Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание высокоэффективных бета-вольтаических элементов питания с длительным сроком службы на основе радиационно-стойких структур

Номер контракта: 14.580.21.0003

Руководитель: Бормашов Виталий Сергеевич

Должность руководителя: старший научный сотрудник

Докладчик: Трощиев Сергей Юрьевич, старший научный сотрудник

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
бета-вольтаический эффект, широкозонный полупроводник, изотопная очистка, пьезоэлектрический эффект, ядерная батарея, контакт шоттки, барьерная структура, неравновесные носители заряда, бета-распад, тормозное излучение, зонная структура

Цель проекта:
Разработка базовых конструкций и технологий создания автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения с удельной мощностью не менее 50 мкВт/см^3 и сроком службы не менее 20 лет для нужд ядерной энергетики, авиакосмической техники, нано- и микроэлектроники, биомедицины и специальной техники, что будет способствовать повышению экспортного потенциала России и снижению импортной зависимости в стратегически важных отраслях промышленности.

Основные планируемые результаты проекта:
1) Результаты теоретических исследований эффективности передачи энергии, выделяемой в радиоизотопе никель-63 при бета-распаде, преобразователю на основе радиационно-стойких структур с учетом геометрии расположения преобразователей и изотопа в сборке.
2) Результаты расчетов массогабаритных характеристик радиационной защиты для радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания.
3) Варианты конструкции автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения
4) Технология изготовления радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения
5) Опытные образцы радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания со следующими характеристиками:
- удельная мощность, не менее 50 мкВт/см^3
- ток короткого замыкания, не менее 20 мкА
- напряжение холостого хода, не менее 1 В
– срок службы, не менее 20 лет
6) Результаты испытаний опытных образцов радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания
7) Рекомендации по промышленному освоению разработанных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Получаемые результаты комплексного проекта послужат основой для последующего создания во взаимодействии с Индустриальным партнером овых видов продукции – автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания с длительным сроком службы – для обеспечения необходимого уровня национальной и технологической безопасности России, повышения её экспортного потенциала и снижения импортной зависимости в стратегически важных отраслях промышленности.
Радиационно-стимулированные источники питания в сравнении с химическими элементами питания (как отечественными, так и импортными) обладают минимум на 2 порядка большей плотностью энергии. Срок службы таких источников зависит от скорости распада радиоизотопа и может достигать 100 лет. В качестве радиоактивного элемента-источника энергии может выступать любой радиоизотоп с длительным временем жизни, распадающийся по бета-минус каналу
Элементы питания нового поколения на временном горизонте 5-6 лет в сравнении с изделиями конкурентов (мировыми аналогами) будут отличаться:
1) повышенной не менее чем в 2 раза эффективностью (КПД) преобразования энергии, выделяющейся при распаде β-источника, в электроэнергию, что позволит в перспективе снизить себестоимость источника примерно на 50% за счет более экономичного расходования дорогостоящего радиоизотопа с высокой степенью обогащения.
2) увеличенной на 50% удельной мощностью, что позволит снизить на треть массогабаритные показатели элементов питания батарей на их основе с сохранением требуемого уровня выходной мощности.
3) усиленным уровнем эксплуатационной надежности за счет использования преобразователей с длительным сроком службы (более 20 лет) на основе радиационно-стойких материалов.
В ходе выполнения комплексного проекта для создания автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения будут разработаны новые технологии, которые также планируются к промышленному освоению силами Индустриального партнера. В частности ожидается разработка следующих технологических процессов:
1) Технология создания радиационно-стимулированного механо-электрического генератора на основе монокристаллов пьезоэлектриков с ориентированной доменной структурой (в рамках связанного проекта по мероприятию 1.3). Внедрение данной технологии способствует сокращению технологического отставания России в области создания устройств нано- и микроэлектроники, в том числе МЭМС/НЭМС, МОЭМС/НОЭМС. Созданная технологическая линия позволит в перспективе создавать современную конкурентоспособную элементную базу, что важно в развитии программ импортозамещения и снижения технологических рисков в стратегически важных отраслях промышленности.
2) Технология создания преобразователей энергии ионизирующего бета-излучения в электрическую энергию прямого действия на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур (в рамках связанного проекта по мероприятию 1.3). Внедрение данной технологии способствует развитию направления экстремальной электроники, что позволит в перспективе выйти на масштабные сегменты применения электронных компонентов в промышленных секторах, где нет такой жесткой ценовой конкуренции, как в потребительской электронике, но имеющих при этом довольно высокую емкость с точки зрения объемов потребления.
3) Технология получения эффективных источников бета-излучения с высокой степенью обогащения для использования в радиационно-стимулированных элементах питания (в рамках связанного проекта по мероприятию 1.3). Внедрение данной технологии является эффективной альтернативой захоронению радионуклидов, являющиеся побочным продуктом работы атомных электростанций, и создает предпосылки для создания технологии более глубокой переработки радиоактивных отходов с выделением ряда технологически важных изотопов, используемых в технике и медицине.
4) Технология сборки радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания различного назначения с длительным сроком службы. Внедрение данной технологии позволит в ближайшей перспективе удовлетворить существующую высокую потребность в элементах питания для автономной аппаратуры, функционирующей в условиях невозможности обслуживания (зарядки, заправки топлива или замены источника напряжения). В первую очередь, это аэрокосмическая (в частности, военная) и медицинская техника, а также геологоразведовательная и исследовательская техника для работы в труднодоступных регионах, например, на крайнем севере.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Новое поколение автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания и батарей на их основе позволит создать стратегический задел в области специальных источников питания, нацеленный на:
1) Обеспечение безопасности на атомных станциях за счет создания энергонезависимых систем контроля;
2) Обеспечение автономным питанием специальной техники;
3) Освоение космоса за счет создания автономных необслуживаемых спутников и зондов;
4) Развитие медицины за счет создания нового поколения необслуживаемых имплантов;
5) Освоение труднодоступных регионов, в частности, крайнего Севера, за счет создания автономных геолого-разведывательных зондов, энергонезависимых сенсоров, буев и т.д.
Создание таких элементов питания позволит значительно увеличить обороноспособный потенциал России и открыть новые возможности по исследованию труднодоступных областей, а также достичь нового уровня производства и технологий.
Планируемый масштаб выпуска продукции и ее рабочие характеристики обеспечат полное замещение импортных аналогов Widetronix (Firefli-T, Firefli-N), City Labs (ERDIP, LCC) и BetaBatt (Trench, Fill-Jelli-Roll) в отечественных отраслях промышленности. Продукция этих фирм с 2014 года не может быть импортирована в Российскую Федерацию из-за санкций, ограничивающих поставку в РФ продукции двойного назначения.
При изготовлении радиационно-стимулированных источников питания могут быть использованы как специально нарабатываемые радионуклиды, так и радионуклиды, являющиеся побочным продуктом работы атомных электростанций, что является эффективной альтернативой их захоронению.

Текущие результаты проекта:
1) На основе патентных исследований и аналитического обзора литературы выполнена сравнительная оценка возможных направлений исследований и осуществлен выбор и обоснование оптимального варианта создания автономных радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания.
2) Проведены теоретические исследования эффективности передачи энергии, выделяемой в радиоизотопе никель-63 при бета-распаде, преобразователю на основе радиационно-стойких структур с учетом геометрии расположения преобразователей и изотопа в сборке.
3) Разработана математическая модель процесса генерации тормозного ионизирующего излучения, возникающего при торможении бета-частиц в источнике и защитном экране.
4) Проведены расчеты массогабаритных характеристик радиационной защиты для радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания.
5) Разработан эскизный проект радиационно-стимулированных бета-вольтаических элементов питания с длительным сроком службы.