Исследование и моделирование методов преобразования энергии бета-распада в электрическую энергию

Основными методами выполнения проекта являются апробированные и достоверные методы математического моделирования, в том числе с помощью пакетов программ и численного моделирования методами Монте-Карло. В частности для моделирования взаимодействия бета частиц с материалом радиолюминофора применен Geant4 - инструментарий для моделирования прохождения элементарных частиц через вещество с использованием методов Монте-Карло. Система разработана в CERN на объектно-ориентированном языке программирования С++. Для моделирования радиолюминесцентных композиций и оптимизации их параметров использована среда COMSOL Multiphysics. В ходе выполнения проекта использовались экспериментальные методы измерения электрических и оптических параметров и характеристик, в том числе в широком диапазоне температур. Используемые методы являются стандартными, позволяющими, однако, получать результаты, сопоставимые с лучшими известными мировыми результатами в этой области, а также оригинальные результаты, касающиеся исследования радиоизотопных источников питания в широком диапазоне температур. В ходе работ проведены: аналитический обзор методов моделирования разработки и изготовления радиоизотопных источников электрической энергии на основе двойного преобразования; патентные исследования по теме «Радиоизотопные источники электрической энергии на основе двойного преобразования»; разработка концепции источника электрической энергии на основе двойного преобразования с радиолюминесцентным источником света на основе микрочастиц Ni-63; расчет и оптимизация эффективности выхода энергии из микрочастиц изотопа Ni-63 в зависимости от размера частиц и степени обогащения; расчет эффективности люминесценции радиолюминофоров в зависимости от размера кристаллов; расчет и оптимизация концентраций изотопа, радиолюминофора и оптически прозрачного компаунда в радиолюминесцентной композиции по критерию максимального световыхода; оптимизация толщин радиолюминесцентных композиций в составе источников света по критерию максимального световыхода; моделирование и расчет световыхода радиолюминесцентного источника света в зависимости от конструкции и материалов корпуса, экспериментальные исследования образцов радиолюминесцентных композиций и радиационно-стимулированных источников электрического питания на основе двойного преобразования энергии. Основными результатами работ являются: 1. Реализованная модель расчета параметров радиолюминесцентного источника света на основе микрочастиц Ni-63 для радиоизотопных источников электрического питания. 2. Результаты расчета и оптимизации эффективности выхода энергии из микрочастиц изотопа Ni-63 в зависимости от размера частиц. Оптимальный размер никелевых частиц составил величину порядка 3 мкм. Результаты расчета и оптимизации эффективности люминесценции кристаллических радиолюминофоров на основе ZnS:Cu в зависимости от размера кристаллов. Оптимальный размер кристаллов люминофора составил 3 мкм. 3. Результаты расчета и оптимизации концентраций изотопа, радиолюминофора и оптически прозрачного компаунда в радиолюминесцентной композиции по критерию максимального световыхода. Максимальный эффект достигается при соотношении концентраций частиц радиолюминофора и радиоизотопа 1000/1. 4. Результаты оптимизации толщин радиолюминесцентных композиций в составе источников света. Показано, что оптимальная толщина композита составляет 100-150 мкм. 5. Результаты исследования технологии лазерной абляции в жидкости для получения микрочастиц изотопа Ni-63 заданных размеров на основе природного никеля. В качестве источника лазерного излучения использовался иттербиевый волоконный лазер с длиной волны 1064 нм, пиковой мощностью 10 МВт, длительностью импульсов порядка 300 фс. В ходе анализа полученного коллоидного раствора с помощью лазерного микроанализатора Microtrac BlueWave определен диапазон размеров образующихся частиц - от 100 нм до 1 мкм и показано, что технология может быть использована для получения микрочастиц Ni-63. 6. Апробирован метод легирования на воздухе фотолюминофора на основе ZnS ионами никеля. Разработана технология получения фотолюминофоров легированных ионами Ni2+. На основе технологии получены порошки радиолюминесцентных композиций. Исследованы спектры поглощения полученного вещества, имеющие основной пик вблизи 300 нм. 7. Исследованы спектры фотолюминесценции ZnS:Ni2+, в которых наблюдались две спектральные линии - 470 нм и 500 нм. Рассмотренные методы могут быть использованы для получения люминофоров, легированных Ni-63. 8. Апробирована технология получения люминесцентных композиций путем смешивания частиц никеля, полученных методом абляции, и фотолюминофора на основе ZnS:Сu. В качестве связующего вещества использован полианилин (ПАНИ). Изготовлены экспериментальные образцы люминесцентных композиций с различным процентным содержанием никеля (0,5, 1 и 2%). 9. Проведены измерения яркости и спектров свечения в зависимости от концентраций и толщин люминесцентных композиций. Возбуждение композиций осуществлялось с помощью ультрафиолетового источника. На основе полученных люминесцентных композиций разработаны и изготовлены макеты закрытых радиолюминесцентных источников света. В качестве колб использованы стеклянные кюветы с крышками для спектрофотометров с длиной оптического пути порядка 1 мм. 10. Проведены расчеты эффективности преобразования световой энергии в электрическую для фотопреобразователей на основе арсенида галлия и аморфного кремния при работе совместно с радиолюминесцентными источниками света зеленого спектра свечения. Типовые значения эффективностей для фотопреобразователей на основе арсенида галлия на длине волны 550 нм составляют примерно 0,3 и 0,15 для преобразователей на основе аморфного кремния. 11. Исследовано влияние отрицательных и положительных температур в диапазоне от -60 до +60 °С на выходные параметры радиоизотопных источников электрического питания на основе двойного преобразования энергии. Показано, что в указанных диапазонах температур напряжение холостого хода 𝑈хх радиоизотопного источника, меняется по величине в 4 раза. При этом максимальное значение отдаваемой мощности в нагрузку реализуется при температуре около 0 °С. Проведен анализ влияния температуры на все стадии преобразования энергии. Проведенные исследования показывают, что значительное снижение напряжения холостого хода и форма кривой отдаваемой мощности определяется двумя механизмами: снижением с температурой интенсивности свечения радиолюминесцентных источников света (температурное гашение люминесценции) и снижением эффективности фотопреобразователей. При этом в интервале отрицательных температур (от -60 до 0 °С) снижение эффективности фотопреобразователей выражено слабо и основной вклад в изменение выходных параметров источников вносит температурное гашение люминесценции в источнике света. В интервале положительных температур оба процесса оказывают значительное влияние на снижение выходного напряжения и мощности. Полученные в ходе выполнения проекта результаты расчета и оптимизации эффективности выхода энергии из микрочастиц изотопа Ni-63 в зависимости от размера частиц при их использовании в составе радиолюминесцентных композиций, а также результаты расчета и оптимизации эффективности люминесценции кристаллических радиолюминофоров на основе ZnS:Cu в зависимости от размера кристаллов сопоставимы с мировым уровнем и не уступают результатам, полученным различными исследовательскими группами на аналогичных объектах. Результаты исследования технологии лазерной абляции в жидкости для получения микрочастиц изотопа Ni-63 заданных размеров на основе природного никеля также сопоставим с результатами аналогичных исследований, выполняемых на аналогичном оборудовании и аналогичных материалах. При этом исследование эффективности радиоизотопных источников на основе двойного преобразования энергии распада в широком температурном диапазоне являются оригинальными и демонстрируют результат, превосходящий мировые аналоги. Результаты, полученные за отчетный период могут являться основой для перехода к стадии НИОКР по выбранной тематике. Результаты могут быть использованы для изготовления макетных образцов радиоизотопного источника электрической энергии и при проведении их предварительных испытаний. В целом, исследования по данной тематике направлены на организацию в регионе производства радиоизотопных источников электрической энергии для различных применений. Результаты проекта должны способствовать решению задачи создания прототипа высокоэффективного радиоизотопного источника электрической энергии на основе двойного преобразования. При дальнейшем развитии тематики проекта необходимо пройти сертификацию разработанного радиоизотопного источника электрической энергии и выйти на стадию опытного производства. При достаточной рентабельности и экономической эффективности производство возможно организовать на существующем в Ульяновской области предприятии атомной отрасли.