Мың жылдық батарея: қытай ғалымдары сіріңке қорабынан кіші ядролық қуат көзін жасады

Көлемі 16,8 см³ болатын құрылғы радиоактивті ыдырау есебінен энергия өндіреді және мыңдаған жылдар бойы қызмет көрсетусіз жұмыс істей алады — көміртегі-14-тің жартылай ыдырау периоды 5 730 жылды құрайды, деп жазады New-Science. Алдыңғы үлгімен салыстырғанда көлемдік қуат тығыздығы 15 есеге жуық өсті. Қазақстан — әлемдегі ең ірі уран өндіруші және өзінің АЭС-ін жоспарлап отырған ел — үшін бұл технология қызықты сұрақ тудырады: отандық ядролық циклдегі радиоактивті изотоптарды осындай құрылғылар үшін пайдалануға бола ма?

Мәні қысқаша

• Qianjiyuan Tianshu батареясы — Су Маогэнь командасының екінші буын әзірлемесі. Бірінші нұсқасы (Zhulong-1) 2024 жылы шықты. Құрылғы толығымен қытай технологияларын қолдана отырып жасалған.
• Көлемі шамамен 16,8 см³, бұл бір текше дюйм көлемінен сәл ғана үлкен. Сонымен қатар, көлемдік қуат тығыздығы алдыңғы үлгімен салыстырғанда 15 есеге жуық өсті.
• Шығыс параметрлері: ток 0,713 мкА, кернеу 2,06 В, максималды қуат 1,13 мкВт — көміртегі-14 белсенділігі 129 мКи болғанда.
• Жұмыс принципі күн панеліне ұқсас: C-14 ыдырауынан бөлінетін бета-бөлшектер кремний карбидінен жасалған жартылай өткізгішке түсіп, термиялық конверсиясыз тікелей электр тогын тудырады.
• Қызмет мерзімі — C-14 жартылай ыдырау периоды 5 730 жыл болғандықтан мыңдаған жылдар. Мақсатты қолдану салалары: автономды датчиктер, медициналық имплантаттар, ғарыш техникасы, өнеркәсіптік электроника.

Ядролық батарея — сіз ойлағандай емес

«Ядролық батарея» деген тіркес реактор немесе қару туралы ойға келтіреді. Шын мәнінде, бұл түбегейлі басқа нәрсе: изотоптың табиғи радиоактивті ыдырау энергиясы жанусыз, тізбекті реакциясыз, ауыр ядролардың бөлінуінсіз тікелей электр энергиясына айналатын ықшам құрылғы.

Мұндай қуат көздері ғарышта бұрыннан қолданылады: NASA оларды 1977 жылы ұшырылған Voyager аппараттарында пайдаланды және олар әлі күнге дейін жұмыс істейді. Қытай «Чанъэ» ай миссияларында ұқсас батареяларды қолданды. Әзірлеменің жаңалығы принциптің өзінде емес, көлемнің күрт кішіреюі кезінде параметрлердің түбегейлі жақсаруында.

Қалай жұмыс істейді және неге бұл қауіпті емес

Ыдырау жылуын термоэлемент арқылы электр энергиясына түрлендіретін қолданыстағы радиоизотопты батареялардың көпшілігінен айырмашылығы, жаңа әзірлеме тікелей түрлендіруді пайдаланады. Көміртегі-14 ыдыраған кезде бөлінетін бета-бөлшектер — электрондар — кремний карбидінен жасалған жартылай өткізгішке тікелей түсіп, электр тогын тудырады. Бұл күн панелі сияқты, тек сәулелену көзі күн емес, изотоп.

Көміртегі-14 кездейсоқ таңдалмаған. Ол төмен энергиялы бета-сәулелену шығарады — ол материалдың жұқа қабатымен ұсталып, корпустан тыс радиациялық қауіп төндірмейді. Сонымен қатар, 5 730 жылдық жартылай ыдырау периоды адам өмірінің жүздеген жылдары бойы қуаттың іс жүзінде өзгермейтінін қамтамасыз етеді.

Бірдей көлемде реттік өсу

Прогрестің негізгі сандары: көлемі небәрі 17%-ға кішірейген кезде жаңа құрылғы алдыңғы нұсқадан 15 есе жоғары қуат тығыздығын қамтамасыз етеді. Радиоактивті материалдың мөлшері бұрынғы деңгейдің 22%-на дейін қысқартылды, ал шығыс қуаты 2,6 есе өсті.

Бұған бірнеше шешімдердің арқасында қол жеткізілді: үш өлшемді көп қабатты конструкция кеңістікті үнемдейді, жеке қытайлық өндірістің SiC-тен жасалған жаңа жартылай өткізгіші конверсия ПӘК-ін арттырады, ал ультра төмен тұтынуы бар кірістірілген басқару жүйесі құрылғының толық автономды жұмыс істеуіне мүмкіндік береді.

Бұл не үшін қажет — және не үшін қажет емес

Qianjiyuan Tianshu батареясы смартфон аккумуляторын немесе электромобильдің тартқыш батареясын алмастыра алмайды: оның қуаты — 1,13 микроватт — бұл телефонды зарядтау үшін қажетті қуаттан миллион есе аз. Бірақ дәл осындай қуат ондаған жылдар бойы бір рет те қызмет көрсетуді қажет етпейтін микроватт қажет құрылғылар үшін өте қолайлы.

Имплантацияланатын кардиостимуляторлар — бүгінде олар батареясы таусылғандықтан 5–10 жыл сайын ауыстырылады, бұл қайталама операцияларды қажет етеді. Қол жетпейтін жерлердегі датчиктер — жер астында, су астында, арктикалық жағдайларда — батареяны ауыстыру физикалық тұрғыдан мүмкін емес. Күн жүйесінің шегінен шығатын ғарыш зондтары. Адамның араласуынсыз жұмыс істеуі тиіс сыни инфрақұрылымды бақылау жүйелері.

Қазақстандық контекст

Қазақстан үшін бұл жаңалық бірнеше стратегиялық бағыттармен қатар келеді. Ел әлемдік уранның шамамен 43%-ын өндіреді, ал жоспарланған АЭС және Pax Silica бағдарламасы аясында шикізат экспортынан ядролық циклдің технологиялық қайта бөліністеріне шығу ниетін білдірді.

Көміртегі-14 ядролық реакторларда азотты нейтрондармен сәулелендіру кезінде өндіріледі — яғни реактордың болуы изотопты ел ішінде өндіру мүмкіндігін ашады. Бұл ертеңгі күн емес, бірақ ғылыми фантастика да емес: АЭС және тиісті изотоптық инфрақұрылым болған жағдайда, радиоизотопты батареяларды өндіру қазақстандық ядролық циклдің жоғары технологиялық өнімдерінің біріне айналуы мүмкін.

Авторлық қорытынды

Қант текшесіндей батарея, қызмет көрсетусіз мыңдаған жылдар бойы жұмыс істейді — бұл фантастика да, алыс болашақ та емес. Бұл зертханалық сынақтардан өткен және нақты сандық сипаттамаларға ие рецензияланған әзірлеме. Қолдану нарығы дана саны бойынша шағын, бірақ құндылығы бойынша үлкен — медицина, ғарыш, сыни инфрақұрылым. Қазақстан өзінің ядролық амбициялары мен уран базасымен бұл бағытты бөгде емес, өзінің әлеуетті бағыты ретінде қадағалауға толық негізге ие.