البطارية الذرية في العالم الحديث

يشهد العلم تقدماً وتطوراً مستمرين. وقد تم بالفعل اختراع بطارية نووية. يمكن لهذا المصدر للطاقة أن يدوم حتى 50 عاماً، وأحياناً حتى 100 عام. ويعتمد ذلك على حجم البطارية ونوع المادة المشعة المستخدمة.

كانت شركة روساتوم أول من أعلن عن إنتاج بطارية نووية. وفي عام 2017، عرضت الشركة نموذجاً أولياً في أحد المعارض.

نجح الباحثون في تحسين طبقات البطارية النووية التي تستخدم تحلل بيتا لنظير النيكل-63 لتوليد الكهرباء.

يحتوي غرام واحد من هذه المادة على 3300 مللي واط ساعة.

كيف تعمل البطارية الذرية

البطارية الذرية، والمعروفة أيضًا باسم مولد الحرارة بالنظائر المشعة (RIHG)، هي مصدر طاقة يستخدم عملية تحلل النظائر المشعة لتوليد الحرارة، ثم تحويلها إلى طاقة كهربائية.

يعتمد مبدأ عمل البطارية الذرية على التحلل الإشعاعي، حيث تتفكك نوى الذرات مُطلقةً جسيمات وطاقة. يُعد البلوتونيوم-238 من أكثر المواد شيوعًا في البطاريات الذرية، نظرًا لطول عمر النصف له. يتحلل البلوتونيوم-238 إلى يورانيوم-234، مُطلقًا جسيمات ألفا. تحتوي هذه الجسيمات على طاقة عالية تتحول إلى حرارة عند تفاعلها مع البيئة المحيطة.

يُعد توليد الحرارة خطوةً أساسيةً في تشغيل البطارية الذرية. تُنقل الحرارة عبر مبادل حراري إلى مُحوِّل كهروحراري. يحتوي هذا المُحوِّل على مواد قادرة على توليد تيار كهربائي عند تعرضها لفرق في درجة الحرارة. وهكذا، تنتقل الحرارة الناتجة عن التحلل الإشعاعي للبلوتونيوم-238 إلى أحد جانبي المُحوِّل الكهروحراري، مما يُحدث فرقًا في درجة الحرارة بين جانبيه. يُتيح هذا الفرق في درجة الحرارة توليد الطاقة الكهربائية باستخدام تأثير سيبك الكهروحراري.

تُستخدم الطاقة الكهربائية المُولّدة بواسطة مُحوّل حراري كهربائي لتشغيل الأجهزة الكهربائية. وتتمثل الميزة الرئيسية للبطاريات الذرية في أنها تُوفّر مصدر طاقة مستقرًا وطويل الأمد، لا يتطلب استبدالًا أو إعادة شحن لسنوات عديدة. مع ذلك، ونظرًا لاستخدام مواد مُشعّة، تنطوي البطاريات الذرية على مخاطر مُعينة وتتطلب احتياطات أمان خاصة أثناء استخدامها والتعامل معها.

 

هل البطاريات النووية خطيرة؟

يدّعي المطورون أن هذه البطاريات آمنة تماماً للاستخدام العادي، وذلك بفضل تصميمها المتقن.

من المعروف أن إشعاع بيتا ضار بالجسم. لكن في البطارية النووية المُستحدثة، يكون هذا الإشعاع خفيفاً وسيتم امتصاصه داخل خلية الطاقة.

حالياً، يحدد الخبراء عدة صناعات من المخطط استخدام بطارية A123 النووية الروسية فيها:

1. الدواء.
2. صناعة الفضاء.
3. صناعة.
4. ينقل.

إلى جانب هذه المجالات، يمكن أيضاً استخدام مصادر الطاقة الجديدة طويلة الأمد في مجالات أخرى.

مزايا البطارية النووية

تم تسليط الضوء على عدد من الصفات الإيجابية:

• المتانة. يمكن أن تدوم حتى 100,000 سنة.
• القدرة على تحمل درجات الحرارة الحرجة.
• يسمح حجمها الصغير بجعلها محمولة واستخدامها في المعدات الصغيرة.

عيوب البطارية النووية

• تعقيد الإنتاج.
• هناك خطر التعرض للإشعاع، خاصة إذا كان الغلاف متضررًا.
• باهظة الثمن. يمكن أن تتراوح تكلفة البطارية النووية الواحدة بين 500,000 و 4,500,000 روبل.
• متاح لدائرة محدودة من الناس.
• تشكيلة صغيرة.

لا تقتصر أبحاث وتطوير البطاريات النووية على الشركات الكبرى فحسب، بل تشمل أيضاً الطلاب العاديين. فعلى سبيل المثال، طوّر طالب في تومسك بطارية تعمل بالطاقة النووية، قادرة على العمل لمدة 12 عاماً تقريباً دون الحاجة إلى إعادة شحن. ويعتمد هذا الاختراع على تحلل التريتيوم، وتبقى خصائص هذه البطارية ثابتة مع مرور الوقت.

بطارية نووية للهواتف الذكية

اعتبارًا من عام 2019، يجري إنتاج مصادر الطاقة النووية للهواتف. وهي تشبه تلك الموضحة في الصورة أدناه.

إنها تشبه شريحة إلكترونية دقيقة تُركّب في فتحات خاصة بالهاتف المحمول. يمكن أن تدوم هذه البطارية لمدة عشرين عامًا دون الحاجة إلى شحنها خلال هذه المدة، وذلك بفضل عملية الانشطار النووي. مع ذلك، قد يُثير هذا المصدر للطاقة قلق الكثيرين، فالجميع يعلم أن الإشعاع ضار ومؤذٍ للجسم، وقلّة من الناس سيرغبون في حمل هاتف كهذا طوال اليوم.

لكن العلماء يؤكدون أن هذه البطارية النووية آمنة تمامًا. يُستخدم التريتيوم كمادة فعالة، والإشعاع المنبعث أثناء تحلله غير ضار. يمكنك رؤية التريتيوم أثناء عمله في ساعة كوارتز مضيئة في الظلام. تتحمل البطارية درجات حرارة منخفضة تصل إلى -50 درجة مئوية، وتعمل بكفاءة عالية في درجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية.⁰وفي الوقت نفسه، لم تُلاحظ أي تقلبات في عملها.

سيكون من الجيد امتلاك مثل هذه البطارية في متناول اليد، على الأقل لإعادة شحن هاتفك ببطارية عادية.

يتراوح جهد هذه البطارية بين 0.8 و 2.4 فولت، كما أنها تولد تيارًا يتراوح بين 50 و 300 نانو أمبير. ويحدث كل هذا على مدى 20 عامًا.

تُحسب السعة كما يلي: C = 0.000001 واط × 50 سنة × 365 يومًا × 24 ساعة / 2 فولت = 219 مللي أمبير

تبلغ قيمة البطارية حاليًا 1122 دولارًا. وبتحويلها إلى روبل بسعر الصرف الحالي (65.42)، فإن ذلك يعادل 73400 روبل.

أين تُستخدم البطاريات النووية؟

نطاق استخدامها عمليًا مماثل لنطاق استخدام البطاريات التقليدية. وتُستخدم في:

• الإلكترونيات الدقيقة.
• أجهزة استشعار الضغط ودرجة الحرارة.
• زراعة الأعضاء.
• كبطاريات شحن متنقلة لبطاريات الليثيوم.
• أنظمة التعريف.
• ساعات.
• ذاكرة SRAM.
• لتشغيل المعالجات منخفضة الطاقة، مثل FPGA وASIC.

هذه ليست الأجهزة الوحيدة؛ ستتوسع قائمتها بشكل كبير في المستقبل.

بطارية النيكل-63 النووية وخصائصها

يمكن لهذا المصدر النووي، القائم على نظير النظير 63، أن يستمر لمدة تصل إلى 50 عامًا. ويعمل من خلال التأثير الكهروضوئي بيتا، وهو تأثير يكاد يكون مطابقًا للتأثير الكهروضوئي. في التأثير الكهروضوئي، تتولد أزواج الإلكترون-فجوة في الشبكة البلورية لأشباه الموصلات بفعل الإلكترونات السريعة أو جسيمات بيتا. أما في التأثير الكهروضوئي، فتتولد هذه الأزواج بفعل الفوتونات.

تُنتَج بطارية النيكل-63 الذرية عن طريق تشعيع أهداف من النيكل-62 في مفاعل نووي. ويزعم الباحث غافريلوف أن هذه العملية تستغرق حوالي عام. والأهداف اللازمة متوفرة بالفعل في جيليزنوغورسك.

إذا قارنا بطاريات النيكل-63 النووية الروسية الجديدة ببطاريات الليثيوم أيون، فسيكون حجمها أصغر بمقدار 30 مرة.

يؤكد الخبراء أن مصادر الطاقة هذه آمنة للبشر لأنها تُصدر أشعة بيتا ضعيفة. علاوة على ذلك، لا يتم إطلاقها خارجياً، بل تبقى داخل الجهاز.

يُعدّ مصدر الطاقة هذا مثاليًا حاليًا لأجهزة تنظيم ضربات القلب الطبية. مع ذلك، لم يُفصح المطورون عن تكلفته، ولكن يمكن حسابها دون الإفصاح عنها. يبلغ سعر غرام واحد من النيكل-63 حاليًا حوالي 4000 دولار أمريكي. لذا، يتطلب تصنيع بطارية كاملة الوظائف استثمارًا كبيرًا.

مكونات البطارية النووية

يُستخرج النيكل-63 من الماس. ومع ذلك، تطلب الحصول على هذا النظير تطوير تقنية جديدة لقطع مادة الماس المتينة.

تتكون البطارية النووية من باعث ومجمع يفصل بينهما غشاء خاص. عندما يتحلل العنصر المشع، فإنه يُصدر إشعاع بيتا، مما يُكسبه شحنة موجبة. في الوقت نفسه، يُصبح المجمع مشحونًا بشحنة سالبة، مما يُحدث فرقًا في الجهد، مُولِّدًا تيارًا كهربائيًا.

باختصار، خلية الطاقة الذرية لدينا عبارة عن طبقات متداخلة. تتوسط 200 وحدة طاقة من النيكل-63 طبقة من أشباه الموصلات الماسية. يبلغ ارتفاع وحدة الطاقة حوالي 4 ملم ووزنها 250 ملليغرامًا. ويُعد صغر حجمها ميزة رئيسية للبطارية الذرية الروسية.

يُعدّ تحديد الأبعاد المناسبة أمرًا صعبًا. فالطبقة السميكة من النظير المشع تمنع الإلكترونات التي تُنتجها من التحرر. أما الطبقة الرقيقة فهي غير مرغوبة، لأنها تُقلل من عدد اضمحلالات بيتا في وحدة الزمن. وينطبق الأمر نفسه على سُمك أشباه الموصلات. تعمل البطارية بأفضل كفاءة مع طبقة من النظير المشع بسُمك حوالي 2 ميكرون، بينما يتطلب شبه موصل الماس سُمك 10 ميكرون.

لكن ما حققه العلماء حتى الآن ليس الحد الأقصى. إذ يمكن زيادة انبعاثات العادم بمقدار ثلاثة أضعاف على الأقل. وهذا يعني إمكانية تصنيع بطارية نووية بتكلفة أقل بثلاثة أضعاف.

بطارية نووية من الكربون-14 تدوم 100 عام.

تتميز هذه البطارية الذرية بالمزايا التالية مقارنة بمصادر الطاقة الإشعاعية الأخرى:

1. رخص.
2. صديق للبيئة.
3. عمر خدمة طويل يصل إلى 100 عام.
4. سمية منخفضة.
5. أمان.
6. قادر على العمل في ظروف درجات حرارة قصوى.

يبلغ عمر النصف للنظير المشع للكربون-14 حوالي 5700 عام. وهو غير سام تماماً وغير مكلف.

لا تقتصر الجهود على الولايات المتحدة وروسيا فحسب، بل تشمل دولًا أخرى أيضًا، وتعمل بنشاط على تحديث البطاريات النووية! وقد تمكن الباحثون من تطوير طبقة رقيقة على ركيزة من الكربيد، مما أدى إلى انخفاض تكلفة هذه الركيزة بمقدار مئة ضعف. يتميز هذا الهيكل بمقاومته للإشعاع، مما يجعل مصدر الطاقة هذا آمنًا ومستدامًا. وباستخدام كربيد السيليكون في البطاريات النووية، أصبح من الممكن تشغيلها عند درجات حرارة تصل إلى 350 درجة مئوية.

وهكذا، تمكن العلماء من صنع بطارية ذرية بأيديهم!