La pile atomique dans le monde moderne

La science progresse et se développe actuellement. Une batterie nucléaire a déjà été inventée. Une telle source d'énergie peut durer jusqu'à 50 ans, voire 100 ans. Tout dépend de sa taille et de la substance radioactive utilisée.

Rosatom a été la première entreprise à annoncer la production d'une batterie nucléaire. En 2017, elle a présenté un prototype lors d'un salon.

Des chercheurs sont parvenus à optimiser les couches d'une batterie nucléaire qui utilise la désintégration bêta de l'isotope nickel-63 pour générer de l'électricité.

1 gramme de cette substance contient 3300 milliwatts-heures.

Comment fonctionne une pile atomique

Une batterie atomique, également connue sous le nom de générateur de chaleur à radio-isotopes (RIHG), est une source d'énergie qui utilise le processus de désintégration des isotopes radioactifs pour générer de la chaleur et, à son tour, la convertir en énergie électrique.

Le principe de fonctionnement d'une pile atomique repose sur la désintégration radioactive, au cours de laquelle les noyaux des atomes se désintègrent en émettant des particules et de l'énergie. L'un des matériaux les plus couramment utilisés dans les piles atomiques est le plutonium-238, qui possède une longue période radioactive. Le plutonium-238 se désintègre en uranium-234 en émettant des particules alpha. Ces particules contiennent une énergie élevée, qui est convertie en chaleur au contact de l'environnement.

La production de chaleur est une étape essentielle du fonctionnement d'une pile atomique. La chaleur est transférée, via un échangeur de chaleur, à un convertisseur thermoélectrique. Ce convertisseur contient des matériaux capables de générer un courant électrique lorsqu'ils sont soumis à une différence de température. Ainsi, la chaleur issue de la désintégration radioactive du plutonium-238 est transférée à l'une des faces du convertisseur thermoélectrique, créant une différence de température entre ses deux faces. Cette différence de température permet la production d'énergie électrique grâce à l'effet thermoélectrique Seebeck.

L'énergie électrique produite par un convertisseur thermoélectrique alimente des appareils électriques. Le principal avantage des piles atomiques réside dans leur capacité à fournir une source d'énergie stable et durable, ne nécessitant ni remplacement ni recharge pendant de nombreuses années. Toutefois, l'utilisation de matériaux radioactifs induit des risques liés aux piles atomiques et exige des précautions de sécurité particulières lors de leur utilisation et de leur manipulation.

 

Les batteries nucléaires sont-elles dangereuses ?

Les concepteurs affirment que ces batteries sont parfaitement sûres pour le grand public, grâce à un boîtier de conception soignée.

On sait que le rayonnement bêta est nocif pour l'organisme. Mais dans la batterie nucléaire de conception nouvelle, il est de faible intensité et sera absorbé par la cellule énergétique.

Actuellement, les experts identifient plusieurs secteurs industriels dans lesquels la batterie nucléaire russe A123 devrait être utilisée :

1. Médecine.
2. Industrie spatiale.
3. Industrie.
4. Transport.

Outre ces domaines, de nouvelles sources d'énergie durables peuvent également être utilisées dans d'autres.

Avantages d'une batterie nucléaire

Plusieurs qualités positives sont mises en avant :

• Durabilité. Leur durée de vie peut atteindre 100 000 ans.
• Capacité à résister aux températures critiques.
• Leur petite taille permet de les rendre portables et de les utiliser dans des équipements compacts.

Inconvénients d'une batterie nucléaire

• Complexité de la production.
• Il existe un risque d'exposition aux radiations, surtout si le boîtier est endommagé.
• C'est cher. Une seule batterie nucléaire peut coûter entre 500 000 et 4 500 000 roubles.
• Accessible à un cercle restreint de personnes.
• Sélection restreinte.

La recherche et le développement de batteries nucléaires sont menés non seulement par de grandes entreprises, mais aussi par des étudiants. À Tomsk, par exemple, un étudiant a mis au point sa propre batterie nucléaire capable de fonctionner pendant environ 12 ans sans recharge. Cette invention repose sur la désintégration du tritium. Les caractéristiques de cette batterie restent inchangées au fil du temps.

Batterie nucléaire pour smartphones

Depuis 2019, des sources d'énergie nucléaire pour téléphones sont produites. Elles ressemblent à celle illustrée ci-dessous.

Elles ressemblent à une puce électronique qui s'insère dans un emplacement spécifique d'un téléphone portable. Une telle batterie peut durer 20 ans sans nécessiter de recharge. Ceci est rendu possible grâce au processus de fission nucléaire. Cependant, cette source d'énergie peut inquiéter. Après tout, chacun sait que les radiations sont nocives pour la santé. Et rares sont ceux qui apprécieraient de transporter un tel téléphone toute la journée.

Mais les scientifiques affirment que cette pile nucléaire est parfaitement sûre. Le tritium est utilisé comme substance active. Le rayonnement émis lors de sa désintégration est inoffensif. On peut observer le tritium en action sur une montre à quartz luminescente. La pile résiste à des températures aussi basses que -50 °C et fonctionne de manière fiable jusqu'à 150 °C.⁰. Parallèlement, aucune fluctuation n'a été constatée dans son fonctionnement.

Ce serait bien pratique d'avoir une telle batterie sous la main, ne serait-ce que pour recharger son téléphone avec une batterie classique.

La tension d'une telle batterie fluctue entre 0,8 et 2,4 volts. Elle génère également entre 50 et 300 nanoampères. Et tout cela se produit sur une période de 20 ans.

La capacité est calculée comme suit : C = 0,000001 W × 50 ans × 365 jours × 24 heures / 2 V = 219 mA

La batterie est actuellement évaluée à 1 122 $. Convertie en roubles au taux de change actuel (65,42), cela représenterait 73 400 roubles.

Où sont utilisées les batteries nucléaires ?

Leur champ d'application est pratiquement identique à celui des batteries classiques. Elles sont utilisées dans :

• Microélectronique.
• Capteurs de pression et de température.
• Implants.
• En tant que batteries externes pour batteries au lithium.
• Systèmes d'identification.
• Heures.
• Mémoire SRAM.
• Pour alimenter des processeurs basse consommation, tels que les FPGA et les ASIC.

Ce ne sont pas les seuls appareils ; la liste s’allongera considérablement à l’avenir.

La pile nucléaire au nickel-63 et ses caractéristiques

Cette source d'énergie nucléaire, basée sur l'isotope 63, peut fonctionner jusqu'à 50 ans. Elle repose sur l'effet bêta-voltaïque, quasi identique à l'effet photoélectrique. Dans l'effet bêta-voltaïque, des paires électron-trou sont créées dans le réseau cristallin du semi-conducteur par l'action d'électrons rapides ou de particules bêta. Dans l'effet photoélectrique, elles sont créées par l'action de photons.

Une pile atomique au nickel-63 est produite par irradiation de cibles de nickel-62 dans un réacteur. Le chercheur Gavrilov affirme que ce processus dure environ un an. Les cibles nécessaires sont déjà disponibles à Zheleznogorsk.

Si l'on compare les nouvelles batteries nucléaires russes au nickel-63 aux batteries lithium-ion, elles seront 30 fois plus petites.

Les experts affirment que ces sources d'énergie sont sans danger pour l'homme car elles émettent des rayons bêta de faible intensité. De plus, ces rayons ne sont pas libérés à l'extérieur, mais restent confinés à l'intérieur de l'appareil.

Cette source d'énergie est actuellement idéale pour les stimulateurs cardiaques. Cependant, les développeurs n'ont pas communiqué son coût. Il est néanmoins possible de l'estimer. Un gramme de Ni-63 coûte actuellement environ 4 000 $. Par conséquent, une batterie pleinement fonctionnelle nécessiterait un investissement conséquent.

Composition d'une batterie nucléaire

Le nickel-63 est extrait des diamants. Cependant, l'obtention de cet isotope a nécessité la mise au point d'une nouvelle technologie de découpe de ce matériau durable qu'est le diamant.

Une pile nucléaire est composée d'un émetteur et d'un collecteur séparés par une couche spéciale. Lors de sa désintégration, l'élément radioactif émet un rayonnement bêta, ce qui lui confère une charge positive. Simultanément, le collecteur se charge négativement, créant ainsi une différence de potentiel qui génère un courant électrique.

En résumé, notre pile atomique se présente sous la forme d'une structure multicouche. 200 sources d'énergie au nickel-63 sont prises en sandwich entre 200 semi-conducteurs en diamant. La source d'énergie mesure environ 4 mm de haut et pèse 250 milligrammes. Sa petite taille constitue un atout majeur pour la batterie atomique russe.

Trouver les dimensions adéquates est complexe. Un isotope épais empêchera les électrons qu'il produit de s'échapper. Un isotope fin est désavantageux, car il réduit le nombre de désintégrations bêta par unité de temps. Il en va de même pour l'épaisseur du semi-conducteur. La batterie fonctionne de manière optimale avec une épaisseur d'isotope d'environ 2 microns, tandis qu'un semi-conducteur en diamant requiert 10 microns.

Mais les progrès réalisés jusqu'à présent par les scientifiques ne constituent pas une limite. Les émissions de gaz d'échappement pourraient être multipliées par trois au moins. Cela signifie qu'une batterie nucléaire pourrait coûter trois fois moins cher.

Une batterie nucléaire au carbone 14 d'une durée de vie de 100 ans.

Cette batterie atomique présente les avantages suivants par rapport aux autres sources d'énergie radiative :

1. Bas prix.
2. Respectueux de l'environnement.
3. Longue durée de vie, jusqu'à 100 ans.
4. Faible toxicité.
5. Sécurité.
6. Capable de fonctionner dans des conditions de températures extrêmes.

L'isotope radioactif carbone-14 a une demi-vie de 5 700 ans. Il est totalement non toxique et peu coûteux.

Non seulement les États-Unis et la Russie, mais aussi d'autres pays s'emploient activement à moderniser les batteries nucléaires. Des chercheurs ont réussi à faire croître un film sur un substrat en carbure. Grâce à cette technique, le coût du substrat a été divisé par 100. Cette structure est résistante aux radiations, ce qui rend cette source d'énergie sûre et durable. L'utilisation du carbure de silicium dans les batteries nucléaires permet d'envisager un fonctionnement à des températures de 350 degrés Celsius.

Ainsi, des scientifiques sont parvenus à créer une batterie atomique de leurs propres mains !