Применение радиоактивных изотопов для создания бета−вольтаических генераторов


https://doi.org/10.17073/1609-3577-2016-4-221-234

Полный текст:


Аннотация

Рассмотрены особенности применения радиоактивных изотопов при создании автономных источников электропитания. Проведен анализ веществ, используемых в радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Обоснована перспективность изготовления бета−вольтаических генераторов, представлено сравнение их с другими  источниками электрического питания. Рассмотрен механизм β−распада и его место среди других видов ядерных превращений. Сформулированы основные требования по радиационной безопасности, а также требования к применяемым материалам корпуса и преобразователя. Рассмотрены некоторые предложенные ранее конструкции радиоизотопных бета−вольтаических источников. Приведен перечень изотопов, возможных для применения в качестве источника энергии в бета−вольтаическом генераторе. Рассмотрены методы получения радиоактивных материалов, демонстрирующих β−распад, их основные свойства и природные изотопы. Сделан вывод о предпочтительности выбора изотопа никеля−63 для применения в бета−вольтаических генераторах благодаря оптимальному сочетанию времени полураспада, средней энергии частиц и интенсивности излучения.


Об авторах

А. С. Быков
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Быков Александр Сергеевич — кандидат технических наук, доцент.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



М. Д. Малинкович
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Малинкович Михаил Давыдович — кандидат физико−математических наук, доцент.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



И. В. Кубасов
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия
Кубасов Илья Викторович — ассистент.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



А. М. Кислюк
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Кислюк  Александр Михайлович — магистрант.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



Д. А. Киселев
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Киселев Дмитрий Александрович — кандидат физико−математических наук, старший научный сотрудник. 



С. В. Ксенич
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Ксенич  Сергей Владимирович — инженер.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



Р. Н. Жуков
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Жуков Роман Николаевич — инженер.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



А. А. Темиров
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Темиров Александр Анатольевич — ассистент.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



М. В. Чичков
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия
Чичков Максим Владимирович — инженер.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



А. А. Полисан
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Полисан Андрей Андреевич — доктор технических наук, профессор.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



Ю. Н. Пархоменко
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Пархоменко Юрий Николаевич — доктор  физико−математических наук, профессор.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



Список литературы

1. Koutitas, G. A review of energy efficiency in telecommunication networks / G. Koutitas, P. Demestichas // Telfor Journal. − 2010. − V. 2, N 1. − P. 2—7. URL:http://journal.telfor.rs/Published/Vol2No1/Vol2No1_A1.pdf

2. Bose, B. K . Global energy scenario and impact of power electronics in 21st century / B. K. Bose // IEEE Transactions on Industrial Electronics. − 2013. − V. 60, N 7. − P. 2638—2651. DOI: 10.1109/TIE.2012.2203771

3. Paradiso, J. A. Energy scavenging for mobile and wireless electronics / J. A. Paradiso, T. Starner // IEEE Pervasive Computing. − 2005. − V. 4, N 1. − P. 18—27. DOI: 10.1109/MPRV.2005.9

4. Moseley, H. G. J. The Attainment of high potentials by the use of radium / H. G. J. Moseley, J. H. Fellow // Proc. Royal Society of London A. − 1913. − V. 88, N 605. − P. 471—476. DOI: 10.1098/rspa.1913.0045

5. Singh, N. Radioisotopes — Applications in Physical Sciences / N. Singh. − Rijeka (Croatia): InTech, 2011. − 496 p. DOI: 10.5772/858

6. Huffman , F. N. Nuclear −fueled cardiac pacemakers / F. N. Huffman, C. Norman // Chest. − 1974. − V. 65, N 6. − P. 667—672. DOI: 10.1378/chest.65.6.667

7. Wei, X. Power sources and electrical recharging strategies for implantable medical devices / X. Wei, J. Liu // Frontiers of Energy and Power Engineering in China. − 2008. − V. 2. − N 1. − P. 1—13. DOI: 10.1007/s11708-008-0016-3

8. Whalen, S. A. Improving power density and efficiency of miniature radioisotopic thermoelectric generators / S. A. Whalen, C. A. Apblett, T. L. Aselage // J. Power Sources. − 2008. − V. 180, N 1. − P. 657—663. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.01.080

9. Olsen , L . C . Betavoltaic power sources / L . C . Olsen, P. Cabauy, B. J. Elkind // Physics Today. − 2012. − V. 65, N 12. − P. 35—38. DOI: 10.1063/PT.3.1820

10. Seaborg, G. T. Table of isotopes / G. T. Seaborg // Rev. Modern Phys. − 1944. − V. 16, N 1. − P. 1—32. DOI: 10.1103/RevMod-Phys.30.585

11. Баранов, В. Ю. Изотопы: свойства, получение, применение / В. Ю. Баранов. − М.: Физматлит, 2005. − 600 с.

12. Ву, Ц. С. Бета−распад / Ц. С. Ву, С. А. Мошковский. − М.: Атомиздат, 1970. − 397 с.

13. Lewis, V. E . Beta decay of tritium / V. E. Lewis // Nuclear Phys. A. − 1970. − V. 151, N 1. − P. 120—128. DOI: 10.1016/0375-9474(70)90972-3

14. Daris, R. Beta decay of tritium / R. Daris, C. St−Pierre // Nuclear Phys. A. − 1969. − V. 138, N 3. − P. 545—555. DOI: 10.1016/0375-9474(69)90237-1

15. Windle, W. F. Microwatt radioisotope energy converters / W. F. Windle // IEEE Transactions on Aerospace. − 1964. − V. 2, N 2. − P. 646—651. DOI: 10.1109/TA.1964.4319649

16. Rappaport, P. Radioactive charging effects with a dielectric medium / P. Rappaport, E. G. Linder // J. Appl. Phys. − 1953. − V. 24, N 9. − P. 1110—1114. DOI: 10.1063/1.1721457

17. Müller, S. Search for an admixture of a 17 keV neutrino in the β decay of 35S / S. Müller, Ch. Shiping, H. Daniel, O. Dragoun, N. Dragounová, H. Hagn, E. Hechtl, K.−H. Hiddemann, A. Špalek // Zeitschrift für Naturforschung A. − 1994. − V. 49, N 9. − P. 874—884. DOI: 10.1515/zna-1994-0910

18. Thoennessen, M. Discovery of the isotopes with 11 ≤ Z ≤ 19 / M. Thoennessen // Atomic Data and Nuclear Data Tables. − 2012. − V. 98, N 5. − P. 933—959. DOI: 10.1016/j.adt.2011.09.002

19. Bogue, R. Powering tomorrow’s sensor: a review of technologies. Pt 1 / R. Bogue // Sensor Review. − 2010. − V. 30, N 3. − P. 182—186. DOI: 10.1108/02602281011051344

20. Meier, D. E. Production of 35S for a liquid semiconductor betavoltaic / D. E. Meier, A. Y. Garnov, J. D. Robertson, J. W. Kwon, T. Wacharasindhu // J. Radioanalytical and Nuclear Chemistry. − 2009. − V. 282, N 1. − P. 271—274. DOI: 10.1007/s10967-009-0157-9

21. Heim, M. Discovery of the krypton isotopes / M. Heim, A. Fritsch, A. Schuh, A. Shore, M. Thoennessen // Atomic Data and Nuclear Data Tables. − 2010. − V. 96, N 4. − P. 333—340. DOI: 10.1016/j.adt.2010.01.001

22. Collon, P. Tracing noble gas radionuclides in the environment / P. Collon, W. Kutschera, Z.−T. Lu // Annual Review of Nuclear and Particle Science. − 2004. − V. 54. − P. 39—67. DOI: 10.1146/annurev.nucl.53.041002.110622

23. Eiting, C. J. Betavoltaic power cells / C. J. Eiting, V. Krishnamoorthy, E. Romero, S. Jones // Proc. of the 42nd Power Sources Conf. − 2006. Paper 25.5 − P. 601—605.

24. Thoennessen, M . Discovery of isotopes with Z ≤ 10 / M. Thoennessen // Atomic Data and Nuclear Data Tables. − 2012. − V. 98, N 1. − P. 43—62. DOI: 10.1016/j.adt.2011.08.002

25. Lewis, G. N. A spectroscopic search for H3 in concentrated H2 / G. N. Lewis, F. H. Spedding // Phys. Rev. − 1933. − V. 43, N 12. − P. 964—966. DOI: 10.1103/PhysRev.43.964

26. Eidinoff, M. L. Upper limit to the tritium content of ordinary water / M. L. Eidinoff // The Journal of Chemical Physics. − 1947. − V. 15, N 6. − P. 416. DOI: 10.1063/1.1746547

27. Suhaimi, A. Measurement of 14N(n,t)12C reaction cross section in the energy range of 5.0 to 10.6 MeV / A. Suhaimi, R. Wölfle, S. M. Qaim, P. Warwick, G. Stöcklin // Radiochimica Acta. − 1988. − V. 43, N 3. − P. 133—138. DOI: 10.1524/ract.1988.43.3.133

28. Oliver, B. M . Tritium half−life measured by helium−3 growth / B. M. Oliver, H. Farrar IV, M. M. Bretscher // Applied Radiation and Isotopes. − 1987. − V. 38, N 11. − P. 959—965. DOI: 10.1016/0883-2889(87)90268-1

29. Myers , E . G. Atomic masses of tritium and helium−3 / E. G. Myers, A. Wagner, H. Kracke, B. A. Wesson // Phys. Rev. Lett. − 2015. − V. 114, N 1. − P. 013003—1−5. DOI: 10.1103/PhysRev-Lett.114.013003

30. Oliphant, M. L . E . Transmutation effects observed with heavy hydrogen / M. L. E. Oliphant, P. Harteck, O. M. Rutherford // Proc. of the Royal Society of London A. − 1934. − V. 144, N 853. − P. 692—703. DOI: 10.1098/rspa.1934.0077

31. Morgan, L. Tritium breeding control within liquid metal blankets / L. Morgan, J. Pasley // Fusion Engineering and Design. − 2013. − V. 88, N 3. − P. 107—112. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2012.11.011

32. Matsuura, H. Evaluation of tritium production rate in a gas−cooled reactor with continuous tritium recovery system for fusion reactors / H. Matsuura, H. Nakaya, Y. Nakao, S. Shimakawa, M. Goto, Sh. Nakagawa, M. Nishikawa // Fusion Engineering and Design. − 2013. − V. 88, N 8–9. − P. 2219—2222. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2013.05.022

33. Engelkemeir, A . G. The half−life of radiocarbon (C14) / A. G. Engelkemeir, W. H. Hamill, M. G. Inghram, W. F. Libby // Phys. Rev. − 1949. − V. 75, N 12. − P. 1825—1833. DOI: 10.1103/Phys-Rev.75.1825

34. Langer, L. M. Low energy Beta−Ray spectra: Pm147 S35 / L. M. Langer, J. W. Motz, H. C. Price, Jr. // Phys. Rev. − 1950. − V. 77, N 7. − P. 798—806. DOI: 10.1103/PhysRev.77.798

35. Korff, S. A. On the contribution to the ionization at sea−level produced by the neutrons in the cosmic radiation / S. A. Korff // Terrestrial Magnetism and Atmospheric Electricity. − 1940. − V. 45, N 2. − P. 133—134. DOI: 10.1029/TE045i002p00133

36. Hannа, G. C. Thermal neutron cross sections and resonance integrals of the reactions O17(n,α)C14, Ar36(n,α)S33, and N14(n,p)C14 / G. C. Hannа, D. B. Primeau, P. R. Tunnicliffe // Canadian Journal of Physics. − 1961. − V. 39, N 12. − P. 1784—1806. DOI: 10.1139/p61-201

37. Konstantinov, E. A. 14C emission from RBMK−1500 reactors and features determining it / E. A. Konstantinov, N. A. Korablev, E. N. Solov’ev, V. P. Shamov, V. L. Fedorov, A. M. Litvinov // Soviet Atomic Energy. − 1989. − V. 66, N 1. − P. 77—79. DOI: 10.1007/BF01121081

38. Choppin, G. Radiochemistry and nuclear chemistry / G. Choppin, J.−O. Liljenzin, J. Rydberg, C. Ekberg. − Amsterdam; Boston; Heidelberg; London; New York; Oxford; Paris; San Diego; San Francisco; Sydney; Tokyo: Academic Press (Elsevier), 2013. − 866 p. DOI: 10.1016/B978-0-12-405897-2.01001-6

39. Mannik, L. Laser enrichment of carbon−14 / L. Mannik, S. K. Brown // Appl. Phys. B. − 1985. − V. 86, N 2. − P. 79—86. DOI: 10.1007/BF00692553

40. Voges, R. Preparation of compounds labeled with tritium and carbon−14 / R. Voges, J. R. Heys, T. Moenius. − Wiley, 2009. − 682 p.

41. Garofali, K. Discovery of chromium, manganese, nickel, and copper isotopes / K. Garofali, R. Robinson, M. Thoennessen // Atomic Data and Nuclear Data Tables. − 2012. − V. 98, N 2. − P. 356—372. DOI: 10.1016/j.adt.2011.11.002

42. Gresits, I. Determination of soft X−ray emitting isotopes in radioactive liquid wastes of nuclear power plants / I. Gresits, S. Tolgyesi // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. − 2003. − V. 258, N 1. − P. 107—112. DOI: 10.1023/A:1026214310645

43. Holm, E. Radioanalytical studies of fallout 63Ni / E. Holm, P. Rots, B. Skwarzec // International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. Part A. Applied Radiation and Isotopes. − 1992. − V. 43, N 1–2. − P. 371—376. DOI: 10.1016/0883-2889(92)90107-P

44. Colle, R. 63Ni, its half−life and standardization: Revisited / R. Colle, B.E. Zimmerman, P. Cassette, L. Laureano−Perez // Applied Radiation and Isotopes. − 2008. − V. 66, N 1. − P. 60—68. DOI: 10.1016/j.apradiso.2007.07.017

45. Gaitskell, R. J. A measurement of the beta spectrum of 63Ni using a new type of calorimetric cryogenic detector / R. J. Gaitskell, L. C. Angrave, N. E. Booth, A. D. Hahn, A. M Swift // Phys. Lett. B. − 1996. − V. 370, N 1–2. − P. 163—166. DOI: 10.1016/0370-2693(96)00084-6

46. Angrave, L . C. Measurement of the atomic exchange effect in nuclear β decay / L. C. Angrave, N. E. Booth, R. J. Gaitskell, G. L. Salmon // Phys. Rev. Lett. − 1998. − V. 80, N 8. − P. 1610—1613. DOI: 10.1103/PhysRevLett.80.1610

47. Coursey, B. M. The standardization of plutonium−241 and nickel−63 / B. M. Coursey, L. L. Lucas, A. Grau Malonda, E. Garcia− Torano // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. − 1989. − V. 279, N 3. − P. 603—610. DOI: 10.1016/0168-9002(89)91310-7

48. Le−Bret, C. Study of the influence of the source quality on the determination of the shape factor of beta spectra / C. Le−Bret,•M. Loidl,•M. Rodrigues,•X. Mougeot, J. Bouchard // J. Low Temperature Physics. − 2012. − V. 167, N 5. − P. 985—990. DOI: 10.1007/s10909-012-0607-6

49. Sims, G. H. E. The beta self−absorption of Ni63 as metallic nickel / G. H. E. Sims, D. G. Juhnke // International Journal of Applied Radiation and Isotopes. − 1967. − V. 18, N 10. − P. 727—728. DOI: 10.1016/0020-708X(67)90034-8

50. Gelsema, W. J. The self−absorption of the beta−radiation of 63Ni in metallic nickel sources / W. J. Gelsema, L. Donk, J. H. T. F. P. v. Enckevort, H. A. Blijleven // Journal of Chemical Education. − 1969. − V. 46, N 8. − P. 528—530. DOI: 10.1021/ed046p528

51. Barnes, I. L. Nickel−63: standardization, half−life and neutron−capture cross−section / I. L. Barnes, S. B. Garfinkel, W. B. Mann // The International Journal of Applied Radiation and Isotopes. − 1971. − V. 22, N 12. − P. 777—781. DOI: 10.1016/0020-708X(71)90143-8

52. Sosnin, L. J. Production of 63Ni of high specific activity / L. J. Sosnin, I. A. Suvorov, A. N. Tcheltsov, B. I. Rogozev // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. − 1993. − V. 334, N 1. − P. 43—44. DOI: 10.1016/0168-9002(93)90526-N

53. Numajiri, M. Estimation of nickel−63 in steel and copper activated at high−energy accelerator facilities / M. Numajiri, Y. Oki, T. Suzuki, T. Miura, M. Taira, Yu. Kanda, K. Kondo // Applied Radiation and Isotopes. − 1994. − V. 45, N 4. − P. 509—514. DOI: 10.1016/0969-8043(94)90116-3

54. Pustovalov, A. A. 63Ni−based β−electric current source / A. A. Pustovalov, V. V. Gusev, V. V. Zadde, N. S. Petrenko, L. A. Tsvetkov, A. V. Tikhomirov // Atomic Energy. − 2007. − V. 103, N 6. − P. 353—356. DOI: 10.1007/s10512-007-0151-7

55. Parker, A. M. Discovery of rubidium, strontium, molybdenum, and rhodium isotopes / A. M. Parker, M. Thoennessen // Atomic Data and Nuclear Data Tables. − 2012. − V. 98, N 4. − P. 812—831. DOI: 10.1016/j.adt.2012.06.001

56. Nystrom, A . Discovery of yttrium, zirconium, niobium, technetium, and ruthenium isotopes / A. Nystrom, M. Thoennessen // Atomic Data and Nuclear Data Tables. − 2012. − V. 98, N 2. − P. 95—119. DOI: 10.1016/j.adt.2011.12.002

57. Horwitz, E. P. SREX: A new process for the extraction and recovery of strontium from acidic nuclear waste streams / E. P. Horwitz, M. L. Dietz, D. E. Fisher // Solvent Extraction and Ion Exchange. − 1991. − V. 9, N 1. − P. 1—25. DOI: 10.1080/07366299108918039

58. Loferski, J. J. Radiation damage in Ge and Si detected by carrier lifetime changes: Damage thresholds / J. J. Loferski, P. Rappaport // Physical Review. − 1958. − V. 111, N 2. − P. 432—439.

59. Flicker, H. Construction of a promethium−147 atomic battery / H. Flicker, J. J. Loferski, T. S. Elleman // IEEE Transactions on Electron Devices. − 1964. − V. 11, N 1. − P. 2—8. DOI: 10.1109/TED.1964.15271

60. Manjunatha, H. C. External bremsstrahlung of 90Sr−90Y, 147Pm and 204Tl in detector compounds / H. C. Manjunatha, B. Rudraswamy // Radiation Physics and Chemistry. − 2013. − V. 85. − P. 95—101. DOI: 10.1016/j.radphyschem.2012.12.022

61. May, E. Discovery of cesium, lanthanum, praseodymium and promethium isotopes / E. May, M. Thoennessen // Atomic Data and Nuclear Data Tables. − 2012. − V. 98, N 5. − P. 960—982. DOI: 10.1016/j.adt.2011.09.005

62. Reader, J. Promethium 147 hyperfine structure under high resolution / J. Reader, S. P. Davis // Journal of the Optical Society of America. − 1963. − V. 53, N 4. − P. 431—435. DOI: 10.1364/JOSA.53.000431

63. Gorshkov, V. K. 235U Fission product yields in the rare earth region / V. K. Gorshkov, R. N. Ivanov, G. M. Kukabadze, I. A. Reformatsky // Journal of Nuclear Energy. − 1958. − V. 8, N 1–3. − P. 69—73. DOI: 10.1016/0891−3919(58)90010−X

64. Lee, C.−S. Chemical study on the separation and purification of promethium−147 / C.−S. Lee, Y.−M. Wang, W.−L. Cheng, G. Ting // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. − 1989. − V. 130, N 1. − P. 21—37. DOI: 10.1007/BF02037697

65. Yoshida, M. A rapid separation method for determination of promethium−147 and samarium−151 in environmental samples with high performance liquid chromatography / M. Yoshida, S. Sumiya, H. Watanabe, K. Tobita // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. − 1995. − V. 197, N 2. − P. 219—227. DOI: 10.1007/BF02036001


Дополнительные файлы

Для цитирования: Быков А.С., Малинкович М.Д., Кубасов И.В., Кислюк А.М., Киселев Д.А., Ксенич С.В., Жуков Р.Н., Темиров А.А., Чичков М.В., Полисан А.А., Пархоменко Ю.Н. Применение радиоактивных изотопов для создания бета−вольтаических генераторов. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2016;19(4):221-234. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2016-4-221-234

For citation: Bykov A.S., Malinkovich M.D., Kubasov I.V., Kislyuk A.M., Kiselev D.A., Ksenich S.V., Zhukov R.N., Temirov A.A., Chichkov M.V., Polisan A.A., Parkhomenko Y.N. Radioactive isotopes betavoltaic generator technology. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2016;19(4):221-234. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1609-3577-2016-4-221-234

Просмотров: 114

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)