Как работают плутониевые кардиостимуляторы
Как следует из термина «термоэлектрический», тепло от разлагающегося плутония используется для выработки электричества, которое стимулирует сердце. В начале 2000-х в США было от 50 до 100 человек с кардиостимуляторами, работающими на атомной энергии. Каждый раз, когда один из этих людей умирал, кардиостимулятор извлекали и отправляли в Лос-Аламос, где впоследствии извлекали и восстанавливали плутоний.
Как видно на фотографии кардиостимулятора (уже без плутония) выше, электроника устройства заключена в эпоксидную смолу. Твердый титановый корпус спроектирован таким образом, чтобы выдерживать любые вероятные события повреждения, включая выстрелы и кремацию.
Доза излучения на поверхности кардиостимулятора составляет приблизительно 5-15 мбэр (микробэр, «биологический эквивалент рентгена», единица измерения) в час от испускаемых гамма-лучей и нейтронов. По оценкам, облучение всего тела составляет приблизительно 0,1 бэр в год для пациента и приблизительно 7,5 мбэр в год для его супруги. Для сравнения, 100 мбэр — это фоновое облучение, которое человек в среднем получает за год.
Зачастую плутониевые кардиостимуляторы переживали своих владельцев. В 1973 году сотрудник Медицинского центра Ньюарк Бет-Исраэль доктор Виктор Парсоннет установил 20-летней женщине кардиостимулятор фирмы Numec NU-5. На тот момент устройство обошлось пациентке в 23 000 долларов в пересчете на современный курс. Однако в долгосрочной перспективе ядерный кардиостимулятор оказался весьма экономным – любой другой аналогичный прибор за такой срок потребовалось бы сменить от четырех до пяти раз.
По данным Парсоннета, NU-5 установили 139 больным. Большинства их уже нет в живых.
Батарейкой в таком кардиостимуляторе, как мы уже сказали, служит радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующий её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора. По сравнению с ядерным реакциями деления, которые протекают на обычных атомных станциях, РИТЭГ гораздо более компактны. КПД у них небольшое, как и выходная мощность, однако они не требуют обслуживания и работают десятилетиями. Многие спутники, которые мы запускали в холодные глубины космоса, вроде тех же «Вояджеров», уносили с собой РИТЭГ с плутонием-238 — в этом секрет их долговечной работы.
Почему же мы не используем такие вечные батарейки везде? Дело в том, что у нас закончился плутоний-238. Когда-то его производили как побочный материал при производстве ядерного оружия. Однако те времена давно прошли, а наладить производство непосредственно плутония-238 не успели.
Не забудьте подписаться на наш канал с новостями.
Как возникла идея создания батареи?
Атомная батарейка — довольно-таки современная разработка XXI века. Однозначно, данное изобретение открыло огромное количество возможностей в деятельности как наземных, так и космических областей деятельности. Но действительно ли она не приносит вреда здоровью, как об этом везде говорят?
Идея появления небольших атомных реакторов относительно недавно получила большое распространение. Ученые выдвинули предположения о том, что такая батарейка для телефона позволит избавиться от проблемы необходимости подзарядки. О первом прототипе батарейки, использующей в своей работе атомную энергию, заговорили на отечественном предприятии «Росатом». Никакой определенной конкретики не было. Как говорят инженеры, первый компактный атомный реактор может быть изготовлен в 2017 году. Принцип действия такой батарейки будет состоять в использовании энергии химических реакций, происходящих при участии изотопа никеля. Если говорить более точно, речь идет о бета-излучении. Интерес представляет тот факт, что батарейка, созданная по данному принципу, будет работать в течение 50 лет. Размер такого элемента будет достаточно компактный. Чтобы иметь представление о том, какие габариты будет иметь атомный аккумулятор, достаточно представить себе, что простую батарейку уменьшили в 30 раз.
Принцип работы атомной батарейки
Работы над подобным источником питания ведутся давно. Перспективы у такой разработки большие. Человечество получит небольшой по размерам источник питания с длительным сроком службы.
Такие работы ведутся не только в России, но и за рубежом. Уже получены первые рабочие образцы как в нашей стране, так и других. В качестве источников, помимо углерода-14, взяты Ni-63 и тритий.
Для основы этой ядерной батарейки выбран углерод-14. Этот элемент имеет преимущество перед другими изотопами, которые можно было бы использовать в атомных батарейках. Несомненными плюсами этого изотопа являются:
- экологичность;
- дешевизна;
- длительный период эксплуатации.
Период полураспада этого вещества — 5700 лет и, самое главное, он нетоксичен. Для атомных батарей предлагают использовать Ni-63, который является для человека токсичным.
Российская атомная батарейка 2V на никеле-63 с периодом полураспада 100 лет
Атомная батарейка, принцип работы которой построен на преобразовании энергии из атомной в электрическую, уже не является фантастикой. Источником в ней служит радиоактивный изотоп.
Ни один аккумулятор не сравнится с ней по эффективности.
Схема строения атомной батарейки:
- Источник излучения. Самая простая батарейка состоит из источника, излучающего энергию. В ходе преобразований такая энергия переходит в электрическую. Еще одним компонентом батареи является коллектор, отделенный от источника диэлектрической пленкой. Принцип ее работы в том, что при распаде источник радиоактивного излучения испускает бета-лучи, которые выступают в виде положительной части батареи. А коллектор — это отрицательная часть батареи. Между ними возникает разность зарядов.
- Подложка. Еще одной частью батареи является «подложка». В этом качестве используется пористая карбидокремниевая гетероструктура. Это новый материал. Изготовляется эта часть путем наращивания на кремневое основание карбидной пленки. Такая подложка удешевляет стоимость батарейки. Структура продемонстрировала высокую устойчивость к радиации.
- Карбид кремния — это полупроводник. Он изначально способен выдерживать высокие температуры вплоть до +350°C. Он в 10 раз превосходит кремний в противостоянии радиации.
Плюсы и минусы ядреной батарейки
Все существующие атомные батареи не оптимизированы. Это означает, что все они имеют избыточный объем бета-источника. Если толщина источника слишком велика, то электроны, образующиеся в ходе реакции, не смогут оторваться от него. Этот процесс ученые называют самопоглощением.
Если изготавливать батареи со слишком тонким источником, то сократится число бета-распадов за единицу времени. Такие же проблемы наблюдаются с изготовлением преобразователя.
О создании первого прототипа было объявлено в 2016 г. При его разработке удалось частично решить вышеназванные проблемы.
Но производство в промышленных масштабах пока не налажено. Появление первых атомных элементов на рынке ожидается не раньше 2020 г.
Несмотря на все усилия ученых, ядерная батарейка по-прежнему продолжает оставаться дорогим удовольствием. Поэтому их появления в домах простых потребителей в ближайшее время ожидать не стоит.
Более-менее широкое использование атомных батареек в быту отодвинуто до 2020 года
Самой дорогой частью батареи является радиоактивный изотоп. Так 1 г этого вещества стоит 0,5 млн руб. Для производства 1 батареи требуется всего 1 мг, но и он обойдется в 5000 руб. Для батареи народного потребления это достаточно дорого.
Область применения
Несомненным плюсом всех ядерных батареек является то, что они могут эффективно функционировать при больших колебаниях температур в диапазоне -100…+100°C.
Эта устойчивость позволяет расширить область их применения. В том числе и там, где даже самые лучшие батарейки не в состоянии нормально работать. Эти изделия давно ждут на Крайнем Севере и в Арктике.
В первую очередь новые элементы питания поступят в медицинские учреждения. Первые образцы будут приспособлены к работе с медицинскими кардиостимуляторами. Новые батареи станут длительным источником питания, при этом объем самого прибора совсем не изменится. Такой кардиостимулятор сможет работать длительное время и не будет требовать замены батареи.
Атомный аккумулятор NANOTRITIUM
Вторым потребителем нового источника питания станет космическая промышленность. Батареи будут обслуживать космические аппараты.
Работы над совершенствованием батарей будут продолжены. В первую очередь ученые надеются увеличить их мощность. Будет усовершенствована алмазная структура, а это значит, увеличится напряжение и, соответственно, полезная мощность.
Всего, по прогнозам разработчиков, в перспективе возможно увеличить мощность батареи в 3 раза.
Повышенная экологичность
Недостаточная удельная мощность – главный недостаток аккумулятора, созданного в стенах NIMS, тогда как основных достоинств у него два. Первое – это способность питать энергией потребителя в течение сотен лет, а второе – это возможность создавать такие АКБ из отработанных стержней ядерных реакторов.
На поверхности таких графитовых стержней в изобилии присутствует углерод-14 – тот самый изотоп, который японцы предлагают использовать в своей батарее. Этот углерод в больших количествах может быть получен при демонтаже отработанных стержней, и над этим вопросом с 2020 г. работают специалисты Управления по атомной энергии и Бристольского университета Великобритании. Конкретные планы по производству сырья для алмазных батарей из отработанных графитовых стержней они пока не озвучивают.
Микро-батареи
Инженеры- ядерщики из Университета Висконсина в Мэдисоне исследовали возможности производства крохотных батарей, в которых для производства электроэнергии используются радиоактивные ядра таких веществ, как полоний или кюрий. В качестве примера интегрированного приложения с автономным питанием исследователи создали колеблющуюся консольную балку, которая способна совершать последовательные периодические колебания в течение очень длительных периодов времени без необходимости дозаправки. Текущие работы демонстрируют, что этот кантилевер способен передавать радиочастоты, позволяя устройствам MEMS обмениваться данными друг с другом по беспроводной сети.
Эти микробатареи очень легкие и вырабатывают достаточно энергии для работы в качестве источника питания для использования в устройствах MEMS, а также в качестве источника питания для наноустройств.
Выделяемая энергия излучения преобразуется в электрическую энергию, которая ограничена областью устройства, в которой находится процессор и микробатарея, которая снабжает его энергией.
Сферы применения
В настоящее время человечество активно использует сравнительно небольшие ядерные источники энергии. Например, такие источники на основе плутония применяются в космических аппаратах, вырабатывая относительно большое количество электроэнергии.
CNews Analytics: Рейтинг операторов фискальных данных 2022
CNews Analytics
Батареи на основе электродов из синтетических алмазов с конструкцией, разработанной в NIMS, пока не способны вырабатывать столько же электричества, но зато обладают высокой термостойкостью и имеют более простую конструкцию. «Они могут работать даже при высоких температурах, и их можно использовать, в частности, в космическом оборудовании и машинах для разведки полезных ископаемых», — сказал Сатоши Коидзуми (Satoshi Koizumi), один из разработчиков алмазной батареи и сотрудник NIMS.
Принцип действия
Синтетический алмаз в батарее, предложенной японскими учеными, используется в качестве электродов. Этот материал начинает вырабатывать электричество под воздействием бета-излучения от изотопов углерода и никеля, а чтобы защитить окружающую среду от радиоактивного загрязнения, батарея имеет металлическую защитную оболочку, выполненную из алюминия или другого металла. Батареи подобного плана называют «бета-гальваническими».
Прототип своей батареи японцы демонстрировать не стали
Ученые разработали рабочий прототип такого аккумулятора, но до серийного производства нового типа АКБ пока еще очень далеко, поскольку им еще нужно решить проблему низкой удельной мощности, генерируемой их изобретением. На момент публикации материала она измерялась даже не в милливаттах – созданная в NIMS батарея вырабатывала лишь 1 микроватт мощности, то есть одну миллионную ватта.
Алмазные аккумуляторы наоборот
Пока японские ученые экспериментируют с аккумуляторами на алмазных электродах в радиоактивной среде, их конкуренты из американской компании Nano Diamond Battery разрабатывают АКБ на искусственных алмазах, работающую по прямо противоположному принципу. В августе 2020 г. они рассказали, что создают элемент питания, в котором тоже используются изотопы, но их вырабатывает радиоактивный сердечник, тогда как синтетический алмаз выступает в качестве оболочки, защищающей окружающую среду от вредного радиоактивного излучения.
Форму батарее Nano Diamond Battery можно придать любую
Сердечник, по словам представителей Nano Diamond Battery, они планируют изготавливать из переработанных ядерных отходов, но не уточняют, из каких именно. Батареи, разработанные ими, могут быть выполнены в любом из современных форматов – АА, 18650, CR2032 и др., а срок их службы может достигать 28 тыс. лет. Специалисты компании провели ряд лабораторных испытаний таких АКБ, и, по их мнению, первые их версии, пригодные для повседневного использования, могут появиться в течение двух лет.
Тепловое преобразование [ править ]
Термоэмиссионное преобразование
Термоэмиссионный преобразователь состоит из горячего электрода, который испускает электроны термоэлектронным над пространственным зарядом барьером к охладителю электроду, производя полезную выходную мощность. Пары цезия используются для оптимизации рабочих функций электрода и обеспечения поступления ионов (посредством поверхностной ионизации ) для нейтрализации объемного заряда электронов .
Термоэлектрическое преобразование править
Планируется, что кардиостимулятор с радиоизотопным питанием, разрабатываемый Комиссией по атомной энергии, будет стимулировать пульсирующее действие неисправного сердца. Около 1967 года.
В радиоизотопном термоэлектрическом генераторе (РИТЭГ) используются термопары.. Каждая термопара состоит из двух проводов из разных металлов (или других материалов). Температурный градиент по длине каждого провода создает градиент напряжения от одного конца провода к другому; но разные материалы производят разное напряжение на градус разницы температур. Соединяя провода на одном конце, нагревая этот конец, но охлаждая другой конец, между неподключенными концами провода генерируется полезное, но небольшое (милливольты) напряжение. На практике многие из них подключаются последовательно (или параллельно), чтобы генерировать большее напряжение (или ток) от одного и того же источника тепла, поскольку тепло течет от горячих концов к холодным. Металлические термопары имеют низкую теплоэлектрическую эффективность. Тем не мение,плотность и заряд носителей можно регулировать в полупроводниковых материалах, таких как теллурид висмута и кремний-германий, для достижения гораздо более высокой эффективности преобразования.
Термофотоэлектрическое преобразование править
Термофотоэлектрические (TPV) элементы работают по тем же принципам, что и фотоэлектрические элементы , за исключением того, что они преобразуют инфракрасный свет (а не видимый свет ), излучаемый горячей поверхностью, в электричество. Термоэлектрические элементы имеют КПД немного выше, чем термоэлектрические пары, и их можно накладывать на термоэлектрические пары, потенциально удваивая эффективность. Университет Хьюстон Т радиоизотопы Мощность усилий по развитию технологии преобразования направлен на объединение Термофотоэлектрических клеток одновременно с термопарами , чтобы обеспечить 3- до 4-кратного повышения эффективности системы по сравнению с современными термоэлектрическими генераторами радиоизотопов. [ необходима цитата]
Генераторы Стирлинга править
Радиоизотопный генератор Стирлинга является двигателем Стирлинга обусловлен разницей температур , создаваемой радиоактивным изотопом. Более эффективная версия, усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга , разрабатывалась НАСА , но была отменена в 2013 году из-за крупномасштабного перерасхода средств.
Ссылки [ править ]
- ^ «Ядерная батарея размером и толщиной с пенни» . Гизмаг , 9 октября 2009 г.
- ^ «Обнародованы крошечные» ядерные батареи » . BBC News , четверг, 8 октября 2009 г.
- ^ «Атомная батарея преобразует радиоактивность непосредственно в электричество» . Popular Mechanics , апрель 1954 г., стр. 87.
- ^ «Термоэлектрические генераторы» . electronicbus.com . Архивировано из оригинального 10 января 2016 года . Проверено 23 февраля 2015 года .
- ^ Фитцпатрик, GO «Термоэлектронный преобразователь». ОСТИ 6377296 .
- ^ Маккой, JC «Обзор программы системы транспортировки радиоизотопных термоэлектрических генераторов». ОСТИ 168371 .
- ^ Отмена ASRG в контексте будущих планетарных исследований
- ^ Лал, Амит; Раджеш Дуггирала; Хуэй Ли (2005). «Повсеместная власть: пьезоэлектрический генератор на основе радиоизотопов» . IEEE Pervasive Computing . 4 : 53–61. DOI10.1109 / MPRV.2005.21 . S2CID 18891519 . Архивировано из оригинального 21 июня 2007 года.
- ^ NASA Glenn Research Center, альфа- и бета-voltaics архивации 18 октября 2011 в Wayback Machine (доступ4 октября 2011)
- ↑ Шейла Г. Бейли, Дэвид М. Уилт, Райн П. Рафаэль и Стефани Л. Кастро, Исследованные конструкции альфа-вольтаических источников энергии. Архивировано 16 июля 2010 г. в Wayback Machine , Research and Technology 2005, NASA TM-2006-214016, (по состоянию на 4 октября 2011 г.)
- ^ a b Сегава, Кожокару, Учида (7 ноября 2016 г.). «Гаммавольтаические свойства перовскитового солнечного элемента — на пути к новой ядерной энергетике» . Материалы международной конференции «Азиатско-Тихоокеанский гибрид и органическая фотоэлектрическая энергия» . Дата обращения 1 сентября 2020 .
- ^ a b 20180350482 , Райан, Майкл Дойл, «Гамма-гальваническая ячейка», опубликовано 6 декабря 2018 г.
- ^ a b Маккензи, Гордон (октябрь 2017 г.). «Алмазный гаммавольтаический элемент» . Британские исследования и инновации .
- ^ a b Маккензи, Робби (19 июня 2020 г.). «Алмазные гамма-гальванические элементы для безискренной гамма-дозиметрии» . Юго-Западный ядерный узел . Дата обращения 1 сентября 2020 .
- ^ Пурбандари, Десси; Фердиансья, Фердиансья; Суджитно, Тджипто (2019). «Оптимизация альфа-энергии, депонированной в тонкой пленке радиолюминесценции для альфа-фотоэлектрических приложений» . не определено . S2CID 141390756 . Проверено 31 августа 2020 года .
- ^ Берман, Вероника; Литц, Марк Стюарт; Руссо, Джонни (2018). «Исследование деградации электроэнергии в бета-фотоэлектрических (βPV) и бета-вольтаических (βV) источниках энергии с использованием 63Ni и 147Pm» . S2CID 139545450 .
- ^ Liakos, Джон К. (1 декабря 2011). «Фотоэлектрические элементы, управляемые гамма-излучением, через сцинтилляционный интерфейс» . Журнал ядерной науки и технологий . 48 (12): 1428–1436. DOI10.1080 / 18811248.2011.9711836 . ISSN 0022-3131 . S2CID 98136174 .
- ^ Го, Сяо; Лю, Юньпэн; Сюй Чжихэн; Цзинь, Чжананг; Лю, Кай; Юань, Цзычэн; Гонг, Пин; Тан, Сяобинь (1 июня 2018 г.). «Многоуровневые радиоизотопные батареи на основе γ-источника 60Co и двойных радиовольтных / радиофотовольтаических эффектов» . Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 275 : 119–128. DOI10.1016 / j.sna.2018.04.010 . ISSN 0924-4247 .
- ^ «Мемуары MedTech: кардиостимулятор на основе плутония» .
- ^ «Ядерный кардиостимулятор все еще находится под напряжением спустя 34 года» .
-
^
RL Shoup.
«Кардиостимуляторы на ядерной энергии» . -
^
Кристалл Phend.
«Дополнительное время автономной работы — не всегда плюс для кардиостимулятора с ядерной энергией» . - ^ Бинду, KC; Хармон, Фрэнк; Старовойтова Валерия; Стоунер, Джон; Уэллс, Дуглас (2013). «Оптимизация фотоядерного производства радиоизотопов в промышленных масштабах». Материалы конференции AIP . 1525 (1): 407–411. DOI10.1063 / 1.4802359 .
- ^ Вальднер, Жан-Батист (2007). Inventer l’Ordinateur du XXIème Siècle . Лондон: Наука Гермеса . п. 172. ISBN. 978-2-7462-1516-0.
-
^ Вальднер, Жан-Батист (2008). Нанокомпьютеры и Swarm Intelligence . Лондон: ISTE John Wiley & Sons . ISBN 978-1-84704-002-2.
… радиоактивные ядра выпускают электроны, которые стреляют в отрицательный полюс батареи
Принцип действия аккумулятора
Не только специалисты бьются над проблемой создания атомной батарейки. Недавно молодой ученый из Томска создал прототип аккумулятора, функционирующего на основе ядерной реакции. Как же работает такая атомная батарейка? Принцип работы данной разработки заключается в использовании изотопа трития. При правильном применении можно направить энергию, получаемую во время полураспада этого элемента, в верное русло. Атомная батарейка на базе трития будет работать в правильном режиме в течение 12 лет. Причем за этот промежуток времени аккумулятор не нужно будет подзаряжать. Стоит также отметить, что энергия высвобождается небольшими порциями.
Основные недостатки
Что же нам дает атомная батарейка? Преимущества и недостатки данного элемента питания будут подробно рассмотрены далее. Прежде всего, стоит отметить, что производство таких автономных источников энергии может стоить достаточно дорого. Научные работники и инженеры пока не решаются назвать точную стоимость такой разработки. Возможно, они просто боятся сделать поспешные выводы. Но есть приблизительная оценка.
Если говорить доступным языком, такая технология будет стоить очень дорого. Этого вполне стоило ожидать, если немного логически поразмыслить. Пожалуй, еще слишком рано думать о выпуске таких элементов питания в промышленных масштабах. Остается только надеяться, что ученым удастся найти альтернативные технологии, которые помогут разработать недорогой мобильный атомный реактор без угрозы радиационного заражения. И скорее всего, произойдет это в ближайшем будущем.
Многих интересует, сколько стоит атомная батарейка. Пока приводятся лишь предварительные оценки стоимости одного грамма активного вещества такой батарейки: 4000 долларов. Получается, что на производство одного такого аккумуляторного устройства нужно будет затратить примерно 4,5 млн рублей. Главная трудность связана с получением самого изотопа. В чистом виде в природе он не встречается. Для его создания необходимо использовать специальные реакторы. У нас в стране работает всего три таких реактора. Возможно, со временем будет разработана технология, позволяющая использовать для производства другие элементы, что позволит снизить расходы на производство данного элемента.
Современные технологии
Рынок электроники является одним из наиболее перспективных направлений. С каждым годом эта сфера развивается все более динамично. Еще недавно в продажу поступили iPhone 3, а сегодня уже можно купить iPhone 8. Специалистам пришлось пройти большой путь, чтобы порадовать пользователей совершенными с аппаратной точки зрения устройствами. Это же касается Windows Phone и Android. Несколько лет назад телефон на базе ОС Android был чем-то удивительным.
Все дети мечтали поиграть в игры, где управлять действиями главного героя можно было путем поворота экрана. Этим сегодня уже трудно удивить. Даже первоклашки используют iPhone и не чувствуют от этого особого восторга. Они уже не смогут понять, что раньше существовали телефоны, функционирующие на основе кнопочного управления, а что еще ужаснее, на телефонах того времени было всего 2-3 примитивных игры. Тогда для детей даже змейка на монохромном дисплее была поводом для безмерного счастья. Играть в нее могли круглыми сутками. Игры в то время были не такими качественными. Использовать такие телефоны можно было в течение нескольких дней, не применяя при этом зарядку.
В заключение
Атомные батарейки – это невероятное достижение науки, так как только такие технологии современного мира могут выдерживать высокие и низкие температуры, работая в различных условиях.
Несмотря на относительно высокую стоимость производства атомных батареек, нам остается только надеяться на то, что мы сможем увидеть такие изделия в новейших моделях телефонов. Вызывает определенные вопросы только элемент, который будет взят за основу такого аккумулятора. Конечно, по своей природе тритий является ядерным элементом. Но он все же имеет достаточно слабое излучение. Это вещество не нанесет вред человеческому организму. При правильном использовании аккумулятора кожа и внутренние органы не пострадают. Именно по этой причине данный элемент сегодня выступает в качестве наиболее вероятного кандидата для создания компактной атомной батарейки.
Атомная батарейка для телефона: принцип работы, преимущества и недостатки на News4Auto.ru.
Наша жизнь состоит из будничных мелочей, которые так или иначе влияют на наше самочувствие, настроение и продуктивность. Не выспался — болит голова; выпил кофе, чтобы поправить ситуацию и взбодриться — стал раздражительным. Предусмотреть всё очень хочется, но никак не получается. Да ещё и вокруг все, как заведённые, дают советы: глютен в хлебе — не подходи, убьёт; шоколадка в кармане — прямой путь к выпадению зубов. Мы собираем самые популярные вопросов о здоровье, питании, заболеваниях и даем на них ответы, которые позволят чуть лучше понимать, что полезно для здоровья.