原子力電池

原子電池、核電池、放射性同位元素電池、または放射性同位元素発生器は、放射性同位元素の崩壊によるエネルギーを利用して電気を生成します。原子炉と同様に、原子力エネルギーから電気を生成しますが、連鎖反応を使用しない点で異なります。一般的に電池と呼ばれていますが、原子電池は技術的には電気化学的ではなく、充電または再充電できません。非常に高価ですが、寿命が極めて長く、エネルギー密度が高いため、宇宙船、ペースメーカー、水中システム、世界の遠隔地にある自動化された科学ステーションなど、長期間無人で動作する必要がある機器の電源として一般的に使用されています。 ^{[1] [2] [3]}

原子力電池は、ヘンリー・モーズリーが荷電粒子放射線によって生成される電流を初めて実証した1913年に始まりました。1950年代と1960年代には、この研究分野は、宇宙船用の長寿命電源を必要とする用途で大きな注目を集めました。1954年、RCAは小型ラジオ受信機と補聴器用の小型原子電池を研究しました。^[4] 1950年代初頭のRCAの最初の研究開発以来、原子力源から電気エネルギーを抽出するための多くのタイプと方法が設計されてきました。科学的原理はよく知られていますが、現代のナノスケール技術と新しいワイドバンドギャップ半導体により、これまでにない新しいデバイスと興味深い材料特性を実現できるようになりました。

原子力電池は、エネルギー変換方法によって、熱変換器と非熱変換器の 2 つの主なグループに分類できます。熱変換器は、原子核の崩壊によって発生した熱の一部を電気に変換します。一例として、宇宙船でよく使用される放射性同位元素熱電発電機(RTG) があります。非熱変換器 (ベタボルタ電池など) は、放出された放射線が熱に分解される前に、その放射線から直接エネルギーを抽出します。非熱変換器は小型化が容易で、動作に温度勾配を必要としないため、小型の機械で使用できます。

原子力電池の効率は通常0.1～5%です。高効率のベタボルタ型電池では6～8%の効率に達することがあります。^[5]

熱電子変換器は、熱い電極から成り、電子を空間電荷障壁を越えて冷たい電極に熱電子放出し、有用な出力を生成する。セシウム蒸気は、電極の仕事関数を最適化し、電子の空間電荷を中和するためのイオン供給（表面電離による）を提供するために使用される。^[6]

放射性同位元素熱電発電機(RTG) は熱電対を使用します。各熱電対は、異なる金属 (または他の材料) の 2 本のワイヤから形成されます。各ワイヤの長さに沿った温度勾配により、ワイヤの一方の端からもう一方の端まで電圧勾配が発生しますが、異なる材料は温度差 1 度ごとに異なる電圧を生成します。ワイヤを一方の端で接続し、その端を加熱してもう一方の端を冷却すると、接続されていないワイヤの端間に使用可能な小さい (ミリボルト) 電圧が生成されます。実際には、多くの熱電対が直列 (または並列) に接続され、同じ熱源から熱が熱い端から冷たい端に流れるときに、より大きな電圧 (または電流) が生成されます。金属熱電対は熱から電気への効率が低いです。ただし、ビスマステルル化物やシリコンゲルマニウムなどの半導体材料では、キャリア密度と電荷を調整して、はるかに高い変換効率を実現できます。^[7]

熱光起電力(TPV) セルは、高温表面から放射される赤外線 (可視光ではなく) を電気に変換する点を除けば、光起電力セルと同じ原理で動作します。熱光起電力セルの効率は熱電対よりわずかに高く、熱電対の上に重ねて使用することで、効率を 2 倍に高めることができます。ヒューストン大学の TPV 放射性同位体電力変換技術開発の取り組みでは、熱光起電力セルと熱電対を同時に組み合わせて、現在の熱電放射性同位体ジェネレーターのシステム効率を 3 ～ 4 倍向上させることを目指しています。 [^{引用が必要]}

スターリング放射性同位元素発生器は、放射性同位元素によって生じる温度差によって駆動するスターリングエンジンである。より効率的なバージョンである先進的なスターリング放射性同位元素発生器はNASAによって開発中であったが、大規模なコスト超過のため2013年に中止された。^[8]

非熱変換器は、放射された放射線が熱に分解される前に、その放射線からエネルギーを抽出します。熱電変換器や熱電子変換器とは異なり、その出力は温度差に依存しません。非熱発電機は、使用される粒子の種類とエネルギーが変換されるメカニズムによって分類できます。

放出された荷電粒子の電荷が導体内に蓄積され、静電ポテンシャルが形成されると、エネルギーが抽出されます。散逸モードがない場合、電圧は放射粒子のエネルギーまで上昇する可能性があります。これは、数キロボルト (ベータ線の場合) からメガボルト (アルファ線の場合) までの範囲になります。蓄積された静電エネルギーは、次のいずれかの方法で使用可能な電気に変換できます。

直接充電型発電機は、電極の 1 つに堆積した放射性層からの荷電粒子の電流によって充電されるコンデンサーで構成されています。間隔は真空または誘電体のいずれかです。負に帯電したベータ粒子または正に帯電したアルファ粒子、陽電子、または核分裂片を利用できます。この形式の原子力発電機は 1913 年にまで遡りますが、直接充電型発電機によって提供される非常に低い電流と不便なほど高い電圧の用途はこれまでほとんど見つかりませんでした。発振器/変圧器システムを使用して電圧を下げ、整流器を使用して AC 電力を直流に戻します。

イギリスの物理学者H. G. J. モーズリーが最初の装置を製作しました。モーズリーの装置は、内側が銀メッキされたガラス球と、中央のワイヤの先端に取り付けられたラジウム放射器で構成されていました。ラジウムの荷電粒子は、ラジウムから球の内側表面へ急速に移動し、電流を発生させました。1945 年になっても、モーズリーのモデルは、放射性元素の放出から電気を生成する実験用バッテリーを構築する他の取り組みの指針となっていました。

電気機械式原子電池は、2枚のプレートの間に蓄積された電荷を利用して、一方の曲げ可能なプレートをもう一方のプレートに引っ張り、2枚のプレートが接触して放電し、蓄積された静電気が均等になり、跳ね返ります。生成された機械的運動は、圧電材料の屈曲またはリニア発電機を介して電気を生成するために使用できます。充電率に応じて、ミリワットの電力がパルスで生成され、場合によっては1秒間に複数回（35Hz）生成されます。^[9]

放射線起電（RV）装置は、半導体接合を使用して電離放射線のエネルギーを直接電気に変換します。これは、光電池で光子を電気に変換するのと似ています。対象となる放射線の種類に応じて、これらの装置はアルファ起電（AV、αV）、ベータ起電（BV、βV）、ガンマ起電（GV、γV）と呼ばれます。ベータ起電は、（低エネルギーの）ベータ放射体が引き起こす放射線による損傷が最も少なく、動作寿命が長く、遮蔽が少ないため、伝統的に最も注目されてきました。アルファ起電装置と（最近では）ガンマ起電装置への関心は、その潜在的高効率性によって高まっています。

アルファボルタ装置は半導体接合を利用して高エネルギーアルファ粒子から電気エネルギーを生成する。^{[10] [11]}

ベータボルタ型デバイスは、半導体接合を使用して、高エネルギーのベータ粒子(電子) から電気エネルギーを生成します。一般的に使用されるエネルギー源は、シティ ラボのナノトリチウム バッテリーで使用されている水素同位体トリチウムです。

ベタボルタ型デバイスは、埋め込み型医療機器や軍事・宇宙用途など、エネルギー源の長寿命が求められる低電力電気用途に特に適しています。^[12]

中国の新興企業ベータボルトは、2024年1月に、パイロットテスト段階にある小型デバイスを保有していると主張した。 [13 ^]このデバイスは、100マイクロワットの電力と3Vの電圧を生成し、充電やメンテナンスを必要とせずに50年の寿命があると言われている。^{[13]ベータ}ボルトは、これが史上初の小型デバイスであると主張している。 [13] このデバイスは、非常に小さなコインサイズのモジュールに保持されているニッケル63 同位体からエネルギーを得る。 ^[14] 消費されると、ニッケル63は銅の安定した非放射性同位体に崩壊し、環境に脅威を与えない。^{[14]このデバイスには、2つの薄い結晶}ダイヤモンド半導体層の間に挟まれたベータ粒子電子を提供するニッケル63の薄いウェハーが含まれている。 ^{[15] [16]}

ガンマボルタ素子は半導体接合部を用いて高エネルギーガンマ粒子（高エネルギー光子）から電気エネルギーを生成する。2010年代になってようやく検討されるようになったが^{[17] [18] [19] [20]}、1981年にはすでに提案されていた。 ^[21]

ペロブスカイト太陽電池ではガンマボルタ効果が報告されている。^[17]もう一つの特許取得済みの設計では、ガンマ粒子のエネルギーが従来の太陽電池に吸収される程度まで減少するまでガンマ粒子を散乱させる。^[18]ダイヤモンドとショットキーダイオードを使用したガンマボルタ設計も研究されている。^{[19] [20]}

放射性光起電（RPV）装置では、エネルギー変換は間接的です。放出された粒子は、まず放射性発光物質（シンチレータまたは蛍光体）を使用して光に変換され、次に光は光電池を使用して電気に変換されます。対象となる粒子の種類に応じて、変換タイプは、より正確にはアルファ光起電（APVまたはα-PV）^{[22] 、} ベータ光起電（BPVまたはβ-PV）^[23]、またはガンマ光起電（GPVまたはγ-PV）^{[24]として指定されます。}

放射性光電変換は放射性電離変換と組み合わせることで変換効率を高めることができる。^[25]

メドトロニックとアルカテルはプルトニウムを動力源とするペースメーカー、Numec NU-5を開発し、2.5 Ciのプルトニウム238で駆動し、1970年に初めて人間の患者に埋め込まれた。1970年代に埋め込まれた139台のNumec NU-5核ペースメーカーは、交換の必要がないと予想されており、5年から10年ごとに手術で電池を交換する必要がある非核ペースメーカーよりも優れている。プルトニウム「電池」は、プルトニウム238の半減期88年よりも長く回路を駆動するのに十分な電力を生成すると予想されている。^{[26] [27] [28] [29]} これらのユニットの最後のものは1988年に埋め込まれた。放射線の懸念や規制上の障害がなく10年以上の寿命が期待されていたリチウム駆動ペースメーカーにより、これらのユニットは時代遅れになった。

ベタボルタ電池は鉛フリーペースメーカーの長寿命電源としても検討されている。^[30]

原子力電池は、低エネルギーのベータ粒子、時には様々なエネルギーのアルファ粒子を生成する放射性同位元素を使用する。低エネルギーのベータ粒子は、強力な遮蔽が必要となる高エネルギーの透過性制動放射線の生成を防ぐために必要である。トリチウム、ニッケル-63、プロメチウム-147、テクネチウム-99などの放射性同位元素がテストされた。プルトニウム-238、キュリウム-242、キュリウム-244、ストロンチウム-90も使用された。^{[31]使用される同位体の核特性に加えて、化学的特性と入手可能性の問題もある。}中性子照射または粒子加速器で意図的に生成された生成物は、使用済み核燃料から簡単に抽出できる核分裂生成物よりも入手が困難である。

プルトニウム 238 はネプツニウム 237 の中性子照射によって意図的に生成する必要がありますが、安定したプルトニウム酸化物セラミックに簡単に変換できます。ストロンチウム 90 は使用済み核燃料から簡単に抽出できますが、化学的可動性を減らすためにペロブスカイト型のチタン酸ストロンチウムに変換する必要があるため、出力密度が半分になります。別の高収率核分裂生成物であるセシウム 137 は、化学的に不活性な物質に変換するのが難しいため、原子電池ではほとんど使用されません。使用済み核燃料から抽出されたセシウム 137 のもう 1 つの望ましくない特性は、セシウムの他の同位体で汚染されており、出力密度がさらに低下することです。

微小電気機械システム ( MEMS )の分野では、ウィスコンシン大学マディソン校の原子力技術者が、ポロニウムやキュリウムなどの放射性核を利用して電気エネルギーを生成する超小型バッテリーの製造の可能性を模索してきました。^[要出典]統合された自己発電アプリケーションの例として、研究者は、燃料補給を必要とせずに非常に長い期間にわたって一貫した周期的な振動が可能な振動カンチレバービームを作成しました。進行中の作業では、このカンチレバーが無線周波数伝送が可能であり、MEMSデバイスが互いにワイヤレスで通信できることが実証されています。

これらのマイクロバッテリーは非常に軽量であり、MEMSデバイスやナノデバイスへの電源として十分なエネルギーを供給します。^[32]

放出された放射線エネルギーは電気エネルギーに変換され、プロセッサとそれにエネルギーを供給するマイクロバッテリーを含むデバイス領域に限定されます。 ^{[33] : 180–181}

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