원자 전지

Atomic battery
방사성 동위원소의 생성은 방사성핵종 발생기를 참조한다.

원자전지, 핵전지, 방사성 동위원소 전지 또는 방사성 동위원소 발생기는 방사성 동위원소의 붕괴로 인한 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 장치이다.원자로와 마찬가지로 원자력 에너지로 전기를 발생시키지만 연쇄 반응을 사용하지 않는다는 점에서 다르다.일반적으로 배터리라고 불리지만, 그것들은 기술적으로 전기화학적인 것이 아니기 때문에 충전하거나 재충전할 수 없습니다.그것들은 매우 비싸지만, 매우 긴 수명과 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에,[1][2] 일반적으로 우주선, 페이스메이커, 수중 시스템, 그리고 세계의 외딴 지역의 자동화된 과학 스테이션과 같이 오랜 시간 동안 무인 작동해야 하는 장비의 동력원으로 사용됩니다.

핵 배터리 기술은 헨리 모슬리가 하전 입자 방사선에 의해 생성된 전류를 처음 보여주었던 1913년에 시작되었다.이 분야는 1950년대와 1960년대에 공간 수요를 위해 긴 수명 전원을 필요로 하는 애플리케이션에 대해 상당한 심층적인 연구 주목을 받았습니다.1954년에 RCA는 작은 라디오 수신기와 [3]보청기를 위한 작은 원자 배터리를 연구했다.1950년대 초 RCA의 초기 연구 개발 이후, 많은 유형과 방법들이 원자력 소스에서 전기에너지를 추출하도록 설계되어 왔다.과학적 원리는 잘 알려져 있지만, 현대 나노스케일 기술과 새로운 광대역 반도체로 인해 이전에는 볼 수 없었던 새로운 소자와 흥미로운 재료 특성이 생겨났다.

핵전지는 에너지 변환 기술에 따라 열변환기와 비열변환기의 두 가지 주요 그룹으로 분류할 수 있다.열유형은 핵붕괴로 인해 발생하는 열의 일부를 전기로 변환한다.가장 주목할 만한 예는 우주선에 자주 사용되는 방사성 동위원소 열전 발전기이다.비열 변환기는 방사선이 열로 분해되기 전에 방사선에서 직접 에너지를 추출합니다.소형화가 용이하고 열구배가 필요 없어 소규모 용도에 적합합니다.가장 주목할 만한 예는 베타전지다.

원자 배터리의 효율은 보통 0.1–5%입니다.고효율 베타 전력 장치는 [4]6~8%의 효율에 도달할 수 있습니다.

열변환

열전자 변환

열전자 변환기는 열전극으로 구성되며, 열전극은 공간 전하 장벽을 통해 냉각기 전극으로 전자를 방출하여 유용한 출력을 생성합니다.세슘 증기는 전극 작업 기능을 최적화하고 (표면 이온화를 통해) 이온을 공급하여 전자 공간 [5]전하를 중화시키는 데 사용됩니다.

열전 변환

주요 기사: 방사성 동위원소 열전 발전기
원자력 위원회가 개발하고 있는 방사성 동위원소 구동식 심장 박동기는, 기능하지 않는 심장의 박동 동작을 촉진하는 것을 계획하고 있다.1967년경.

방사성 동위원소 열전 발생기(RTG)는 열전대를 사용한다.각 열전대는 서로 다른 금속(또는 다른 재료)의 두 와이어로 구성됩니다.각 와이어의 길이에 따른 온도 구배는 와이어의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 전압 구배를 발생시키지만 재료마다 온도 차이에 따라 다른 전압을 발생시킵니다.한쪽 끝을 접속하고, 한쪽 끝을 가열하고, 다른 한쪽 끝을 냉각함으로써, 사용 가능하지만 작은(밀리볼트) 전압을 접속하지 않은 와이어 단부 사이에 발생시킨다.실제로는 열이 핫 엔드에서 콜드 엔드로 흐르기 때문에 많은 케이블이 직렬(또는 병렬)로 연결되어 동일한 열원에서 더 큰 전압(또는 전류)을 생성합니다.금속 열전대는 열 대 전기 효율이 낮습니다.단, 텔루라이드 비스무트나 게르마늄 등의 반도체 재료에서는 캐리어 밀도와 전하를 조정할 수 있어 변환 효율을 [6]크게 높일 수 있다.

열광전 변환

열광전(TPV) 셀은 뜨거운 표면에서 방출되는 적외선을 전기로 변환한다는 점을 제외하고는 광전지 셀과 동일한 원리로 작동합니다.열광전지는 열전쌍보다 효율이 약간 높고 열전쌍에 중첩될 수 있어 효율이 두 배가 될 수 있습니다.휴스턴 대학의 TPV 방사성 동위원소 전력 변환 기술 개발 활동은 열전원과 동시에 열전원을 결합하여 현재의 열전 방사성 동위원소 [citation needed]발전기에 비해 시스템 효율이 3~4배 향상되는 것을 목표로 하고 있다.

스털링 제너레이터

주요 기사:스털링 방사성 동위원소 발생기

스털링 방사성 동위원소 발생기는 방사성 동위원소에 의해 생성되는 온도차에 의해 구동되는 스털링 엔진입니다.보다 효율적인 버전인 첨단 스털링 방사성 동위원소 발생기는 NASA에 의해 개발 중이었으나 대규모 비용 [7]초과로 인해 2013년에 취소되었다.

비열 변환

비열변환기는 방사선이 열로 분해되기 전에 방사선에서 에너지를 추출합니다.열전 변환기 및 열전자 변환기와 달리 출력은 온도 차이에 의존하지 않습니다.비열발생기는 사용되는 입자의 유형과 에너지가 변환되는 메커니즘에 따라 분류될 수 있습니다.

정전 변환

전하가 도체에 축적될 때 방출된 하전 입자에서 에너지를 추출할 수 있으며, 따라서 정전위가 발생합니다.소산 모드를 사용하지 않으면 전압이 방사 입자의 에너지까지 상승할 수 있습니다. 방사 입자의 에너지 범위는 수 킬로볼트(베타 방사용)에서 메가볼트(알파 방사용)까지입니다.축적된 정전 에너지는 다음 방법 중 하나로 사용 가능한 전기로 전환될 수 있습니다.

직하 발전기

직하발전기는 전극 중 하나에 퇴적된 방사성층으로부터의 하전입자의 전류에 의해 충전되는 콘덴서로 구성된다.간격은 진공 또는 유전체일 수 있습니다.음전하 베타입자 또는 양전하 알파입자, 양전자 또는 핵분열 단편을 이용할 수 있다.이러한 형태의 원자력 발전기는 1913년으로 거슬러 올라가지만, 과거에는 직하 발전기가 제공하는 매우 낮은 전류와 불편하게 높은 전압에 대한 응용 프로그램이 거의 발견되지 않았다.전압을 낮추기 위해 오실레이터/트랜스 시스템을 사용한 다음 정류기를 사용하여 AC 전원을 다시 직류로 변환합니다.

영국의 물리학자 H. G. J. 모슬리는 이것들 중 첫 번째 것을 만들었다.모즐리의 장치는 내부에 은을 입힌 유리글로브와 중앙 와이어 끝에 라듐 이미터가 장착되어 있었다.라듐에서 대전된 입자들은 라듐에서 구체의 내부 표면으로 빠르게 이동하면서 전기의 흐름을 만들어냈다.1945년까지 모즐리 모델은 방사성 원소의 방출로부터 전기를 생산하는 실험적인 배터리를 만들기 위한 다른 노력을 이끌었다.

전기 기계 변환

주요 기사: 방사성 동위원소 압전 발생기

전기기계식 원자 배터리는 두 판 사이에 전하 축적을 사용하여 구부릴 수 있는 판을 다른 판으로 끌어당겨 두 판이 접촉, 방전, 정전기 축적을 균일하게 하고 스프링백합니다.생성되는 기계적 운동은 압전 재료의 굴곡 또는 선형 발전기를 통해 전기를 생산하는 데 사용될 수 있습니다.전력 밀리와트는 충전 속도에 따라 펄스로 생성되며, 경우에 따라서는 초당 여러 번(35Hz)[8] 발생합니다.

전파 변환

광전지의 광자가 전기로 변환되는 것과 마찬가지로 반도체 접점을 이용해 이온화 방사 에너지를 직접 전기로 변환한다.대상 방사선의 종류에 따라 이러한 장치를 알파전(AV, αV), 베타전(BV, βV) 및/또는 감마전(GV, δV)이라고 한다.베타볼틱스는 (저에너지) 베타 방출체가 방사능 손상을 최소화하고, 따라서 더 긴 작동 수명과 더 적은 차폐를 가능하게 하기 때문에 전통적으로 가장 많은 관심을 받아왔다.알파전 및 (더 최근에는) 감마전 장치에 대한 관심은 잠재적으로 높은 효율성에 의해 주도됩니다.

알파 기전 변환

알파전 소자는 반도체 접점을 사용하여 에너지 알파 [9][10]입자로부터 전기 에너지를 생산합니다.

베타 기전 변환

주요 기사:베타전 소자

베타전 소자는 반도체 접합부를 사용하여 에너지 베타 입자(전자)로부터 전기 에너지를 생산합니다.일반적으로 사용되는 선원은 수소 동위원소 삼중수소이다.

베타전 장치는 삽입형 의료 기기 또는 군사 및 우주 애플리케이션과 같이 에너지원의 긴 수명이 필요한 저전력 전기 애플리케이션에 특히 적합합니다.

감마브전 변환

감마전 소자는 반도체 접점을 사용하여 에너지 감마 입자(고에너지 광자)로부터 전기 에너지를 생성한다.그것들은 2010년대에만[11][12][13] 검토되어 왔지만 1981년 [15]초에 계획되었다.

페로브스카이트 태양전지에서 [11]감마브론 효과가 보고되었다.또 다른 특허 설계는 감마 입자의 에너지가 기존 광전지 [12]셀에 흡수될 정도로 감소할 때까지 산란시키는 것이다.다이아몬드와 숏키 다이오드를 사용한 감마비전의 설계도 [13][14]조사되고 있다.

K를 이용한 감마브전 소자는 이론적으로는 가능하지만, 여기서의 문제는 동위원소의 농축이 매우 에너지 집약적이라는 것이다.

방사선 광전(광전) 변환

주요 기사:광전자 핵전지

방사광전(RPV) 장치에서 에너지 변환은 간접적이다.방출된 입자는 먼저 방사발광물질(섬광기 또는 형광체)을 사용하여 빛으로 변환되고, 그 후 빛은 광전지를 사용하여 전기로 변환된다.변환 타입은 대상 입자의 종류에 따라 알파포토브전(APV 또는 α-PV),[16] 베타포토브전(BPV 또는 β-PV)[17] 또는 감마포토브전(GPV 또는 γ-PV)[18]으로 보다 정확하게 특정할 수 있다.

방사선 [19]광전 변환은 변환 효율을 높이기 위해 방사선 전압 변환과 결합할 수 있다.

페이스메이커

메드트로닉과 알카텔은 플루토늄 238의 2.5Ci 슬러그에 의해 구동되는 플루토늄으로 구동되는 페이스메이커인 누멕 NU-5를 개발했는데, 이는 1970년에 처음으로 사람에게 이식되었다.1970년대에 이식된 139개의 NU-5 핵심박조절기는 교체가 전혀 필요하지 않을 것으로 예상되는데, 이는 5~10년마다 배터리를 외과적으로 교체해야 하는 비핵심박조절기보다 더 좋은 점이다.플루토늄 "배터리"는 [20][21][22][23]플루토늄의 88년 반감기보다 회로를 더 오래 구동하기에 충분한 전력을 생산할 것으로 예상된다.

사용된 방사성 동위원소

원자 배터리는 낮은 에너지 베타 입자 또는 때로는 다양한 에너지의 알파 입자를 생성하는 방사성 동위원소를 사용합니다.저에너지 베타 입자는 강력한 차폐가 필요한 브렘스스트룽 방사선을 투과하는 고에너지 생성을 방지하기 위해 필요하다.삼중수소, 니켈-63, 프로메튬-147, 테크네튬-99와 같은 방사성 동위원소가 시험되었다.플루토늄-238, 큐륨-242, 큐륨-244 및 스트론튬-90이 사용되었다.[24]사용된 동위원소의 핵 특성 외에도 화학적 특성과 가용성 문제도 있다.중성자 조사 또는 입자 가속기로 의도적으로 생성된 생성물은 사용후 핵연료에서 쉽게 추출되는 핵분열 생성물보다 얻기 어렵다.

플루토늄-238은 넵투늄-237의 중성자 조사를 통해 의도적으로 생산해야 하지만, 안정적인 플루토늄 산화 세라믹으로 쉽게 전환할 수 있다.스트론튬-90은 사용후 핵연료에서 쉽게 추출되지만, 화학적 이동성을 낮추기 위해 페로브스카이트 형태의 스트론튬 티탄산염으로 변환되어 전력 밀도를 절반으로 줄여야 한다.또 다른 고수율 핵분열 생성물인 세슘-137은 화학적으로 불활성 물질로 변환하기 어렵기 때문에 원자 배터리에 거의 사용되지 않는다.사용후핵연료에서 추출한 Cs-137의 또 다른 바람직하지 않은 특성은 전력밀도를 더욱 감소시키는 세슘의 다른 동위원소에 오염되었다는 것이다.

마이크로배터리

매디슨 위스콘신 대학의 원자력 기술자인 마이크로 전기 기계 시스템(MEMS) 분야에서 폴로늄이나 큐륨과 같은 물질의 방사성 핵을 이용하여 전기 [citation needed]에너지를 생산하는 극소형 배터리를 생산할 수 있는 가능성을 탐색해 왔다.통합형 자기동력 어플리케이션의 예로서, 연구진은 매우 긴 시간 동안 연료 보충 없이 일관되고 주기적인 진동을 할 수 있는 진동 캔틸레버 빔을 개발했습니다.진행 중인 연구는 이 캔틸레버가 무선 주파수 전송이 가능하여 MEMS 장치가 서로 무선으로 통신할 수 있다는 것을 증명합니다.

이러한 마이크로배터리들은 매우 가볍고 MEMS 디바이스에서 사용하기 위한 전원장치 및 나노 디바이스용 [25]전원장치로서 기능하기에 충분한 에너지를 제공합니다.

방출된 방사 에너지는 전기 에너지로 변환되며,[26]: 180–181 프로세서가 포함된 장치 영역과 프로세서에 에너지를 공급하는 마이크로 배터리로 제한됩니다.

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레퍼런스

  1. ^ "1페니 크기의 핵전지"Gizmag, 2009년 10월9일
  2. ^ "작은 핵배터리 공개"BBC 뉴스, 2009년 10월 8일 목요일
  3. ^ "원자 배터리는 방사능을 전기로 직접 변환합니다."Popular Mechanics, 1954년 4월, 87페이지
  4. ^ "Thermoelectric Generators". electronicbus.com. Archived from the original on 10 January 2016. Retrieved 23 February 2015.
  5. ^ Fitzpatrick, G. O. (19 May 1987). "Thermionic converter". OSTI 6377296. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  6. ^ McCoy, J.C (October 1995). "An overview of the Radioisotope Thermoelectric Generator Transportation System Program". OSTI 168371. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  7. ^ 미래 행성 탐사에서의 ASRG 취소
  8. ^ Lal, Amit; Rajesh Duggirala; Hui Li (2005). "Pervasive Power:A Radioisotope-Powered Piezoelectric Generator" (PDF). IEEE Pervasive Computing. 4: 53–61. doi:10.1109/MPRV.2005.21. S2CID 18891519. Archived from the original (PDF) on 21 June 2007.
  9. ^ NASA Glenn Research Center, 알파 및 베타 전압 2011년 10월 18일 웨이백 머신에 보관(2011년 10월 4일 액세스)
  10. ^ 쉴라 G. 베일리, 데이비드 MWilt, Ryne P. Raffaelle 및 Stephanie L. Castro, Alpha-Voltic 전원 설계 조사, 2010년 7월 16일 Wayback Machine, Research and Technology 2005, NASA TM-2006-21416, 2011년 10월 4일 액세스)
  11. ^ a b Segawa, Cojocaru, Uchida (7 November 2016). "Gammavoltaic Property of Perovskite Solar Cell - Toward the Novel Nuclear Power Generation". Proceedings of International Conference Asia-Pacific Hybrid and Organic Photovoltaics. Retrieved 1 September 2020.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
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  13. ^ a b MacKenzie, Gordon (October 2017). "A Diamond Gammavoltaic Cell". UK Research and Innovation.
  14. ^ a b Mackenzie, Robbie (19 June 2020). "Diamond Gammavoltaic Cells for Biasless Gamma Dosimetry". South West Nuclear Hub. Retrieved 1 September 2020.
  15. ^ "Popular Science". January 1981.
  16. ^ Purbandari, Dessy; Ferdiansjah, Ferdiansjah; Sujitno, Tjipto (2019). "Optimization of the Alpha Energy Deposited in Radioluminescence Thin Film for Alphaphotovoltaic Application". Proceeding International Conference on Science and Engineering. 2: 41–44. doi:10.14421/icse.v2.52. S2CID 141390756. Retrieved 31 August 2020.
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  18. ^ LIAKOS, John K. (1 December 2011). "Gamma-Ray-Driven Photovoltaic Cells via a Scintillator Interface". Journal of Nuclear Science and Technology. 48 (12): 1428–1436. doi:10.1080/18811248.2011.9711836. ISSN 0022-3131. S2CID 98136174.
  19. ^ Guo, Xiao; Liu, Yunpeng; Xu, Zhiheng; Jin, Zhangang; Liu, Kai; Yuan, Zicheng; Gong, Pin; Tang, Xiaobin (1 June 2018). "Multi-level radioisotope batteries based on 60Co γ source and Radio-voltaic/Radio-photovoltaic dual effects". Sensors and Actuators A: Physical. 275: 119–128. doi:10.1016/j.sna.2018.04.010. ISSN 0924-4247. S2CID 117568424.
  20. ^ "MedTech 회고록: 플루토늄으로 구동되는 심장박동조절기."
  21. ^ "핵심박조절기는 34년이 지나도 여전히 원기 왕성하다"
  22. ^ '알엘쿱'핵추진 심장박동조율기"입니다.
  23. ^ 크리스탈 펜드.배터리 지속 시간을 늘린다고 해서 핵추진 페이스메이커가 항상 플러스인 것은 아닙니다.
  24. ^ Bindu, K.C.; Harmon, Frank; Starovoitova, Valeriia; Stoner, Jon; Wells, Douglas (2013). "Optimization of commercial scale photonuclear production of radioisotopes". AIP Conference Proceedings. 1525 (1): 407–411. Bibcode:2013AIPC.1525..407B. doi:10.1063/1.4802359.
  25. ^ Waldner, Jean-Baptiste (2007). Inventer l'Ordinateur du XXIème Siècle. London: Hermes Science. p. 172. ISBN 978-2-7462-1516-0.
  26. ^ Waldner, Jean-Baptiste (2008). Nanocomputers and Swarm Intelligence. London: ISTE John Wiley & Sons. ISBN 978-1-84704-002-2. radioactive nuclei releases electrons that shoot the negative pole of the battery

외부 링크