hamed0012
6th May 2012, 12:34
باتری های اتمی دارای انواع مختلفی هستند که به دو گروه تبدیل حرارتی و غیر حرارتی تبدیل می شوند:
1- حرارتی:
تبدیل گرمایونی (جمع شدن الکترون ها بر روی الکترود در اثر گرم کردن الکترود
مولد ترموالکتریک ایزوتوپی
سلول های ترمو فوتو ولتیک
2- غیرحرارتی (هسته ای)
مولد مستقیم بار (حاصل از واپاشی بتا، آلفا، شکافت هسته ای و ...)
باتری های اپتئوالکتریک (Optoelectric)
باتری های بتاولتیک (Betavoltaic)
در این نوشته ما به بررسی دو نوع غیر حرارتی شامل "اپتئوالکتریک" و " بتاولتیک" می پردازیم.
باتری های اپتئوالکتریک (Optoelectric)
اولین بار باتری اپتئوالکتریک توسط محققان مسکویی ساخته شد. یک ایزوتوپ منتشر کننده بتا مثل تکنسیوم 99 یا استرانسیوم 90 داخل یک گاز یا مایع لومینسنس قرار داده می شود. ایزوتوپ های منتشر کننده بتا دارای قطری در حد میکرون هستند که به تعداد زیاد درون گاز یا مایع قرار داده شده اند تا بیشترین کارایی را داشته باشند و پرتو بتا درون خود ایزوتوپ تلف نشود. برخی از انواع این ایزوتوپ ها حاصل زباله های راکتور هستند که در نتیجه کم قیمت هستند. پرتو های بتا باعث برانگیخته شدن گاز یا مایع "اکسیمر" احاطه کننده می شوند. این گازها از ترکیباتی مثل کریپتون ، آرگون ، زنون (گزنون) تشکیل شده اند. لایه دور این گازها و ماده رادیواکتیو(ایزوتوپ) توسط لایه ای فتو ولتیک پوشانده می شود که نور را به الکتریسیته تبدیل می کند.
باتری های بتاولتایک (Betavoltaic)
باتری های بتا ولتایک مولد های جریان الکتریکی هستند که از انرژی بتای منتشر شده از ماده رادیواکتیو برای تولید این جریان استفاده می شود. ماده رادیواکتیوی که به صورت گسترده استفاده می شود یکی از ایزوتوپ های هیدروژن یعنی تریتیوم است. برخلاف بسیاری از منابع انرژی که از تابش هسته ای برای تولید گرما استفاده می کنند که بعدا این گرما به الکتریسیته تبدیل می شود ، باتری های بتا ولتیک از یک فرایند غیر حرارتی پیروی می کند.
باتری های بتاولتیک 50 سال پیش اختراع شدند. در سال 2005 نوع جدیدی از باتری های بتاولتیک که از دیود سیلیکونی متخلخل استفاده می کرد ، ساخته شد که دارای کارایی زیادی بود. این کارایی بالا ناشی از افزایش سطح تماس بین ماده نیمه هادی(سیلسیوم) و ماده رادیواکتیو بود. سیلسیوم دارای منافذ زیاد (متخلخل) به گاز تریتیوم این امکان را می دهد که به راحتی با سیلسیوم تماس داشته باشد. یعنی دارای سطح موثر و کلی بیشتری است.
کاربردها
اولین استفاده از این باتری های برای استفاده های طولانی مدت مثل سفینه های فضایی برای یکی دو دهه است. برخی از استفاده های نوین از بتا ولتیک در لوازمی مانند گوشی تلفن همراه و لپ تاپ است. از سال 1973 نیز این باتری ها در لوازم پزشکی مثل پیس میکر (باتری قلب) به کار برده شد. ذرات بتا به راحتی بوسیله حفاظ های نازک مهار می شوند و دارای برد بسیار کمی هستند (برخلاف اشعه گاما). به همین دلیل این باتری های خطرات ناشی از پرتو را ندارند. البته نشت مواد رادیواکتیو از داخل این باتری ها می تواند به شدت خطرناک باشد.
موانع
اشعه بتا ساطع شده می تواند به اجزای داخلی باتری صدمه بزند. مواد رادیو اکتیو دارای نیمه عمری مشخص هستند و به مرور زمان انرژی آنها کاهش می یابد. البته این زمان نسبت به زمان کاهش انرژی باتری های معمولی بسیار بیشتر است (چندین سال طول خواهد کشید). برای تریتیوم 12.32 سال طول می کشد تا شدت تشعشع به نصف مقدار اولی کاهش یابد.
تراکم الکترون های بتا در اتصال P-N باعث بوجود آمدن بایاس مستقیم در نیمه هادی می شود:
این باعث می شود سلول بتاولتایک ، دیودی با بایاس مستقیم باشد. الکترون هایی از اوربیتال خود کنده می شوند و باعث بوجود آمدن جریانی ناپایدار می شود، در دانشگاه نیو مکزیکو بر روی ماده ای جدید کار می کنند که "ایکوساهدرال بورید" نام دارد. در این ماده نیمه هادی سخت قابلیت تبدیل مستقیم انرژی ذره بتا به جریان الکتریکی مشاهده شده است.
ایزوتوپ های مختلفی برای تولید الکتریسیته در این روش می توانند مورد استفاده قرار گیرند. که دارای انرژی های تولیدی مختلفی هستند
ایزوتوپ هایی که دارای اکتیویته زیاد و نیمه عمر کوتاه هستند فقط می توانند کاربرد نظامی و فضایی پیدا کنند
1- حرارتی:
تبدیل گرمایونی (جمع شدن الکترون ها بر روی الکترود در اثر گرم کردن الکترود
مولد ترموالکتریک ایزوتوپی
سلول های ترمو فوتو ولتیک
2- غیرحرارتی (هسته ای)
مولد مستقیم بار (حاصل از واپاشی بتا، آلفا، شکافت هسته ای و ...)
باتری های اپتئوالکتریک (Optoelectric)
باتری های بتاولتیک (Betavoltaic)
در این نوشته ما به بررسی دو نوع غیر حرارتی شامل "اپتئوالکتریک" و " بتاولتیک" می پردازیم.
باتری های اپتئوالکتریک (Optoelectric)
اولین بار باتری اپتئوالکتریک توسط محققان مسکویی ساخته شد. یک ایزوتوپ منتشر کننده بتا مثل تکنسیوم 99 یا استرانسیوم 90 داخل یک گاز یا مایع لومینسنس قرار داده می شود. ایزوتوپ های منتشر کننده بتا دارای قطری در حد میکرون هستند که به تعداد زیاد درون گاز یا مایع قرار داده شده اند تا بیشترین کارایی را داشته باشند و پرتو بتا درون خود ایزوتوپ تلف نشود. برخی از انواع این ایزوتوپ ها حاصل زباله های راکتور هستند که در نتیجه کم قیمت هستند. پرتو های بتا باعث برانگیخته شدن گاز یا مایع "اکسیمر" احاطه کننده می شوند. این گازها از ترکیباتی مثل کریپتون ، آرگون ، زنون (گزنون) تشکیل شده اند. لایه دور این گازها و ماده رادیواکتیو(ایزوتوپ) توسط لایه ای فتو ولتیک پوشانده می شود که نور را به الکتریسیته تبدیل می کند.
باتری های بتاولتایک (Betavoltaic)
باتری های بتا ولتایک مولد های جریان الکتریکی هستند که از انرژی بتای منتشر شده از ماده رادیواکتیو برای تولید این جریان استفاده می شود. ماده رادیواکتیوی که به صورت گسترده استفاده می شود یکی از ایزوتوپ های هیدروژن یعنی تریتیوم است. برخلاف بسیاری از منابع انرژی که از تابش هسته ای برای تولید گرما استفاده می کنند که بعدا این گرما به الکتریسیته تبدیل می شود ، باتری های بتا ولتیک از یک فرایند غیر حرارتی پیروی می کند.
باتری های بتاولتیک 50 سال پیش اختراع شدند. در سال 2005 نوع جدیدی از باتری های بتاولتیک که از دیود سیلیکونی متخلخل استفاده می کرد ، ساخته شد که دارای کارایی زیادی بود. این کارایی بالا ناشی از افزایش سطح تماس بین ماده نیمه هادی(سیلسیوم) و ماده رادیواکتیو بود. سیلسیوم دارای منافذ زیاد (متخلخل) به گاز تریتیوم این امکان را می دهد که به راحتی با سیلسیوم تماس داشته باشد. یعنی دارای سطح موثر و کلی بیشتری است.
کاربردها
اولین استفاده از این باتری های برای استفاده های طولانی مدت مثل سفینه های فضایی برای یکی دو دهه است. برخی از استفاده های نوین از بتا ولتیک در لوازمی مانند گوشی تلفن همراه و لپ تاپ است. از سال 1973 نیز این باتری ها در لوازم پزشکی مثل پیس میکر (باتری قلب) به کار برده شد. ذرات بتا به راحتی بوسیله حفاظ های نازک مهار می شوند و دارای برد بسیار کمی هستند (برخلاف اشعه گاما). به همین دلیل این باتری های خطرات ناشی از پرتو را ندارند. البته نشت مواد رادیواکتیو از داخل این باتری ها می تواند به شدت خطرناک باشد.
موانع
اشعه بتا ساطع شده می تواند به اجزای داخلی باتری صدمه بزند. مواد رادیو اکتیو دارای نیمه عمری مشخص هستند و به مرور زمان انرژی آنها کاهش می یابد. البته این زمان نسبت به زمان کاهش انرژی باتری های معمولی بسیار بیشتر است (چندین سال طول خواهد کشید). برای تریتیوم 12.32 سال طول می کشد تا شدت تشعشع به نصف مقدار اولی کاهش یابد.
تراکم الکترون های بتا در اتصال P-N باعث بوجود آمدن بایاس مستقیم در نیمه هادی می شود:
این باعث می شود سلول بتاولتایک ، دیودی با بایاس مستقیم باشد. الکترون هایی از اوربیتال خود کنده می شوند و باعث بوجود آمدن جریانی ناپایدار می شود، در دانشگاه نیو مکزیکو بر روی ماده ای جدید کار می کنند که "ایکوساهدرال بورید" نام دارد. در این ماده نیمه هادی سخت قابلیت تبدیل مستقیم انرژی ذره بتا به جریان الکتریکی مشاهده شده است.
ایزوتوپ های مختلفی برای تولید الکتریسیته در این روش می توانند مورد استفاده قرار گیرند. که دارای انرژی های تولیدی مختلفی هستند
ایزوتوپ هایی که دارای اکتیویته زیاد و نیمه عمر کوتاه هستند فقط می توانند کاربرد نظامی و فضایی پیدا کنند