Китайские ученые создали ядерную батарею с 50-летним сроком службы

Почему ядерная батарея на стронции-90 перевернет энергетику: честный разбор

Представьте датчик в жерле вулкана, спутник на орбите Юпитера или глубоководный аппарат на дне Марианской впадины. Менять батарейки там нельзя. Литий-ионные аккумуляторы умирают от холода, солнечные панели не работают в темноте. А обычные ядерные батареи (RTG) — громоздкие и дорогие. Китайские инженеры из Сямэньского университета и Китайского института атомной энергии предложили иное решение — компактный радиофотоэлектрический элемент на стронции-90. Он работает 50 лет без обслуживания. И это не фантастика.

Как это работает на пальцах

В классическом RTG радиоактивный распад греет термопару — получается электричество. КПД там 5–10%, но нужен массивный радиатор. Новая схема — RPVC (Radio-photovoltaic cell) — использует свет. Внутри — сцинтиллятор из GAGG:Ce (гадолиний-алюминиево-галлиевый гранат с церием). Бета-частицы стронция-90 попадают в кристалл, он начинает светиться зеленым (пик 520 нм). Этот свет собирается волноводами и попадает на фотоэлементы. Никаких движущихся частей, никаких термопар. Просто, как фонарик с ядерным топливом.

Одно из главных достоинств — отсутствие потребности в обслуживании. Батарея герметична, не боится вакуума, давления и перепадов температуры. Это идеальный источник для систем, где человек не появится десятилетиями.

Недавно я заметил: даже дорогие литиевые аккумуляторы теряют до 20% емкости за 5 лет. А здесь, после моделирования 50 лет облучения, оптические свойства упали всего на 13,8%. Это близко к вечности по меркам электроники.

Цифры, которые впечатляют

Одиночный модуль выдает 48,9 микроватт. Этого хватит на питание маленького датчика или маячка. Многомодульный блок (скорее всего, 64 элемента) дает уже 3,17 милливатт — ток короткого замыкания 2,23 мА при напряжении 2,14 В. Для сравнения: стандартный RTG для глубоководных зондов весит килограммы, а этот элемент — меньше спичечного коробка.

Эффективность преобразования — 2,96%. Да, это мало по сравнению с солнечными панелями (20%), но для ядерного источника это прорыв. Существующие аналоги (другие радиофотоэлектрические системы) дают меньше 1%. Так что втрое выше — не маркетинг, а реальная инженерная победа.

Почему стронций-90? Он дешевле плутония-238 (который используется в космических RTG) и доступнее. Период полураспада 28,8 лет — оптимален для 50-летних миссий. Но у него есть обратная сторона: он излучает бета-частицы, которые требуют экранирования. Разработчики утверждают, что с этим справились.

Почему это не для всех (пока)

Технология выглядит сказочной, но есть нюанс. Массовое производство упирается в два фактора:

• Стоимость радиоизотопов. Стронций-90 — продукт переработки отработанного ядерного топлива. Его выделение и очистка дороги. Пока он есть только в виде экспериментальных партий.
• Масштабирование. Волноводы GAGG:Ce — сложные кристаллы. Выращивать их большой площадью и интегрировать с фотоэлементами непросто. Выход годных пока низкий.

Поэтому первые коммерческие применения — космические зонды, океанские измерительные станции, арктические метеобуи. Для бытовой электроники мощность маловата. Но если научатся снижать цену в 10 раз, то такие батареи появятся в имплантах, IoT-сенсорах и даже в «умной» обуви (да, некоторые стартапы уже задумываются об этом).

Резюме от автора

Китайцы сделали шаг от толстых и горячих RTG к тонким и холодным фотоэлементам. 2,96% — не рекорд в абсолютных цифрах, но для ядерной энергетики это уровень, когда компактный источник может работать полвека. Пока это нишевая история для тех, кто не может подойти и заменить батарейку. Но если цена на стронций упадет, мы увидим «вечные» сенсоры повсюду. Стоит следить за развитием — возможно, через 10 лет ваш кардиостимулятор будет работать без подзарядки.