بطاريه نوويه

Nuclear battery -

البطارية النووية

فوزي عوض

ميزات البطارية النووية

مثبطات استعمالها

الأجزاء الرئيسية

أنواع البطاريات النووية

البطارية النووية nuclear battery -وتدعى أحياناً البطارية الذرية atomic battery- بطارية تنتج طاقة كهربائية بالاستفادة من الطاقة الناتجة من التفاعلات النووية؛ ولا سيّما تفككات المواد النووية النشطة، وتسمى أيضاً بطارية النظائر المشعة radioisotope battery (generator) لاعتماد خواصها على النظير المشع المتفكك. تقابل هذه الطاقة فرق الكتلة بين مدخلات التفاعل ومخرجاته، وتحملها بجزئها الرئيسي نواتج التفاعل سواء كانت نوكليدات nuclides أم أشعة نووية تتضمن أشعة ألفا (نواة ذرة الهليوم α-rays) وأشعة بتا (β-rays وهي إلكترونات وبوزيترونات ) وأشعة غاما ϒ-rays وأشعة سينية (روتنجن Rotengen) x-rays ونترونات n ونيوترونات ν.

ميزات البطارية النووية

- كثافة طاقتها عالية، وهي نسبة الطاقة المخزَّنة إلى كتلة المنبع جول/كغ ، وأكبر بعدة مراتب من كثافة طاقة البطاريات الكيميائية.

- وثوقيتها عالية، وإمكان استعمالها في بيئات مختلفة كيميائياً وفيزيائياً. لذا فهي تستعمل في الرحلات الفضائية وفي تزويد أجهزة التجسس المزروعة أو المحمولة، وكذلك في الأدوات الطبية المنظّمة (منظم ضربات القلب)، وذلك للحدّ من ضرورات إعادة الشحن أو الجراحة المتكررة.

- مدة خدمتها طويلة، وتعتمد على عمر النصف للنظير المستعمل، من دون الحاجة إلى إشراف أو صيانة.

- الاستفادة من مخلفات المفاعلات النووية ومن المصادر الطبيعية لتقليل الكلفة والحفاظ على البيئة.

- حجمها صغير.

مثبطات استعمالها

-1 مردود التحويل من طاقة متوفرة إلى طاقة مفيدة ضعيف؛ وذلك بسبب عدم إمكان الاستفادة من الطاقة كلها مباشرة وضرورة تحويلها باستعمال محولات طاقة transducers من شكل إلى آخر.

2- حاجة بعض الأنواع إلى درع حماية للإقلال من المشاكل النووية (الإشعاعات والتلوث). وهذا الدرع يتعرض بدوره لتخريب إشعاعي هو ومكونات البطارية جميعها؛ مما يؤثر في عمر البطارية.

3- تُعدّ كلفة البطارية النووية عالية مقارنة بالبطاريات الأخرى، لكن استعمالها يحتاج إلى الموازنة بين ميزاتها المختلفة بعد اختيار النظير المشع المناسب لأداء الوظيفة المطلوبة.

4- كثافة استطاعة البطارية واط/كغ (W/kg) ضعيفة؛ بسبب صغر المردود وكون التيارات الناتجة منها صغيرة وبفرق كمون من مرتبة الفولط.

الأجزاء الرئيسية

تختلف الأجزاء الرئيسية للبطارية باختلاف نوعها والوسيط الفيزيائي المستعمل لتحويل طاقة التفكك الإشعاعي إلى نوع الطاقة المطلوبة؛ غير أنها تشترك جميعها بوجود منبع للطاقة النووية قد يكون غازاً أو صلباً، ومحول للطاقة النووية مباشر رئيسي أو ثانوي أو غير مباشر، ومخرج. وهي تصنف إما اعتماداً على محولات الطاقة الحرارية المتولدة فقط thermal convertors؛ وإمّا على الاستفادة من الطاقات الأخرى non-thermal convertors. وبصورة عامة قد يكون المنبع منفصلاً عن أجزاء البطارية الأخرى أو موزعاً بين مواد أجزائها على شكل شوائب مشعة.

أنواع البطاريات النووية

أ- البطارية النووية ذات الشحن أو التحويل المباشر direct charge nuclear battery

يُعدّ الفيزيائي الإنكليزي هنري موزلي Henry Moseley أول من استعمل الطاقة النووية لصنع بطارية عام 1913 اعتماداً على تفكك نظير الراديوم منبعاً؛ مستفيداً من تفككه إلى غاز الرادون (المشع أيضاً) مصدراً أشعة ألفا α (المعادلة 1)، فلاحظ سريان تيار كهربائي من هذه الإيونات، قام بجمعها عن طريق شحن مُكثِّفة؛ ليستفاد منها فيما بعد. يبلغ عمر النصف للراديوم قرابة 1600سنة، وتبلغ طاقة الانشطار 4.87 MeV، لكن مردود هذه العملية لم يتعدَّ . تدعى مثل هذه البطارية أيضاً باسم المنبع؛ أي «بطارية ألفا»، كما تدعى وفق وسيط الجمع؛ أي التي تجمع الشحنات الناتجة من التفاعل مباشر «بطارية نووية ذات شحن أو تحويل مباشر»، وهي إيونات الهليوم في هذه الحالة.

ويلاحظ صدور أشعة غاما غير المرغوبة، كما يلاحظ كيفية التمييز بين النظائر بكتابة العدد الكتلي، ويساوي 226 للراديوم، والعدد الذري أو عدد البروتونات في النواة، الذي يساوي 88 له، أما أشعة غاما؛ فليس لها كتلة سكونية، وليس لها شحنة.

تستعمل اليوم بطاريات مماثلة من حيث المبدأ تسمى بطاريات بتا؛ لأن المنبع يصدر أشعة بتا إما موجبة (بوزترونات ، ويرمز إليها أيضاً)؛ وإمّا سالبة (إلكترونات ، ويرمز إليها أحياناً )، تستقبل مباشرة عبر بلورة نصف ناقلة، فتشحن محررة حاملات شحنة؛ ومن ثمّ تياراً كهربائياً فيها (الشكل1).

الشكل (1) بطارية نووية من النوع بتا .

ثمّة الكثير من مصدرات بتا، لكن أكثرها استعمالاً النظيران السترونسيوم ، والعمر النصف له 28.8 سنة؛ بطاقة تفكك تقارب 0.546 MeV، والنيكل ، وعمر النصف له قرابة 100 سنة، وطاقة تفككه 182 keV، وطاقة أشعة بتا الوسطية ، وذلك وفق المعادلتين
(2 و3):

ب- البطارية النووية ذات الشحن أو التحويل غير المباشر

يستفاد لتحسين مردود البطاريات النووية من طاقة نواتج التفكك كلها حتى لو كانت تفاعلات تسلسلية بوساطة امتصاص الطاقة كلها الصادرة من أنواع الأشعة جميعها والتي تتحول في النهاية -على سبيل المثال- إلى حرارة؛ فتسمى عندئذٍ بطاريات حرارية. أما التي يستفاد من نوع معيّن من أشعتها؛ فتسمى باسمها مع ذكر وسيط المحول، فهي لا تستعمل الحرارة مباشرة.

وقد يعاد استعمال الحرارة لتوليد تيارات كهربائية باستعمال مزدوجات كهرحرارية مناسبة، وكانت هذه أولى البطاريات التي استعملت في رحلات ناسا الفضائية. تدعى البطارية النووية التي تستعمل مزدوجة كهرحرارية «مولِّداً كهرحراريّاً نظائريّاً» Radioisotope Thermoelectric Generator (RTG)، يقع مردودها بين 8 و10 %. وقد استعمل فيها البلوتونيوم ؛ وهو من مصدرات أشعة ألفا (الشكل 2)، يلاحظ وجود النظير الذي يزود المولد بالحرارة في المركز تحيط به لُحْمات عدة مزدوجات حرارية، فتشكل الأطراف الساخنة للمزدوجة، أما الأطراف الباردة؛ فهي محيطية مع مبردات، وكلما كان الفرق بين درجتي حرارة كل من الوصلتين في كل مزدوجة أكبر؛ كان المردود أعلى.

الشكل (2) مولد كهرحراري نظائري.

 

وقد استعملت هذه المولدات في منظمات ضربات القلب cardiac pacemaker (الشكل 3)، وفيها -إضافة إلى عناصر الشكل (2)- غلاف عزل حراري مع خزان طاقة وإلكترونيات تحكم. واستعمل النظير بلوتونيوم –236 في البدء عام 1970، ثم حلّ محله السترونسيوم عام 1974؛ لأنه أقل خطورة؛ فالأخير لا يتفكك مع إصدار أشعة غاما. وقد أمضى المرضى بقية حياتهم من دون الحاجة إلى تبديل المنظم. ولكن تُستعمل حالياً بطاريات كيميائية متطورة يقارب مردودها وعمرها البطارية النووية مع أفضلية سهولة التخلص من نفاياتها.

الشكل (3) منظم ضربات القلب الكهرحراري النظائري.

وبحلول عام 2010 بدأ البحث عن مولدات ذوات مردود أعلى تعتمد تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية على ثلاث مراحل باستعمال محرك حراري يتبع دورة ستيرلنغ Stirling (الشكل 4)، ويسمى باسمها «مولد ستيرلنغ النظائري» Stirling Radioisotope Generator (SRG)، ففي المرحلة الأولى يمتص المولد حرارة التفكك بالقرب من النظير، ثم يمتصها غاز الهليوم أو أي غاز آخر؛ ليتمدد ضمن أسطوانة تحوي مكبساً، ثم يعزل؛ ليتقلص حجم الغاز لتماسه مع منبع بارد. ويمكن متابعة الدورة بتحولين حراريين، فيتحرك المكبس جيئة وذهاباً. في المرحلة الأخيرة يثبت بالمكبس ساعد ممغنَط ضمن وشيعة، فيتحرض تيار كهربائي فيها. حُسّن هذا المحرك باستعمال مجموعتين من الأسطوانة والمكبس، فأصبح يدعى «مولد ستيرلنغ النظائري المتقدم» Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG)؛ فوصل مردوده إلى قرابة 20 %، وتقدر مدة خدمته بسبعة عشر عاماً وباستطاعة تقدر بـ 130 واطاً.

الشكل (4) بطارية نووية تعمل وفق دورة ستيرلنغ.

ج- بطارية (خلية) نووية بتا فولطية betavoltaic cell

قد تستعمل لتحسين المردود وصلة نصف ناقلة p-n junction تلتقط الشحنات، وتسيّرها بواسطة الكمون الداخلي فيها؛ فتدعى بطارية (خلية) «نووية بتا فولطية» betavoltaic cell، قد يصل مردودها إلى 20 % (الشكل 5).

الشكل (5) بطارية نووية بتا فولطية مع وصلة pn.

د- بطارية (خلية) نووية بتا فوتوفولطية betaphotovoltaic cell

تتنوع نواتج الانشطار، فليست جميعها إيونات أو إلكترونات؛ إذ قد تُحمل الطاقة النووية بواسطة أشعة غاما أو بالنترونات، وقد تحمل هذه الأخيرة معظم هذه الطاقة، لذا يمكن الاستفادة من النوعين بعد عمليات وسيطة؛ كأن تستعمل أشعة غاما لتحريض الذرات على الفلورة أو الفسفرة؛ لتجمع الطاقة الضوئية، وتستعمل في أغراض مختلفة على شكل ضوء يوجه بواسطة أدلة موجية؛ لتقلب مرّة ثانية بالخلية الكهرضوئية photoelectric cell أو بالديودات الضوئية photodiodes إلى كهرباء (الشكل 6).

الشكل (6) تحويل الطاقة النووية إلى طاقة ضوئية.

كما يمكن للأشعة المختلفة أن تؤين بعض الذرات الأخرى، فتكوّن في المحصلة شحنات موجبة أو سالبة تلتقط؛ لتعطي تياراً كهربائياً مباشرة، أو تبطّأ؛ فيُستفاد من طاقتها التي تظهر على شكل طاقة حرارية، ويمكن أن تستعمل مسخنات مباشرة، أو يستفاد منها في تغذية مزدوجة كهرحرارية، فتتحول في النهاية إلى طاقة كهربائية.

هـ البطاريات النووية المكروية

إن صغر منابع الطاقة النووية يجعلها مناسبة للحصول على مولدات كهربائية مكروية صغيرة الحجم تعمل إما بالتحويل المباشر للطاقة؛ وإمّا تعمل بالتحويل غير المباشر. وقد أعيد النظر في استعمال البطاريات النووية مؤخراً مع استعمال المنظومات الكهرميكانيكية المكروية Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). وقد يتطلب ذلك التخلي عن الاستفادة من الوسائل الحرارية في التحويل لرفع مردودها، ومن ثم يجب أخذ عمق الاختراق في الحسبان عند التصميم. فطول عمق الاختراق اللازم بغية الاستفادة من طاقتها كاملة -في حالة أشعة بتا وألفا- صغير من مرتبة الميليمترات، ويمكن أن يتماشى مع عملية التصغير، لكن عمق الاختراق لأشعة غاما والأشعة السينية والنترونات طويل من مرتبة الأمتار؛ مما يقلل من خيارات نوع النظير القابل للاستعمال فيها.

فعلى سبيل المثال: يمكن استعمال صفيحة من نظير النيكل منبعاً يصدر أشعة بتا، فتقوم صفيحة أخرى بجمعها، فتصبح مشحونة بشحنة معاكسة لصفيحة النظير، وعندما يتجمع عدد كافٍ من الشحنات تتجاذب الصفيحتان حتى تتلاقيا، فتتعادلان، يُحَوّل الإجهاد الناتج من الانحناء؛ ليؤثر في دعامة مرنة من السليكون تضغط صفيحة ثالثة مصنوعة من مادة كهرضغطية piezoelectric؛ ليتولد فيها فرق كمون كهربائي يمكن الاستفادة منه (الشكل 7). يبلغ طول الدعامة المرنة بين 4 و8 مم، وسمكها 40 مكرومتر. ومع صغر هذه الاستطاعة التي تقارب 5 ميلي واط التي تستمر لعشرة مكرو ثانية بصورة دورية؛ فهي كافية لتفعيل محسّ لاسلكي والاتصال بأدوات أخرى؛ إذ إنه في كثير من الأحيان لا حاجة للتشغيل المستمر. ويبلغ عمر النصف لنظير النيكل Ni-63 مئات السنوات. وقد بدأ استعمال مثل هذه البطاريات في بعض الإلكترونيات مع وضع إشارة الخطر النووي عليها (الشكل 8).

الشكل (7) بطارية نووية مكروية.	الشكل (8) بطارية نووية تستعمل عسكرياً.

تفرض الحاجة أحياناً استعمال نظائر متوفرة محلياً، منها بطارية التريتيوم نظير الهدروجين -ويكثر استعمالها أيضاً لرخص ثمنها- إذ ينتج التريتيوم من ماء البحر، وتستعمل حالياً في إشارات المخارج والإخلاء وفي الساعات المفسفرة، ويُعدّ آمناً نسبياً. والتريتيوم هو منبع أشعة بتا يستعمل نصف الناقل أو وصلة p-n محولاً غير حراري، وهو يتفكك وفق المعادلة (4):

وتبلغ طاقة تفككه 18.6 keV، حصة الإلكترونات منها 5.7 keV، والعمر النصف له 12.3 سنة، ولا يتجاوز عمق اختراقها ستة ميليمترات في الهواء. وفي الأسواق اليوم جزء من المكونات الإلكترونية الأخرى (الشكل9).

وقد تطورت البطاريات المختلفة، وعدلت أبعادها لتصبح مكروية؛ ممّا يجعلها صغيرة الحجم والمقاس كما في البطارية الموضحة في الشكل (10). فأصبح بالإمكان صنع وصلات p-n على شكل أسلاك نانوية تفصل بينها مسافات مناسبة لالتقاط الفوتونات أو الإلكترونات؛ لتمتصها وتحولها إلى تيارات كهربائية تجمع عند القاعدة.

الشكل (9) بطارية التريتيوم النووية.	الشكل (10) بطارية pn مكروية ذات مردود عالٍ واستطاعة عالية.

كما أمكن صنع أنابيب نانوية بدل الأسلاك النانوية تُملأ بغاز التريتيوم مع وصلات p-n مشابهة؛ تُملأ الفراغات بينها بمادة فسفورية، تلتقط الجسيمات الهاربة، وتحولها إلى فوتونات لتحسين إمكان التقاط الفوتونات أو الإلكترونات؛ مهما كان مصدرها.

يجري البحث حالياً عن استعمال النفايات النووية من المفاعلات أو من الطب والصناعة، ومنها الكربون C-14 الناتج من المفاعلات الذي يُستعمل فيها مهدئاً؛ ليستفاد منه في صناعة البطارية النووية الماسيّة diamond nuclear battery. يُعدّ نظير الكربون هذا من مصدرات بتا وفق معادلة التفاعل (5):

يبلغ عمر النصف لهذا النظير 5730 سنة، وطاقة إلكتروناته الوسطية منخفضة، فعند تصنيع الماس يستعمل أولاً الكربون 14C في قلب الماسة، ثم يحاط بكربون غير مشع؛ وأي ماس عادي يتصف بامتصاصه الشديد لأشعة بتا وكذلك ظهور شحنات على سطحه يمكن الاستفادة منها مولداً للكهرباء من دون قطع متحركة فيه. تُختار الأبعاد لنوعي الكربون بحيث يصبح المولِّد آمناً إشعاعياً ويعيش لمدة طويلة جداً.

يتنبأ الباحثون بأن غراماً واحداً من الكربون 14C ينتج 15 جولاً في اليوم الواحد.

مراجع للاستزادة: - P. M. Boraas, M. De La Torre Aguilar, F. Seelig, J.-D. Tchakoua Tchouaso, M. Wisniewski, Nuclear Batteries and Radioisotopes, Springer publisher 2016. - K. E. Bower, Y. A. Barbanel, Y. G. Shreter, G. W. Bohnert, Polymers, Phosphors, and Voltaics for Radioisotope Microbatteries, CRC Press, 2002. - L. M. Surhone, M. T. Tennoe, S. F. Henssonow, Optoelectric Nuclear Battery, Betascript Publishing, 2011. - P. H. Talbert, The Half-Life of a Nuclear Battery, Astral Publishing, 2008. - G. Yakubova,‎ A. Kavetskiy, Nuclear Batteries with Tritium and Promethium-147 Radioactive Sources: Design, Efficiency, Application of Tritium and Pm-147 Direct Charge Batteries, Tritium Battery with Solid Dielectric, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012.

 

---

- التصنيف : الكيمياء والفيزياء - المجلد : المجلد الخامس مشاركة :