Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0118

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0118
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов"
Название доклада
Разработка технологии изготовления радиационно-стимулированного источника напряжения на основе радионуклида Ni-63 и синтетического монокристалла алмаза с увеличенным сроком эксплуатации для нужд медицины, аэрокосмической промышленности и других применений.
Докладчик
Трощиев Сергей Юрьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта – разработка научно-технических основ создания радиационно-стимулированного источника электроэнергии на основе полупроводниковых преобразователей и радионуклида никель-63. Планируемый основной результат проекта – создание экспериментального образца источника электроэнергии. После окончания проекта планируется проведение ОКР и создание опытных образцов источника электроэнергии на основе никеля-63.
Задача проекта – обеспечение электроэнергией автономных устройств с длительным сроком службы, предназначенных для работы без обслуживания в течение длительного времени.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследований в область разработки и создания радиационно-стимулированных источников электроэнергии обусловлена развитием микроэлектроники и созданием компактных энергоэффективных приборов-потребителей электроэнергии. Минимизация потерь энергии позволяет использовать для питания таких приборов радиационно-стимулированные источники электроэнергии с ограниченной мощностью для создания автономных устройств с чрезвычайно длительным сроком службы, предназначенных, в первую очередь, для использования в медицине и в космосе, а также для исследования труднодоступных регионов.
Новизна используемого научного решения заключается в использовании радиационно-стойких двухслойных алмазных преобразователей энергии ионизирующего излучения в полезную электроэнергию, состоящих из легированных бором алмазных пластин с продолжающими их кристаллическую структуру эпитаксиальными слоями прецизионнолегированного алмаза размером 4х4 мм. В настоящее время в мире серийно алмазные преобразователи энергии не производятся, а лабораторные образцы ограничены размером приблизительно 1х1 мм.
Описание исследования

Проведенные исследования базируются на современных тенденциях в области исследований радиационно-стимулированных источников электроэнергии. Был выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в области создания изотопных источников электропитания и проведены патентные исследования. На основе проведенных исследований были проведены обоснование и выбор направления исследований, методов и средств создания изотопных источников электропитания.

Были разработаны физические и математические модели процессов преобразования энергии источника ионизирующего излучения в электрическую энергию на основе полупроводниковой структуры, а также разработана физико-математическая модель радиационно-стимулированного источника повышенного постоянного и импульсного напряжения на основе полупроводниковой структуры.

Были разработаны технологические решения безопасного получения высокоактивного радиоизотопа никель-63, с использованием которых был разработан лабораторный регламент производства радионуклида никель-63 с высокой удельной активностью.

Были разработаны, изготовлены и испытаны по разработанным программам и методикам полупроводниковые изделия на основе синтетического алмаза: низкодефектные легированные бором монокристаллы алмаза, легированные бором пластины алмаза с высокой проводимостью и эпитаксиальные слои прецизионнолегированного алмаза.

Была разработана эскизная конструкторская документация на радиационно-стимулированные источники повышенного постоянного и импульсного напряжения. Согласно разработанной документации радиационно-стимулированный источник включает в себя слои фольги никеля-63, несущие конструкции, представляющие собой диски из корундовой керамики с металлическим напылением, и кристаллы-преобразователи, изготовленные на основе эпитаксиальных слоев прецизионнолегированного алмаза. Были изготовлены и испытаны по разработанным программам и методикам экспериментальные образцы радиационно-стимулированных источников повышенного постоянного и импульсного напряжения. По результатам испытаний была проведена корректировка эскизной конструкторской документации по результатам исследовательских испытаний экспериментальных образцов радиационно-стимулированных источников повышенного постоянного и импульсного напряжения.

Индустриальным партнером выполнено материально-техническое обеспечение работ.

 

Результаты исследования

Основным результатом исследования стал экспериментальный образец радиационно-стимулированного источника повышенного постоянного и импульсного напряжения и результаты его испытаний.

Разработанный изотопный источник импульсный электрического напряжения электропитания обладает следующими характеристиками, удовлетворяющими требованиям ТЗ:

- напряжение разомкнутой цепи - не менее 5 В;

- сопротивление нагрузки номинальное - не менее 1 кОм;

- длительность импульса выходного напряжения на номинальной нагрузке - не менее 0,5 с;

- период следования импульсов выходного напряжения в начале срока эксплуатации - не более 100 с;

- сопротивление внутреннее - не более 10 Ом;

- срок эксплуатации - не менее 50 лет;

- период следования импульсов выходного напряжения в конце срока эксплуатации - не более 200 с;

- емкость удельная - не менее 35 А * ч / кг;

- источник ионизирующего излучения – никель-63;

Разработанный изотопный источник постоянного электрического напряжения электропитания обладает следующими характеристиками, удовлетворяющими требованиям ТЗ:

- напряжение разомкнутой цепи – не менее 12 В;

- ток короткого замыкания – не менее 1 нА;

- сопротивление внутреннее – не более 2000 кОм;

- срок эксплуатации – не менее 50 лет;

- напряжение конечное (в конце срока эксплуатации) – не менее 60% от напряжения начального;

- емкость удельная – не менее 40 А * ч / кг;

- источник ионизирующего излучения - никель-63.

Согласно проведенному индустриальным партнером проекта исследованию рынков сбыта радиационно-стимулированных источников повышенного постоянного и импульсного напряжения, полученные результаты соответствуют мировому уровню.

Практическая значимость исследования
Практическая значимость исследования обусловлена назначением его результатов: радиационно-стимулированные источники напряжения предназначены для обеспечения электроэнергией приборов и устройств, предназначенных для работы в местах, где их обслуживание затруднено или невозможно.
Область применения результатов проекта: результаты проекта будут применяться при создании медицинских имплантов и компактных устройств для освоения космоса, крайнего севера, морей и океанов.
Эффекты от внедрения результатов проекта
- Создание нового класса компактных устройств с длительным сроком службы для освоения космического пространства.
- Создание электрически активных медицинских имплантов для глубокого вживления.
- Утилизация радиоактивных веществ.
- Экспорт никеля-63 в составе источников электроэнергии.