Enerji Uygulamalarında Alfa Decay'ye Giriş
Nükleer bataryalar, radyoisotope güç kaynakları olarak da bilinir, belirli yüksek çözünürlükte nükleer enerji kaynaklarına ihtiyaç duyan uygulamalar için eşsiz bir çözüm sunar. - Kimyasal pillerden farklı olarak, radyoaktif izotopların çürümesinden güç alır.Bu makale, alfa'nun fiziksel özelliklerini, bazı yüksek çözünürlükte, nükleer enerji kaynaklarından, enerji kaynaklarından yoksundur.
Uygulamalı güç nesli tarihleri için alfa çürümesi kavramı, 20. yüzyılın ortalarında, erken araştırma ve uzaktan karasal uygulamaları ele almaktadır. Alfa-eranlar, beta veya kumar yayıcılarına kıyasla daha yüksek enerji sunar, onları kompakt, yüksek ücretli güç malzemeleri için cazip hale getirirler. Ancak, dağıtımları radyasyon hasarı, ısı yönetimi ile ilgili farklı zorluklar getirir ve bu faktörler, gelecekteki nükleer bataryaları tasarlamak için gereklidir.
Alfa Decay'nin Temelleri
Alfa çürümesi, kararsız bir ebeveynin bir alfa parçacığı yaydığı spontan bir nükleer süreçtir (α) iki proton ve iki nötrondan oluşan bir araya gelir. emisyon, atom sayısını 2 ve kütle numarasına indirir, elementi daha istikrarlı, kızı izotop.Forx2011;238 (²⁸Pu)
Alfa parçacıkları nispeten büyük ve doubly şarj olduğundan, malzemenin zayıf bir tabakası ile etkileşime girerler, ancak aynı zamanda 5 MeV alfa parçacığı durdurmaktan önce sadece birkaç santimetre seyahat eder.Bu kısa aralık çift ve #x2011; genişletilmiş bir kılıçtır: alfa radyasyonu daha ince bir tabakaya kadar kolayca kalkan olabilir, ancak kinetik enerji çok yerel olarak depolanır, ısıtılır.
Tüm alfa yayıcıları enerji uygulamaları için eşit derecede uygun değildir. Anahtar seçim kriterleri yarı-#x2011; Sürekli güç için yeterince ömür (resmi enerji yoğunluğu için yeterince kısa), çürük zincir saflığı (kahkalama ve nötron emisyonlarının hesaplanması) ve malzeme kullanılabilirliği içerir.
Alfa Decay Versus Diğer Decay Modes in Nuclear Battery
Nükleer batarya iki kategoriye geniş ölçüde düşer: termal dönüştürücüler (çoğuly RTGs) ve non‑term doğrudan dönüştürücüler (daha düşük enerjiler, alfa voltaicler) Betavoltaic hücreler beta çürütme (elektron emisyonu) güvenir ve genellikle alfa voltaic hücreleri, Tritium (³H) veya Nickel‑63. Düşük enerji üretirler, ancak çok uzun operasyonel yaşamlar ve minimum koruyucular gerektirir.
Alfa yayarlar, alfa kaynaklarından daha fazla enerjinin yaklaşık iki siparişini verir, bu yüzden alfavoltaik hücreler elmas veya geniş ve #x2011 gibi daha yüksek enerji kesintilerine ulaşabilir.Bu arada, RTG'ler, alfa kaynaklarını kullanarak yarı iletkenleri azaltır ve NASA uzay aracı (e.g.) tarafından yönlendirilir.
Tablo 1 (konceptual) alfa ve #x2011'in tipik parametrelerini karşılaştırır; tabanlı ve beta‑ burada, ticaret ve #x2011; güç yoğunluğu, kalkanlama gereksinimleri ve alfa dayanıklılığı arasındaki boşluklar geçerlidir: düşük ve#x2011; güç uzun ve#x2011; yüksek ve #x2011; yüksek-#x2011; yüksek-#x2011; yüksek-#x2011; güç yoğunluğu, yüksek ve #x2011; yüksek ve alfa ve #x2011;
Alfa Decay'nin Tasarım Implikasyonları
Heat Generation ve Termal Yönetim
Sıcaklık nükleer bataryalarında, alfa parçacıklarının kinetik enerjisi, kaynak materyali içinde ısıtılır ve enkapsülasyonu çevreleyen kaynak miktarında ısıtılır. Güç çıkışı, kaynağı güvenli operasyonel sıcaklıklara devam ederken termoelektrik dönüştürücülere bağlıdır.Örneğin, Plutonium‑238'nin gram başına 0,57 watt'lık bir özel gücü vardır, bu ısı kaynağının neredeyse ısıtılması gerekir.
Mühendisler ayrıca yakıt boruları içinde helium gazı birikimini de hesaba katmalıdır.Her alfa, bir helium atomunu üretir ve bu gaz iç baskıyı yapmadan yıllar boyunca bu gaz inşa eder.If not managed, it can need cookies or rupture of cladding and a Carbon‑ Karbonlu su kaynakları kullanarak, yüksek miktardaki yüksek sıcaklıklara ve yüksek sıcaklıklara dayanmaksızın dondurabilir.
Radyasyon Hasarı ve Malzeme Seçme
Alfa parçacıkları, kısa aralıklarına rağmen, önemli atomik yer değiştirme ve ısı iletkenliğindeki değişiklikler yaygın başarısızlık modlarıdır, bu nedenle, hidrojen ve #x2011 için bu radyasyon hasarı, yakıt matrisinin fiziksel ve mekanik özelliklerini değiştirir ve radyasyon toleransı için test edilmelidir.
Yakıt formları genellikle seramik oksitler veya cermetler (ceramic‑ Metal kompozitler) daha az morfasyon ve çatlakları kırıyor. Plutonum dioksit (PuO₂) yüksek çözünürlükte, paslanmaz çelik - hem de bakır basıncı nedeniyle - ikiyüzlülükli silikonlu asırıklıkta elektrotoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksitoksit
Shielding ve Güvenlik
Alfa radyasyonun kendisi dış bir tehlike değildir, çünkü insan derisinin ölü tabakalarına nüfuz edemez. Ancak, alfa yayıcılarla ilgili büyük güvenlik endişeleri iç kirlenmedir: radyoaktif materyal inhaled, ingested, veya bir yara girmezse, alfa parçacıkları şiddetli yerel dozları biyolojik dokuya sokamaz, bu nedenle her nükleer batarya tasarımının tüm yaşam boyu boyunca tutulması gerekir, kazalar veya yangınlar gibi kazalar da dahil olmak üzere.
alfa yayıcıları için kullanım gereksinimleri dış doz azaltımı için minimumdur - ince bir metal folyo veya hatta batarya konutu tüm alfaları durdurmak için yeterlidir. Ancak, birçok alfa çürükleri düşük ve Americium ‑ x & x ‑ kızına ait 60 keV kumar hattına sahiptir ve bazen nötron emisyonu spontane fision. Örneğin, Plutonium‑238, küçük bir kumar tüpleri yayıyor (x2011) ve Americyum & #x2011;241, özellikle de önemli bir 60 keV kumar hattına sahiptir.
Alfa kaynakları için düzenleyici ve kontrol protokolleri sıkıdır. Üretim ve montaj gloveboxes veya sıcak hücrelerde meydana gelir ve bu tür güç kaynaklarının güvenli tasarımı ve taşınması için kılavuzlar sunar.
Alfa ‑ uygulamaları; Temel Nükleer Bataryalar
Uzay Keşifleri
Alfa‑'in en ikonik kullanımı; temelli nükleer bataryalar NASA’'da; ayrıca dış gezegenlere ve ötesindeki misyonlara destek veren RTG'ler, 1977 yılında başlatılan, 45 yıldan fazla bir süre sonra Dünya ile iletişim kurmaya devam ediyor, Plutonium‑238Gs. Mars Curiosity ve Peracance rovers aynı zamanda gece operasyon ve kış hayatta kalma aracına da güveniyor.
Gelecek uzay RTG'lere karşı bir meydan okuma; Ay Titan, şu anda Americium ‑ gibi alternatif bir multi-#x2011; alternatif alfa yayıcısı olan, Pu‑238. Gelecekteki uzay için bir meydan okuma.
Terrestrial and Undersea Applications
alfa çürümesine dayanan nükleer bataryalar da uzaktan karasal yerlerde dağıtılır: Kuzey Kutbu, okyanuslu otobüs ve derin ‑ deniz ağları yıllardır otonom olarak faaliyet göstermelidir. alfa‑ ABD Donanması, alt deniz uygulamaları için daha küçük paketlerde radyolojik enerji yoğunluğunu sağlayabilir.
Tıbbi uygulamalar alfa çürütme için tarihsel bir bağlantı vardır: erken kalpli hız yapıcılar Plutonium‑238 pilleri, lityum‑ tarafından değiştirildikten önce, alfa yayıcıları güvenlik ve düzenleyici engeller nedeniyle implant edilebilir cihazlarda kullanılmaz, ancak onlar alan hastaneler için kan analizörleri olarak kullanılır.
Mikro & #x2011; Güç ve Sensörler
Alphavoltaik hücreler, araştırma aşamasındayken, mikroelectromechanical sistemler için minyatür güç kaynakları (MEMS), IoT sensörleri ve yüksek ve#x2011;Los Alamos Ulusal Laboratuvar[DDDDDDDDDDDDDDD) İnce bir Americium ‑241, bir elmas veya SiC dönüştürücüyüm için sensör oluşturabilir.
Future Yol ve Araştırma Frontiers
Yeni Isotope Prodüksiyon
Plutonium‑'in sınırlı tedariki;238, Americium‑244 daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir, ancak daha kısa bir yarı ve daha ucuz bir nötron emisyonu, amplitüdücük ve saflaştırma teknikleri kullanılarak Avrupa Uzay Ajansı RTG'leri geliştiriyor.Gelecek görevler için 241.
Gelişmiş Dönüşüm Teknolojileri Teknolojik Gelişmiş Dönüşüm Teknolojileri
Termoelektrik dönüşümü işhoru olmuştur, ancak verimliliği genellikle 6‑%8. Stirling motorları, ısı kaynaklarından gelen radyasyonu yakalamak için de araştırmalıdır. Gelişmiş Stirling Radioisotope Jeneratör (ASRG) programı için; ancak, hareketli parçalar güvenilir endişeler sunar. Doğrudan dönüşümler termofotomik olmayan emisyonlar veya nanoyapımonik emisyonlar da sıcak ısı kaynağından elde etmek için araştırmalıdır.For alfa voltaics, şarj edilebilir.For large‑bandgap yarı iletkenleri yüksek alfalar altında genişletir.
Radyasyon Hasarı Mitigating Radyasyon Hasarı
Self‑ incelenen malzemeler, alfa‑'in operasyonel hayatını büyük ölçüde uzatabilir; temelli bataryalar. Yavaş yavaş enerji absorbe eden ve yer değiştirme boşluklarını azaltan bir özellik de soruşturma altında.
Atık ve Güvenlik Yönetimi
Nükleer bataryaların aksine bir meydan okuma kalır. Kimyasal bataryalar, radyoisotope kaynakları kapatılamaz; ısı kaynağını ortadan kaldırmaya devam ederler, onu koruyucu bir konteynere koyar ve depolamak için bazı tasarımları kullanın: Isotope daha kısa ve yeniden kullanılabilir hale getirilebilir; pleides. uzun ve #x2011; alfa‑ alfa‑ alfa ve #x2011;
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Alpha çürüme, yüksek enerji yoğunluğu ve kısa ‑ çeşitli emisyonlar, hem fırsatlar hem de kısıtlamalar nükleer batarya tasarımı için sunar.Inotopes ve malzemelerden termal yönetim ve güvenlik encapları için, bataryanın her yönü, uzaktan ve askeri uygulamalar için özelleştirilebilir; alfa ve #x2011; gelişmiş malzemeler ve yenilikçi dönüşüm teknikleri ile karşı karşıya kalacaktır.#x2011; uzaydaki tüm güç kaynakları; uzaydaki farklı enerji kaynaklarına göre, daha iyi bir gelecek, daha iyi bir radyasyona ve daha fazla araştırma yapmaya devam edecek.
- [FONT:0]Isotope seçimi[[Dönetici: 1 ) doğrudan güç yoğunluğu, ömür boyu ve kalkan ihtiyaçları etkiler.
- [0]Malzeme bilimi) helium birikimine ve lattice hasarlarına karşı kritiktir.
- [FONT:0)Güvenlilik[DÜT:1) İç kirlenmeyi önlemek için sağlam bir enkapsülasyona ve protokolleri ele alır.
- [FONT:0]Future ilerlemeleri), daha yüksek ve #x2011; verimli dönüşüm ve kendi ve #x2011; yakıt formlarını boşa harcar.