Современная электроника №3/2024

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 20 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 3 / 2024 Ядерные батареи будущего Автономные источники электропитания , способные работать без подзарядки десятилетиями , востребованы во многих отраслях промышленности : от космоса до медицины . Из новых трендов стоит отметить ядерные ( они же радиоизотопные или атомные ) электрические батареи на основе радионуклидов миниатюрного форм - фактора . В обзоре рассматриваются уже созданные условно « вечные » элементы питания на основе радионуклидов , а также аспекты развития инженерной мысли в области ядерных электрических батарей , процессоров и элементов питания , накапливающих энергию из внешней среды . Андрей Ласорла Тенденции в разработке автономных источников питания Ядерные батареи – автономные источники тока , в которых энергия радиоактивного распада метастабиль - ных ядер преобразуется в электриче - ский ток . В зависимости от конкретной задачи в таких батареях используются a- и b- активные ядра с периодом полу - распада нуклидов T1/2 от сотни дней до сотни лет . Выбор ядра специаль - ного источника питания зависит так - же от режима эксплуатации РЭА и других условий . Пока такие электри - ческие батареи работают в условиях очень малой мощности , но перспек - тивы для совершенствования изде - лий и технологии огромны . К слову , все достойные внимания разработчики РЭА в мире конкурируют за создание микроконтроллеров конфигурации RISC-V со сверхнизким энергопотре - блением , работающих исключитель - но за счёт сбора энергии из внешней среды : преобразования энергии тепла , света , радиоволн , химической среды и даже продуктов потовых желёз челове - ка и животных . Да , пока такие источни - ки автономного « самопитания » обла - дают чрезвычайно малой мощностью , но они уже существуют и применяют - ся , в частности , при взаимодействии с имплантатом в устройствах меди - цинской микроэлектроники . Ино - гда батарея , аккумулятор или даже ионистор в качестве элемента пита - ния действительно не подходят , если вы проектируете устройство сверхниз - кого энергопотребления . В этой свя - зи рассмотрение технологий созда - ния электрических батарей на основе изотопов с ядерным принципом дей - ствия представляется весьма актуаль - ным . Конфигурация RISC-V касается микроконтроллеров со сверхнизким энергопотреблением с периферийны - ми устройствами на основе стандарт - ной технологии КМОП и инструмен - тов Cadence Design Systems с открытым исходным кодом . Используется 32- бит - ное ядро RISC-V, специально разрабо - танное для обеспечения супернизко - го энергопотребления и встроенной функцией сбора энергии . Среди пре - имуществ масштабируемая , настраи - ваемая память с низким энергопотре - блением , беспроводной интерфейс с поддержкой Bluetooth Low Energy и радиоканал в формате IEEE802.15.4 на одном чипе , протоколы Matter и другие особенности ПО . Уже несколь - ко лет доступны саморастворяющие - ся имплантаты и даже водораствори - мые в горячей воде печатные платы , что удобно для безопасной и полной переработки . На фоне этих иннова - ций прототип радиоизотопной бата - реи малой и средней мощности на основе бета - распада никеля -63, плу - тония -238 ( и других изотопов ), а так - же параллельные разработки по созда - нию ядерной электрической батареи в КНР представляют огромный интерес . Выбор радиоизотопа и схемы преобразования Области применения ядерных бата - рей разнообразны : они незаменимы на территориях , удалённых от инфра - структуры , к примеру , в Арктике , на больших глубинах , на газо - и нефте - проводах большой протяжённости , в космосе , в устройствах , обеспечиваю - щих специальную связь , и в медицине : везде , где требуется длительный мони - торинг без возможности подзарядки или замены источников энергии . Для изотопных источников применительно к кардиостимуляторам или датчикам артериального давления , электронным анализаторам крови подходят только плутоний -238 и никель -63. Требова - ние безопасного радиоизотопа сужает возможности , поскольку радионукли - ды при распаде должны распадаться либо переходить в состояние дочерне - го ядра . Кроме выбора радионуклида принципиально важным при разработ - ке радиоизотопных источников энер - гии является выбор схемы преобра - зователя энергии ядерного распада в электрический ток . На практике пре - образование осуществляется по непря - мому ступенчатому принципу : кинети - ческая и кулоновская энергия альфа - и бета - частиц сначала превращаются в тепловую , химическую , механиче - скую , световую и другие виды энер - гии , а затем – в электрическую . Концепция оригинальной физиче - ской системы на основе 63Ni предло - жена группой учёных из Института « ЛаПлаза » под руководством Петра Борисюка [7]. Если обеспечить усло - вия эффективной генерации вторич - ных электронов непосредственно внутри наноструктурированных плё - нок никеля и значительно увеличить токовый сигнал , вызванный каскадом многократных неупругих соударений бета - частиц , на выходе эксперимен - тальной реализации получают относи - тельно простую систему , но довольно результативную с точки зрения соста - ва плотно упакованных нанокластеров никеля с градиентным распределени - ем наночастиц по размеру , осаждён - ных на поверхности широкополосно - го диэлектрика – оксида кремния [7]. Вследствие размерной зависимости энергии Ферми наличие простран - ственно - неоднородного распределе - ния металлических наночастиц по раз - мерам приводит к пространственному перераспределению заряда в электро - проводящей системе соприкасающихся друг с другом металлических наноча - стиц . Их средний размер изменяется в выделенном направлении , что приво - дит к возникновению разности потен - циалов на полярных выходах ( напря - жению ). Объяснением этого эффекта с помощью знаний физики ядерной