Применение радиоактивных изотопов для создания бета−вольтаических генераторов

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.

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