От глубин океана до недр космоса: где пригодятся первые отечественные «атомные батарейки»

Первые отечественные бета-вольтаические источники энергии (популярным языком — «атомные батарейки») — яркий прорыв, отмеченный премией президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых за 2025 г. Технология полностью продумана и готова к внедрению. О деталях и перспективах изобретения корреспонденту «Научной России» рассказал заместитель директора отделения — начальник научно-исследовательского отдела Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов им. ак. А.А. Бочвара госкорпорации «Росатом» Александр Сергеевич Аникин, удостоенный высокой награды вместе с коллегой, директором по развитию производства компании «Фарматом» Павлом Сергеевичем Мосеевым.

«Принцип работы созданных бета-вольтаических источников энергии (БВИ) основан на преобразовании энергии радиоактивного распада трития в электрический ток, — объяснил кандидат технических наук А.С. Аникин. — Эти изделия состоят из трех функциональных элементов: источника бета-излучения, полупроводникового преобразователя и корпуса, в который заключаются первые два компонента. Бета-частицы, испускаемые тритием, попадают в полупроводниковый преобразователь и вызывают в нем так называемый лавинный эффект, то есть генерируют вторичные электроны, которые, аннигилируясь “дырками” в следующем слое преобразователя, создают электрический ток».

Преимущество «атомных батареек» — длительный срок службы. Отечественные БВИ способны проработать более 15 лет. Важное свойство новых «ядерных батареек» — возможность использования в экстремальных средах: в широком диапазоне давлений (вплоть до вакуума) и температур (от −50 °C до +100 °C). Таким образом, изобретение пригодится для обеспечения энергией систем, которые по тем или иным причинам нет возможности регулярно обслуживать, в том числе в суровых условиях и там, где нельзя извлечь электричество из солнечного света. Например, при существующей небольшой мощности (около 20 мкВт) новые БВИ можно использовать для питания различных датчиков и блоков памяти на космических спутниках и беспилотных летательных аппаратах, на океанических буях, в составе устройств в шахтах и глубоко под водой, на высокогорных и арктических территориях.

Высока вероятность, что «атомные батарейки» на тритии смогут принести пользу и в быту. Один из вариантов — широко используемые крошечные микроэлектромеханические системы (МЭМС), в том числе применяемые в технологиях «интернета вещей». Источники питания с длительным сроком службы помогут преодолеть трудности, связанные с обслуживанием этих микроскопических устройств. Другой перспективный вариант — кардиостимуляторы: новые «ядерные батарейки» отлично подходят на роль источников энергии для этих медицинских приборов благодаря достаточной мощности, способности работать в импульсном режиме и безопасности за счет полного поглощения корпусом ионизирующего излучения.

«В рамках нашего проекта уже была изготовлена опытная партия БВИ. Она успешно прошла квалификационные испытания на механическую прочность, устойчивость к климатическим факторам и специальным воздействиям. Все результаты были переданы заказчику, по чьему требованию разрабатывались устройства, — поделился А.С. Аникин. — В настоящее время мы готовы приступать к дальнейшему производству БВИ, так как технология их изготовления, в принципе, уже внедрена. Мы ведем переговоры о дальнейшем сотрудничестве с рядом российских организаций». 

В настоящее время рассматриваются два основных кандидата на роль источника бета-излучения для «атомных батареек»: тритий и никель-63. Россия входит в число глобальных лидеров по развитию технологий получения обоих изотопов. Примечательно, что ранее БВИ на тритии производились только в США, в других странах разработки пока находятся на стадии макетов.

«Тритий и никель-63 — два основных перспективных радиоизотопа, рассматриваемых в качестве источников излучения в составе БВИ. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки, — отметил А.С. Аникин. — В частности, тритий имеет достаточно небольшой период полураспада — 12,3 года. У никеля-63 он составляет 100 лет, но это напрямую связано с основным недостатком этого радиоизотопа. По этой причине никель-63 обладает низкой радиоактивностью — соответственно, он генерирует менее интенсивный поток бета-частиц и, как следствие, имеет более низкую исходную мощность излучения для преобразования в электрический ток. Другими словами, тритиевые источники бета-излучения первоначально мощнее никелевых, но обладают меньшим сроком службы. А у никеля-63 мощность излучения ниже, чем у трития, но БВИ на его основе могут работать дольше. Помимо этого, никель в несколько раз дороже трития. Это сказывается на стоимости конечных устройств». 

Работа с тритием была сопряжена с определенными техническими сложностями. Так как поток бета-частиц, испускаемых этим радиоизотопом, не очень интенсивен, возникла необходимость расположить источник излучения как можно ближе к преобразователю. Но исследователи успешно справились с этой задачей. 

Несмотря на использование энергии радиоактивного распада, новые БВИ безопасны для людей и техники.

«Тритий — самый мягкий бета-излучатель среди известных науке. Пробег бета-частицы от трития в воздухе составляет несколько миллиметров. Поэтому частично экранироваться от такого излучения можно даже листом бумаги, — подчеркнул А.С. Аникин. — В нашем случае БВИ заключены в тонкостенный металлокерамический корпус, поглощающий радиоактивное излучение трития на 100%. Требования к такому типу устройств как раз и предполагают использование мягкого бета-излучателя, не вызывающего повреждение полупроводникового преобразователя и неспособного навредить людям и окружающему оборудованию. Кроме того, именно применение радиоизотопов, испускающих бета-частицы с низкими энергиями, позволяет добиться миниатюризации устройств. При использовании более мощных радионуклидов потребовалось бы создавать дополнительные слои изоляции или обеспечивать биологическую защиту для экранирования от излучения».

Российские ученые создали для «атомных батареек» мощные источники бета-излучения, в два — два с половиной раза превосходящие по удельной мощности продукцию американской City Labs — самого известного производителя БВИ на тритии. Хотя КПД преобразования энергии пока уступает зарубежным аналогам, ведется работа над его улучшением. Все комплектующие новых БВИ — отечественного производства.

 «Удельная мощность наших тритиевых источников бета-излучения составляет примерно 1 мкВт/см², что в два — два с половиной раза выше, чем у систем, применяемых нашими американскими коллегами. Добиться такого рекордного показателя помогли оптимальные режимы технологии производства и тщательный подбор материалов, позволившие достичь максимальной концентрации трития в активном слое источника излучения, — отметил А.С. Аникин. — Это создает прочный фундамент для дальнейшего развития направления. Если мы получим такой же КПД преобразования энергии, как у зарубежных коллег, то токовые характеристики наших бета-вольтаических элементов тоже окажутся в два с половиной раза выше, чем у наших конкурентов». 

А.С. Аникин добавил, что сейчас исследователи как раз занимаются вопросом повышения КПД. «Мы контактируем с организациями, занимающимися изготовлением полупроводниковых преобразователей. В связке с ними мы планируем найти более эффективные преобразователи, чтобы использовать для генерации электрического тока низкоэнергетическое бета-излучение. Итоговый результат зависит от типа преобразователей, а также их конструктивных особенностей и специфики изготовления». Другая цель, которую преследуют ученые, — добиться еще большей миниатюризации полученных источников энергии.

Помимо разработки самих устройств, лауреаты премии оптимизировали саму технологию производства «ядерных батареек». Новые решения позволили вдвое ускорить процесс изготовления БВИ, при этом количество выпускаемых изделий возросло вчетверо, а доля годной к эксплуатации продукции увеличилась до 95%.

Исследователи позаботились и о безопасности производства. Команда использовала технологию очистки, максимально предотвращающую попадание радиоактивного трития в воздух на предприятии. В будущем этот подход планируется использовать для очистки газовых потоков на строящемся Международном экспериментальном термоядерном реакторе (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER), поскольку тритий — один из ключевых участников процесса термоядерного синтеза.

«Эта технология называется детритизацией газовых потоков методом фазового изотопного обмена. Ее подтвержденная эффективность составляет 10⁶ раз и при необходимости может быть сильно увеличена. Другими словами, газовый поток на выходе из такой установки оказывается в 1 млн раз чище с точки зрения содержания трития, чем на входе, — поделился А.С. Аникин. — Эта технология разработана достаточно давно, но в промышленности ее пока никто не применял. Полагаю, что в рамках нашего проекта такая установка впервые использовалась на российском производстве. Сейчас мы как раз продвигаем эту технологию, особенно в нашей стране, чтобы она внедрялась на предприятиях атомной отрасли для очистки от трития различных газовых потоков».

Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источники

Комментарии А.С. Аникина

ТАСС. Пресс-конференция, посвященная объявлению лауреатов премии президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых за 2025 г.

Официальный сайт президента России (kremlin.ru). О лауреатах премии президента в области науки и инноваций для молодых ученых за 2025 г.

«Вестник атомпрома». Тритий не лишний

«Российская газета». Юрий Медведев. Разработки лауреатов премии президента РФ стали прорывами в мировой науке

«НТВ». Эдмунд Желбунов. Люди, опережающие время: какие разработки принесли награды молодым ученым

«Вести.Ру». Ученый Аникин: атомные батарейки могут начать использовать в кардиостимуляторах

«Вести.Ру». Ученый Аникин: наши атомные батарейки будут работать в экстремальных условиях

«Вести.Ру». Ученый Аникин: РФ впереди планеты всей в освоении технологий производства трития

«Вести.Ру». Ученый Аникин: мощность отечественных тритиевых источников выше, чем у аналогов 

«Вести.Ру». Ученый Аникин: цель — повысить КПД преобразования бета-излучения трития

«Вести.Ру». Ученый Аникин объяснил принцип работы российских атомных батареек 

Источник изображения на слайде: freepik / фотобанк Magnific (ранее Freepik). 

Фото на превью: архив АО «ВНИИНМ».  

Источник изображения: архив АО «ВНИИНМ», rawpixel.com / фотобанк Magnific (ранее Freepik), upklyak / фотобанк Magnific (ранее Freepik), starline / фотобанк Magnific (ранее Freepik).