэлектрическая опора 4 выполнена из фторопласта и имеет первый сквозной проем, обеспечивающий возможность регулировки зазора и вылета первого пьезоэлектрического преобразователя 5, третий сквозной проем, обеспечивающий возможность регулировки зазора и вылета второго пьезоэлектрического преобразователя 6, и содержит первый металлический фиксатор 23, второй металлический фиксатор 24, третий металлический фиксатор 25 и четвертый металлический фиксатор 26. Второй металлический фиксатор 24 имеет второй контактный зажим 19, третий металлический фиксатор 25 имеет четвертый контактный зажим 22. Второй сквозной проем обеспечивает жесткое крепление металлической платы-эмиттера 7, первый 23 и второй 24 металлический фиксатор являются также контактами для первого пьезоэлектрического преобразователя 5, третий 25 и 26 четвертый металлический фиксатор являются также контактами для второго пьезоэлектрического преобразователя 6. В другом варианте [2], первый 5 и второй 6 пьезоэлектрический преобразователь выполнен из монокристаллического ниобата лития (LiNbO3) со сформированной бидоменной структурой.
ЯЭГ 1 смонтирован на основании 2. Отдельно расположенный радиоизотопный источник постоянного напряжения 3 содержит металлическую плату 7 с нанесенной на нее пленкой 10 радиоактивного изотопа Ni-63 размером 5×5 мм, является эмиттером, а коллекторы 8 и 9 выполненные из металла и имеют размер 7×7 мм. Коллекторы 8 и 9 имеют контактные зажимы 17 и 20 для подсоединения соединительных проводов 18 и 21 соответственно. Фторопластовые опоры коллекторов винтового типа 11 и 12 позволяют регулировать зазор эмиттер-коллектор в интервале 0÷1 мм для установки необходимого постоянного напряжения на первом выходе и втором выходе от радиоизотопного источника постоянного напряжения 3. Коллекторы 8 и 9 собирают электроны, излучаемые пленкой 10 с радиоактивным изотопом Ni-63, а положительные заряды остаются на эмиттере 7. Конденсатор эмиттер-коллектор теряет заряд через ток смещения и ионизационные утечки, но увеличение расстояния между эмиттером 7, и коллекторами 8 и 9, позволяют снизить электрическое поле в плоскопараллельном конденсаторе и ток ионизации может быть сведен к минимуму (в соответствии с методикой, описанной в патенте США № 7301254 от 27.11.2007). Отдельно расположенная от радиоизотопного источника постоянного напряжения 3 опора 4, выполненная из фторопласта и закреплена вертикально на основании 2. Опора 4 содержит два сквозных проема, которые обеспечивают возможность регулировки вылета балки первого 5 и второго 6 пьезоэлектрических преобразователей, и содержит металлические фиксаторы 23, 24, 25 и 26 положения пьезоэлектрических преобразователей 5 и 6, являющиеся также контактами для электровыводов 27 и 28, и выводы выходного напряжения 29 и 30 ЯЭГ 1. Первый 23, второй 24, третий 25 и четвертый 26 фиксаторы выполнены из металла. Второй 24 и третий 25 фиксаторы имеют контактные зажимы 19 и 22 для подсоединения соединительных проводов 18 и 21. Пьезоэлектрические преобразователи 5 и 6 выполнены из монокристаллического ниобата лития со сформированной бидоменной структурой, имеют размеры 25×5×0,2 мм, задаваемые требованием наличия заданной частоты собственных колебаний консоли после релаксации заряда и имеют 2 плоскопараллельные грани. Тонкопленочные электроды 27 и 28 пьезоэлектрических преобразователей 5 и 6 сформированы по всей площади верхней и нижней поверхностей балки методом магнетронного распыления.
ЯЭГ 1 [2] содержит металлическую плату 7, расположенную параллельно пьезоэлектрическим преобразователям 5 и 6 на некотором расстоянии от них. Металлическая плата 7 расположена перпендикулярно опоре 4, содержит на торце пленку 10 с радиоактивным изотопом никель-63 (Ni-63). За счет электрического соединения 18 электрод пьезоэлектрического преобразователя 5 постоянно находится под потенциалом коллектора 8. За счет электрического соединения 21 электрод пьезоэлектрического преобразователя 6 постоянно находится под потенциалом коллектора 9. За счет нанесения на торец металлической платы 7 пленки 10 с радиоактивным изотопом никель-63 (Ni-63), отсутствует соединительный провод, и поэтому металлическая плата 7 постоянно находится под потенциалом эмиттеров 8 и 9. В отличии от прототипа, за счет отсутствия соединительного провода между радиоизотопным источником постоянного напряжения 3 и металлической платой-эмиттером 7, повышается надежность электрического соединения. Электростатическое притяжение вызывает изгиб 33 упругого пьезоэлектрического преобразователя 5 в небольшой части зазора, а затем из-за упругости пьезоэлектрического преобразователя 5 он возвращается в исходное положение. Электростатическое притяжение вызывает изгиб 34 упругого пьезоэлектрического преобразователя 6 в небольшой части зазора, а затем из-за упругости пьезоэлектрического преобразователя 6 он возвращается в исходное положение. Этот цикл повторяется, и пьезоэлектрический преобразователь 5 и 6 непрерывно генерируют переменное синусоидальное напряжение, частота которого зависит от свойств пьезоэлектрических преобразователей 5 и 6 (упругость, размеры), и от зазора между потенциальным электродами 27 и 28 пьезоэлектрических преобразователей 5 и 6, и металлической платой 7, и длинами вылета пьезоэлектрических преобразователей 5 и 6.
В ЯЭГ [2], в отличие от прототипа, существует возможность регулировки независимых от свойств пьезоэлектрических преобразователей 5 и 6 параметров и, как следствие, возможность устанавливать требуемых двух независимых частот выходного напряжения на выходах 29 и 30, а так же существует возможность регулировки независимых двух постоянных напряжений путем изменения регуляторами 13, 14, 15 и 16 зазора между первым коллектором 8 и металлической платой-эмиттером 7, и зазора между вторым коллектором 9 и металлической платой-эмиттером 7. Таким образом, достигается технический результат [2]: создания возможности подбора и регулировки двух частот выходного переменного напряжения за счет изменения длин свободной части первого 5 и второго 6 пьезоэлектрических преобразователей в процессе сборки, получения двух переменных напряжений на первом 29 и втором 30 выводах ядерного электрогенератора.
Было экспериментально установлено, что при используемых для реализации предлагаемой конструкции ЯЭГ 1 комплектующих, регулировка позволяет изменять частоту выходного переменного напряжения на выходах 29 и 30 в интервале 100–10000 Гц.
Известно [3], что основным материалом рабочего элемента пьезоэлектрических генераторов в настоящее время является пьезокерамика на основе цирконата-титаната свинца (PZT). Главное достоинство пьезокерамики — большие значения продольных и поперечных пьезоэлектрических модулей. Однако для пьезокерамики характерны такие недостатки, как значительный гистерезис (до 20 %), сильная зависимость пьезомодулей от температуры, низкая температура Кюри, ползучесть. Значительно более стабильными характеристиками обладают монокристаллические пьезоэлементы, в частности из кристаллов ниобата лития (LiNbO3).У кристаллов LiNbO3 практически отсутствует гистерезис электромеханической деформации, пьезоэлектрические модули слабо зависят от температуры в интервале от криогенных до нескольких сотен градусов Цельсия, а температура Кюри превышает 1000°С, и их пьезоэлектрические характеристики стабильны во времени. В сравнении с PZT-керамикой генератор на основе бидоменного монокристаллического LiNbO3 показал эффективность, равную 78 %, в то время как PZT-биморф имел эффективность ~ 65 %. В [3], описан один из способов создания биморфного рабочего элемента из монокристаллического LiNbO3 для ЯЭГ 1, использующих энергию β-распада и предложен метод формирования бидоменной структуры в пластине LiNbO3 отжигом в неоднородном электрическом поле при температуре фазового перехода. В патенте РФ № 2566142 С2 от 12.12.2013, предложен способ формирования бидоменной структуры в пластине толщиной — 300 мкм, которая требуется для изготовления пьезокерамических преобразователей 5 и 6.
В настоящее время известен материал и способ его получения, применяемый для ядерных электрогенераторов: радиоактивный изотоп никель-63 (Патент РФ № 2313149 С1 от 20.06.2006). Для ЯЭГ 1 изотоп никель-63 должен производиться в достаточном количестве и по приемлемой стоимости. Высокопоточный реактор СМ-2 использован быть не может, поскольку объем для размещения мишеней невелик (несколько литров), а стоимость нейтронного потока слишком высока. Другим недостатком является высокая стоимость обогащения мишени с 99 % никеля-62. Крупномасштабное производство никеля-63 требует более доступных и дешевых составляющих технологии. Для облучения лучше использовать не высокообогащенный (97–99 %) никель-62, а никель среднего обогащения 50–80 %. Стоимость такого мишенного никеля при значительном его производстве заметно ниже. Облучение большого количества более дешевого никелевого сырья следует производить нейтронными потоками среднего уровня. Такие мишени можно ставить на многомесячное облучение в уран-графитовые реакторы типа РБМК, в промышленные реакторы, где облучение не такое дорогое, как в ядерном реакторе типа СМ-2. Данный подход позволит облучать практически постоянно большое количество (сотни кг) никелевых мишеней, не нарушая плановых режимов работы ядерных реакторов.
Заключение. Создание ЯЭГ 1 с применением бета-изотопа никель-63 представляется чрезвычайно перспективным направлением разработок по нескольким причинам.
Во-первых, энергия бета электронов варьируется в диапазоне от 0 до 66,7 кэВ со средним значением 17,1 кэВ. Такие энергии лежат ниже диапазона дефектообразования и не могут приводить к дефектам и разрушению пьезокерамических преобразователей 5 и 6. Таким образом, время работы ЯЭГ 1 будет определяться только временем бета распада источника (для никель-63 до 100 лет).
Во-вторых, электроны даже с максимальной энергией 66,7 кэВ не могут проникнуть в кожные слои человека и нанести тем самым вред его здоровью. Также количество носителей, генерируемых одним бета электроном, варьируется от 4500 до 17500 электронно-дырочных пар для энергий 17,1 и 66,7 кэВ соответственно.
В-третьих, несмотря на низкую энергетическую плотность никель-63 (0,1–1 мкВт/см2), его можно применять в микробатареях с мощностью <200 нВт/см3.
Предлагаемый ЯЭГ может быть использован для перспективных батарей электропитания навигационно-связной аппаратуры, мобильных зарядных устройств (Power Bank) для зарядки и электропитания смартфонов, планшетных компьютеров.
Литература:
1. Нагорнов Ю. С. Современные аспекты применения бета-вольтаического эффекта. Ульяновск, ФГБОУ ВПО УлГПУ им. И. Н. Ульянова, 2012. — 113 С.
2. Мосиенко С. А. Ядерный электрогенератор // Патент России на полезную модель № 182185. 2018 г. Бюл. № 22.
3. Малинкович М. Д., Быков А. С., Кубасов И. В., Киселев Д. А., Ксенич С. В., Жуков Р. Н., Темиров А. А., Тимушкин Н. Г., Пархоменко Ю. Н. Формирование бидоменной структуры в пластинах ниобата лития, предназначенных для бета-вольтаических генераторов переменного тока // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2015. Т. 18, № 4. С. 255–260.
