Батарейка на полвека: почему атом умеет греть зонды, но не хочет дешеветь

Где-то на арктическом побережье, в паре сотен километров от ближайшего жилья, десятилетиями стоял навигационный маяк. Проводов к нему не тянули: свет и радиосигнал давал источник размером с бочку, которому не нужны были ни топливо, ни обслуживание, ни человек рядом. Он просто грелся изнутри, превращая тепло в электричество, и должен был так проработать лет тридцать. Проблема вылезла позже. Когда сеть таких маяков начали снимать, выяснилось: часть источников давно бросили без присмотра, а кое-где нарушена защита. Внутри был стронций-90.

Вот вам радиоизотопный источник энергии в двух словах: предельная надёжность и столь же неудобная начинка. Он не ломается, потому что ломаться в нём нечему - ни насосов, ни движущихся частей, ни подзарядки. Но по той же причине его нельзя и «выключить». Изотоп греет и излучает даже тогда, когда источник давно никому не нужен. Оттого от него так трудно избавиться.

Как из распада сделать ток

Радиоактивный распад - это тепло. Ядро изотопа разваливается, разлетающиеся частицы тормозятся в веществе, вещество нагревается. Дальше нагрев превращают в электричество двумя способами, и устроены они совершенно по-разному.

Первый - РИТЭГ, радиоизотопный термоэлектрический генератор. Тепло изотопа снимают термопарами: на стыке двух разных проводников с перепадом температуры возникает напряжение (эффект Зеебека, известный ещё с XIX века, - физика тут отработана до последнего винтика). КПД у такой схемы низкий, единицы процентов, зато надёжность абсолютная. Греть будет ровно столько, сколько живёт изотоп.

Второй способ моложе и тоньше по устройству - бетавольтаика. Тут электроны бета-распада влетают в полупроводник и выбивают в нём носители заряда, как фотоны света в солнечной батарее. По сути «атомный фотоэлемент», только вместо солнца работает распад ядра. Мощность крохотная, от долей микроватта до единиц милливатт, - зато отдавать её такая ячейка может десятилетиями.

Отсюда простое правило, которое ещё аукнется дальше: изотоп подбирают под задачу, а не по принципу «где больше энергии». Важны тип излучения (от него зависит защита), период полураспада (он задаёт срок службы) и удельное тепловыделение. Изотопа «на всё» не бывает, у каждого своя ниша.

Земля и космос: полвека в строю

Те самые арктические маяки - это стронций-90. Изотоп дешёвый, его много в отходах реакторов, тепловыделение приличное. Но бета-излучение у стронция жёсткое, требует серьёзной защиты, а период полураспада составляет 28,8 года. Для автономного маяка оно и подходило идеально: поставил и забыл на четверть века. Вот это «поставил и забыл» источникам и вышло боком. Всего в СССР выпустили порядка тысячи РИТЭГов, львиную долю - под навигацию вдоль трассы Северного морского пути. После распада страны единый учёт местами потерялся: одни источники стояли заброшенными, на других находили повреждённые защитные оболочки. Собирать и вывозить их пришлось уже отдельной государственной программой, растянувшейся на годы. Инженерно всё было сделано грамотно. Подвела не физика. Подвело то, что за источником надо следить весь его век, а не только пока он приносит пользу.


В космосе выбрали и другой изотоп, и другую логику. Аппараты Voyager-1 и Voyager-2, запущенные в 1977 году, несут по три РИТЭГа на плутонии-238. Прошло почти полвека — оба зонда ушли за пределы гелиосферы и до сих пор выходят на связь. Но питание неумолимо тает: РИТЭГи теряют по несколько ватт в год, и, чтобы дотянуть подольше, инженеры один за другим гасят на борту приборы. Это и есть изотоп в чистом виде — источник, который нельзя дозаправить, можно только медленно расходовать.

Стоит развести две вещи, которые часто путают. Советские «Луноходы» тоже возили на борту изотоп, полоний-210, но грели им приборный отсек в лунную ночь, а не гнали ток. Полоний-210 отдаёт огромное тепло, только живёт всего около 138 суток: как источник питания на годы он не годится, а как грелка на несколько месяцев экспедиции - в самый раз.

Плутоний-238: идеальный для космоса и почти недоступный

Почему космос так держится за плутоний-238, понятно из его физики. Это альфа-излучатель: тяжёлые, но короткопробежные частицы тормозятся уже в самом материале источника, и внешняя защита нужна минимальная. Тепловыделение высокое, а период полураспада составляет 87,7 года. Для межпланетной миссии, которая летит десятилетиями, сочетание почти идеальное: мощность держится долго, а сам источник не требует толстых экранов, утяжеляющих аппарат. Оговоримся сразу: «идеальный» здесь про физику, а не про доступность, и к производству мы ещё вернёмся.


Ровно это говорит и физик-ядерщик Игорь Острецов, который в одном из интервью называет плутоний-238 «идеальным изотопом» для космоса и напоминает про долгоживущие американские зонды. С инженерной точки зрения спорить тут не с чем - это и есть отраслевая логика.

Спор начинается там, где физика упирается в производство. Плутоний-238 не добывают, его нарабатывают в реакторах из нептуния-237, а потом выделяют сложной радиохимией. Насколько это тонкое место, видно по американской истории. После закрытия реакторов в Саванна-Ривер США на два с лишним десятилетия фактически остались без собственного плутония-238 и докупали его за рубежом. Лишь в 2010 году Министерство энергетики представило Конгрессу план возобновления производства. Перезапускать цепочку пришлось силами сразу трёх национальных лабораторий (Окриджской, Айдахской и Лос-Аламосской), и, по планам программы, к 2026 году она должна выйти на скромные полтора килограмма диоксида плутония в год - под будущую миссию Dragonfly к Титану. Парадокс: изотоп, признанный лучшим для дальнего космоса, остаётся дефицитным не потому, что плох, а потому, что его тяжело и дорого делать.

Ядерная батарейка на никеле: старая идея, новая волна

С микромощными источниками история похожая, и упирается она в ту же стенку - в производство изотопа. Речь про бетавольтаику на никеле-63. Изотоп удобен тем, что даёт очень мягкое бета-излучение: от него, как любят повторять, защищает буквально лист бумаги или тонкая фольга. Период полураспада около 101 года, то есть ячейка способна отдавать стабильную мощность десятилетиями без всякой замены.

Ниша у таких батареек узкая - микроватты там, где важнее не мощность, а срок и автономность. В перспективные области записывают кардиостимуляторы, автономные датчики, энергонезависимую память, которую нельзя оставить без питания. Но пока это по большей части исследования и опытные образцы, а не серийное применение. О работах по ядерным микробатарейкам сообщали в МИФИ, а в 2024 году о бетавольтаическом источнике на никеле-63 заявляла китайская компания. Вот за этими новостями и встаёт заманчивый образ «мира без проводов», где любая мелкая электроника питается от собственного распада. Только между микроваттом и лампочкой лежит несколько порядков мощности, и бетавольтаика их не закрывает. Это питание для датчика, а не для холодильника.

Главное ограничение - снова изотоп, а не физика. Никеля-63 в природе нет, его нарабатывают в реакторе из никеля-62, которого в обычном никеле около 3,6 %. Поэтому сырьё сперва обогащают на центрифугах, потом облучают, потом разделяют. По оценке того же Острецова, грамм такого никеля выходит в миллионы рублей. Цифру стоит воспринимать как его личную прикидку, но порядок трудоёмкости она передаёт верно.

Острецов предлагает свой выход: нарабатывать никель-63 не в реакторе, а на ускорителе, облучая медь пучком частиц с энергией выше определённого порога (отсюда «пороговая реакция»). По его словам, это удешевило бы изотоп в разы и позволило заменить обычное разделение химическим. Идея красивая, но широкого признания она пока не получила: метод критиковали в ряде экспертных публикаций, а до промышленной реализации дело так и не дошло. Так что пока это идея одного человека, а не то, подо что отрасль уже верстает планы. Само же узкое место он назвал точно: вся экономика ядерных батареек держится на цене наработки и разделения изотопа.

Превращать распад в ток мы научились полвека назад, и с тех пор ничего принципиально нового тут не потребовалось. Осталось научиться делать нужный изотоп дёшево - а с этим пока туго.