Betavoltaik cihaz - Betavoltaic device

Bu makale, doğrudan beta parçacıklarından elektrik üreten cihazlarla ilgilidir. Fotosel kullanan cihazlar için bkz. optoelektrik nükleer pil.

Bir betavoltaik cihaz (betavoltaik hücre veya betavoltaik pil) bir tür nükleer pil hangi üretir elektrik akımı itibaren beta parçacıkları (elektronlar ) bir radyoaktif kaynak, kullanma yarı iletken bağlantılar. Kullanılan yaygın bir kaynak, hidrojen izotop trityum. Aksine çoğu nükleer güç kaynağı Daha sonra elektrik üretmek için kullanılan ısıyı üretmek için nükleer radyasyon kullanan betavoltaik cihazlar, bir yarı iletkenden geçen beta parçacıklarının iyonlaşma izinin ürettiği elektron deliği çiftlerini dönüştüren termal olmayan bir dönüştürme işlemi kullanır.[1]

Betavoltaik güç kaynakları (ve ilgili teknoloji alfavoltaik güç kaynakları[2]) özellikle düşük güçlü elektrik uygulamaları için uygundur. uzun yaşam enerji kaynağının ihtiyaç duyduğu gibi implante edilebilir tıbbi cihazlar veya askeri ve Uzay uygulamalar.[1]

Tarih

Betavoltaics 1970'lerde icat edildi.[3] Biraz kalp pilleri 1970'lerde betavoltaik kullandı. Prometyum,[4] ancak daha ucuz lityum piller geliştirildiği için aşamalı olarak kaldırıldı.[1]

erken yarı iletken malzemeler dönüştürme konusunda verimli değildi elektronlar itibaren beta bozunması kullanılabilir akıma, dolayısıyla daha yüksek enerjiye, daha pahalı ve potansiyel olarak tehlikeli olanizotoplar kullanılmış. Günümüzde kullanılan daha verimli yarı iletken malzemeler[5] daha az radyasyon üreten trityum gibi nispeten iyi huylu izotoplarla eşleştirilebilir.[1]

Betacel başarıyla ticarileştirilen ilk betavoltaik pil olarak kabul edildi.

Teklifler

Betavoltaiklerin birincil kullanımı uzaktan ve uzun süreli kullanım içindir, örneğin uzay aracı bir veya iki yıl elektrik gücü gerektiren. Son gelişmeler, bazılarının betavoltaik kullanımının damlama yükü tüketici cihazlarındaki geleneksel piller, örneğin cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar.[6] 1973 gibi erken bir tarihte, betavoltaiklerin uzun vadeli tıbbi cihazlarda kullanılması önerildi. kalp pilleri.[4]

2016 yılında önerildi karbon-14 bir elmas kristal yapıda daha uzun ömürlü bir betavoltaik cihaz (a elmas pil ). Karbon-14, hizmet dışı bırakılan grafit bloklardan elde edilebilir. grafit moderatörlü reaktörler.[7][8][9] Aksi takdirde bloklar şu şekilde ele alınır: nükleer atık Birlikte yarı ömür 5,700 yıllık. Tarafından karbon-14 çıkarma grafit bloklardan ve onu bir elmas kristal yapı, radyoaktif karbon izotopu bir güç kaynağı olarak kullanılabilirken, kalan radyoaktif olmayan grafitin diğer uygulamalar için yeniden kullanılmasına izin verir. kalemler veya elektrik motoru fırçalar. rağmen özel aktivite karbon-14 oranı düşüktür ve bu nedenle güç yoğunluğu bir nükleer elmas pilin küçük olması, düşük güç için kullanılabilir sensör ağları ve yapısal sağlık izleme.[10]

2018'de 2 mikron kalınlığa dayanan bir Rus tasarımı nikel-63 10 mikron elmas katmanları arasına sıkıştırılan levhalar tanıtıldı. Yaklaşık 1 μW güç çıkışı üretti. güç yoğunluğu 10 μW / cm3. Enerji yoğunluğu 3,3 kWh / kg idi. Nikel-63'ün yarı ömrü 100 yıldır.[11][12][13]

Dezavantajlar

Radyoaktif malzeme yayıldıkça, etkinliği yavaş yavaş azalır (bkz. yarı ömür ). Böylelikle, betavoltaik bir cihaz zamanla daha az güç sağlayacaktır. Pratik cihazlar için, bu azalma uzun yıllar boyunca gerçekleşir. İçin trityum cihazlar, yarı ömür 12.32 yıldır. Cihaz tasarımında, kullanım ömrü sonunda hangi pil özelliklerinin gerekli olduğu hesaba katılmalı ve kullanım ömrü başlangıcı özelliklerinin istenen kullanılabilir kullanım ömrünü hesaba katmasını sağlamalıdır.

Çevre yasaları ve insanların trityuma ve beta bozunmasına maruz kalmasıyla bağlantılı sorumluluk, risk değerlendirmesi ve ürün geliştirmede de dikkate alınmalıdır. Doğal olarak, bu hem pazara sunma süresini hem de trityum ile ilişkili zaten yüksek maliyeti artırır. Sağlık Koruma Kurumu İyonlaştırıcı Radyasyon Danışma Grubu, trityuma maruz kalmanın sağlık risklerinin, daha önce belirlenenlerin iki katı olduğunu açıkladı. Uluslararası Radyolojik Koruma Komisyonu İsveç'te bulunmaktadır.[14]

Kullanılabilirlik

Betavoltaic nükleer piller ticari olarak satın alınabilir. Mevcut cihazlar arasında, 20 gram ağırlığında, 100 μW trityum ile çalışan bir cihaz bulunmaktadır.[15][16]

Emniyet

Betavoltaikler güç kaynağı olarak radyoaktif bir malzeme kullansa da, kullanılan beta parçacıkları düşük enerjilidir ve birkaç milimetre kalkanla kolayca durdurulur. Uygun cihaz yapısı ile (yani, uygun koruma ve muhafaza), betavoltaik bir cihaz tehlikeli radyasyon yaymayacaktır. Diğer pil türlerindeki malzemelerin sızması gibi, kapalı malzemenin sızması da sağlık risklerine neden olacaktır (örneğin lityum, kadmiyum ve öncülük etmek ) önemli sağlık ve çevre sorunlarına yol açar.[17]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b c d 25 Yıllık Pil: Hidrojen izotoplarıyla çalışan uzun ömürlü nükleer piller, askeri uygulamalar için test ediliyor Katherine Bourzac, Teknoloji İncelemesi, MIT, 17 Kasım 2009.
  2. ^ NASA Glenn Araştırma Merkezi, Alfa ve Beta voltaikler Arşivlendi 2011-10-18 Wayback Makinesi (erişim tarihi 4 Ekim 2011)
  3. ^ "Nükleer Pil Teknolojisinin İncelenmesi ve Önizlemesi". large.stanford.edu. Alındı 2018-09-30.
  4. ^ a b Olsen, L.C. (Aralık 1973). "Betavoltaik enerji dönüşümü". Enerji dönüşümü. Elsevier Ltd. 13 (4): 117–124, IN1, 125–127. doi:10.1016/0013-7480(73)90010-7.
  5. ^ Maximenko, Sergey I .; Moore, Jim E .; Affouda, Chaffra A .; Jenkins, Phillip P. (Aralık 2019). "3H ve 63Ni Betavoltaics için Optimal Yarı İletkenler". Bilimsel Raporlar. 9 (1): 10892. Bibcode:2019NatSR ... 910892M. doi:10.1038 / s41598-019-47371-6. ISSN  2045-2322. PMC  6659775. PMID  31350532.
  6. ^ "betavoltaic.co.uk". Alındı 21 Şubat 2016.
  7. ^ "'"Nükleer piller geliştikçe elektrik üretiminin elmas çağı". Cabot Çevre Enstitüsü, Bristol Üniversitesi.
  8. ^ University of Bristol (27 Kasım 2016). "'"Nükleer piller geliştikçe elektrik üretiminin elmas çağı". phys.org. Alındı 2020-09-01.
  9. ^ Duckett, Adam (29 Kasım 2016). "Nükleer atıklardan yapılmış elmas pil". Kimya Mühendisi. Arşivlendi 2016-12-02 tarihinde orjinalinden. Alındı 2016-12-02.
  10. ^ Overhaus, Daniel (31 Ağustos 2020). "Radyoaktif Elmas Piller Nükleer Atıklara Çare mi?". Alındı 31 Ağustos 2020 - Wired.com aracılığıyla.
  11. ^ Bormashov, V. S .; Troschiev, S. Yu .; Tarelkin, S. A .; Volkov, A. P .; Teteruk, D. V .; Golovanov, A. V .; Kuznetsov, M. S .; Kornilov, N. V .; Terentiev, S. A .; Blank, V.D. (2018/04/01). "Elmas Schottky diyotlarına dayalı yüksek güç yoğunluklu nükleer pil prototipi". Elmas ve İlgili Malzemeler. 84: 41–47. doi:10.1016 / j.diamond.2018.03.006. ISSN  0925-9635.
  12. ^ "Prototip nükleer pil paketi 10 kat daha fazla güç sağlar". Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü. Alındı 2020-09-01.
  13. ^ Irving, Michael (3 Haziran 2018). "Rus bilim adamları nükleer pil prototipine daha fazla güç katıyor". newatlas.com. Alındı 2018-06-14.
  14. ^ Edwards, Rob (29 Kasım 2007). "Trityum tehlike derecesi" iki katına çıkarılmalıdır'". Yeni bilim adamı.
  15. ^ "NanoTritiumTM Betavoltaic P200 Serisi Teknik Özellikleri". 2018. Alındı 2020-09-01.
  16. ^ "Piyasada satılan NanoTritium pil, mikroelektroniğe 20+ yıl boyunca güç sağlayabilir". Yeni Atlas. 2012-08-16. Alındı 2020-09-01.
  17. ^ Maher, George (Ekim 1991). "Pil ile İlgili Temel Bilgiler". İlçe Komisyonları, Kuzey Dakota Eyalet Üniversitesi ve ABD Tarım Bakanlığı. Kuzey Dakota Eyalet Üniversitesi. Alındı 29 Ağustos 2011.

Dış bağlantılar

Kütüphane kaynakları hakkında
Betavoltaik cihaz