베타전 소자

Betavoltaic device
이 기사는 베타 입자에서 직접 전기를 발생시키는 장치에 대한 것입니다.광전지를 사용하는 디바이스의 경우는, 광전자 핵배터리를 참조해 주세요.

베타전 소자(베타전 셀 또는 베타전 배터리)는 반도체 접합부를 이용해 방사성 소스에서 방출되는 베타입자(전자)로부터 전류를 발생시키는 핵전지의 일종이다.사용되는 일반적인 선원은 수소 동위원소 삼중수소이다.핵방사선을 사용하여 열을 발생시키고 그 후 전기를 발생시키는 대부분의 핵발전소자와 달리 베타전장치는 비열변환과정을 사용하여 [1]반도체를 통과하는 베타입자의 이온화 궤적에 의해 생성된 전자공쌍을 변환한다.

베타전원(및 알파전원의[2] 관련 기술)은 에너지원의 긴 수명이 필요한 저전력 전기 애플리케이션에 특히 적합하다(예: 이식형 의료기기 또는 군사 및 우주 애플리케이션).[1]

역사

베타볼틱스는 1970년대에 [3]발명되었다.1970년대 일부 심장박동조절기는 프로메튬을 [4]기반으로 하는 베타볼틱스를 사용했지만 저렴한 리튬 배터리가 [1]개발되면서 단계적으로 폐지됐다.

초기 반도체 재료는 베타 붕괴에서 사용 가능한 전류로 전자를 변환하는 데 효율적이지 않았기 때문에 더 높은 에너지, 더 비싸고 잠재적으로 위험한 동위원소가 사용되었습니다.오늘날 사용되는[5] 보다 효율적인 반도체 물질은 방사선을 [1]덜 생성하는 삼중수소와 같은 상대적으로 양성인 동위원소와 쌍을 이룰 수 있다.

베타셀은 베타전지로서는 처음으로 상용화에 성공했다.

제안.

베타볼타닉스의 주요 용도는 10년 또는 20년 동안 전력을 필요로 하는 우주선과 같은 원격 및 장기 사용입니다.최근의 진전으로 인해 일부에서는 휴대폰이나 노트북과 [6]같은 소비자 기기에서 기존의 배터리를 세류 충전하기 위해 베타볼틱스를 사용하는 것이 어떻겠느냐는 의견이 제기되고 있다.1973년부터 베타볼타닉스는 심장박동조절기와 [4]같은 장기 의료기기에 사용할 것을 제안했다.

2018년에는 10미크론 다이아몬드 층 사이에 낀 2미크론 두께의 니켈-63 슬래브를 기반으로 한 러시아 디자인이 도입됐다.10μW/cm의3 전력 밀도로 약 1μW의 전력 출력을 생성했습니다.에너지 밀도는 3.3kWh/kg이었다.니켈-63의 반감기는 100년이다.[7][8][9]

최근의 연구는 [10]금성 표면과 같이 733K(460°C; 860°F)를 초과하는 고온 환경에서 베타전 장치의 생존 가능성을 보여주었다.

결점

방사성 물질이 방출됨에 따라 방사능이 서서히 감소합니다(반감기 참조).따라서 시간이 지남에 따라 베타전 장치는 더 적은 전력을 제공할 것입니다.실용적인 장치의 경우, 이러한 감소는 수년간에 걸쳐 발생합니다.삼중수소 장치의 경우, 반감기는 12.32년이다.장치 설계에서는 수명 만료 시 필요한 배터리 특성을 고려해야 하며 수명 시작 속성이 원하는 사용 수명을 고려하도록 해야 합니다.

환경법과 삼중수소 및 삼중수소에 대한 인간 피폭과 그 베타 붕괴와 관련된 책임도 위험 평가와 제품 개발에서 고려해야 한다.자연스럽게, 이는 시장 출시 시간과 삼중수소와 관련된 이미 높은 비용을 모두 증가시킨다.영국 정부의 전리방사선 건강보호청 자문 그룹의 2007년 보고서는 삼중수소 피폭의 건강 위험이 [11]스웨덴에 위치한 국제방사선방호위원회가 이전에 설정한 것보다 두 배라고 선언했다.

방사성 붕괴는 쉽게 멈추거나 속도를 높이거나 속도를 늦출 수 없기 때문에 배터리를 끄거나 출력을 조절할 방법이 없다.일부 어플리케이션에서는 이것이 무관하지만, 다른 어플리케이션에서는 필요할 때 에너지를 저장할 수 있는 백업 화학 배터리가 필요합니다.이것에 의해, 높은 전력 밀도의 메리트가 감소합니다.

유용성

베타전 핵배터리는 상업적으로 구입할 수 있다.사용 가능한 장치는 20그램의 [12][13]100 μW 삼중수소 동력 장치를 포함한다.

안전.

베타볼타닉스는 방사성 물질을 동력원으로 사용하지만 사용되는 베타 입자는 낮은 에너지로 몇 밀리미터의 차폐로 쉽게 차단됩니다.적절한 장치 구성(즉, 적절한 차폐 및 격납)을 통해 베타전 장치는 위험한 방사선을 방출하지 않는다.다른 유형의 배터리(리튬, 카드뮴, 납 등)에 포함된 물질이 누출되면 건강과 환경에 심각한 [14]문제가 발생하므로 동봉된 물질의 누출은 건강상의 위험을 초래할 수 있습니다.방사성 동위원소를 화학적으로 불활성하고 기계적으로 안정된 형태로 변환함으로써 안전성을 더욱 높일 수 있어 누출 시 분산이나 생물 축적 위험을 줄일 수 있다.

효율성.

방사성 동위원소의 높은 전력 밀도와 많은 베타볼타학 응용 분야에서 무엇보다도 신뢰성이 필요하기 때문에 상대적으로 낮은 효율이 허용된다.현재의 테크놀로지에서는, 베타 입자 입력으로부터 전력 출력에 이르기까지, 에너지 변환 효율의 한자릿수를 실현할 수 있습니다만, 효율의 향상에 대한 연구는 [15][16]진행중입니다.이에 비해 30% 범위의 열효율은 새로운 대규모 화력발전소에서는 상대적으로 낮은 것으로 간주되며, 첨단 복합사이클 발전소는 [17]열입력당 전력출력으로 측정하면 60% 이상의 효율을 달성할 수 있습니다.베타전 장치가 방사성 동위원소 히터 유닛의 역할을 겸할 경우 사실상 열병합 발전소가 되며 폐열의 상당 부분이 유용한 용도로 사용되므로 총 효율이 훨씬 높아집니다.태양광 발전소와 마찬가지로 쇼클리-퀴저 한계도 단일 밴드갭 베타 발전 [18]장치에 절대 제한을 가한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d 25년 배터리: 수소 동위원소로 구동되는 긴 수명의 핵 배터리는 군사 애플리케이션 테스트에 사용되고 있다(Katherine Bourzac, Technology Review, MIT, 2009년 11월 17일).
  2. ^ NASA Glenn Research Center, Alpha 및 Beta-Voltaics 2011-10-18 Wayback Machine에 보관(2011년 10월 4일 액세스)
  3. ^ "Review and Preview of Nuclear Battery Technology". large.stanford.edu. Retrieved 2018-09-30.
  4. ^ a b Olsen, L.C. (December 1973). "Betavoltaic energy conversion". Energy Conversion. 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. (December 2019). "Optimal Semiconductors for 3H and 63Ni Betavoltaics". Scientific Reports. 9 (1): 10892. Bibcode:2019NatSR...910892M. doi:10.1038/s41598-019-47371-6. ISSN 2045-2322. PMC 6659775. PMID 31350532.
  6. ^ "betavoltaic.co.uk". Retrieved 21 February 2016.
  7. ^ 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. (April 2018). "High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes". Diamond and Related Materials. 84: 41–47. Bibcode:2018DRM....84...41B. doi:10.1016/j.diamond.2018.03.006.
  8. ^ "Prototype nuclear battery packs 10 times more power". Moscow Institute of Physics and Technology. Retrieved 2020-09-01.
  9. ^ Irving, Michael (June 3, 2018). "Russian scientists pack more power into nuclear battery prototype". newatlas.com. Retrieved 2018-06-14.
  10. ^ O’Connor, Andrew; Manuel, Michele V.; Shaw, Harry (November 2019). "An extended-temperature, volumetric source model for betavoltaic power generation". Transactions of the American Nuclear Society. 121: 542–545. doi:10.13182/T30591. PMC 8269951. PMID 34248155.
  11. ^ Edwards, Rob (29 November 2007). "Tritium hazard rating 'should be doubled'". NewScientist.
  12. ^ "NanoTritiumTM Betavoltaic P200 Series Specifications". 2018. Retrieved 2020-09-01.
  13. ^ "Commercially-available NanoTritium battery can power microelectronics for 20+ years". New Atlas. 2012-08-16. Retrieved 2020-09-01.
  14. ^ Maher, George (October 1991). "Battery Basics". County Commissions, North Dakota State University and U.S. Department of Agriculture. North Dakota State University. Retrieved August 29, 2011.
  15. ^ "Betavoltaic Devices".
  16. ^ Sachenko, A. V.; Shkrebtii, A. I.; Korkishko, R. M.; Kostylyov, V. P.; Kulish, M. R.; Sokolovskyi, I. O. (1 September 2015). "Efficiency analysis of betavoltaic elements". Solid-State Electronics. 111: 147–152. arXiv:1412.7826. Bibcode:2015SSEle.111..147S. doi:10.1016/j.sse.2015.05.042. S2CID 94359293.
  17. ^ "The Most Efficient Thermal Power Generation Plants in America".
  18. ^ Maximenko, Sergey I.; Moore, Jim E.; Affouda, Chaffra A.; Jenkins, Phillip P. (26 July 2019). "Optimal Semiconductors for 3H and 63Ni Betavoltaics". Scientific Reports. 9 (1): 10892. Bibcode:2019NatSR...910892M. doi:10.1038/s41598-019-47371-6. PMC 6659775. PMID 31350532.

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