परमाणु बैटरी

परमाणु बैटरी, परमाणु बैटरी, रेडियोआइसोटोप बैटरी या रेडियोआइसोटोप जनरेटर एक उपकरण है जो बिजली उत्पन्न करने के लिए रेडियोधर्मी आइसोटोप के रेडियोधर्मी क्षय से ऊर्जा का उपयोग करता है। परमाणु रिएक्टरों की तरह, वे परमाणु ऊर्जा से बिजली उत्पन्न करते हैं, लेकिन इसमें भिन्नता है कि वे परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया का उपयोग नहीं करते हैं। हालाँकि इन्हें आमतौर पर बैटरी (बिजली) कहा जाता है, लेकिन ये तकनीकी रूप से विद्युत  नहीं हैं और इन्हें चार्ज या रिचार्ज नहीं किया जा सकता है। वे बहुत महंगे हैं, लेकिन उनका जीवन बहुत लंबा है और ऊर्जा घनत्व बहुत अधिक है, और इसलिए उनका उपयोग आम तौर पर उन उपकरणों के लिए बिजली स्रोतों के रूप में किया जाता है जिन्हें लंबे समय तक बिना किसी निगरानी के काम करना पड़ता है, जैसे अंतरिक्ष यान, कृत्रिम कार्डियक पेसमेकर, पानी के नीचे सिस्टम और अनुसंधान स्टेशन दुनिया के सुदूर हिस्सों में. परमाणु बैटरी प्रौद्योगिकी की शुरुआत 1913 में हुई, जब हेनरी मोसले ने पहली बार आवेशित कण विकिरण द्वारा उत्पन्न विद्युत धारा का प्रदर्शन किया। 1950 और 1960 के दशक के दौरान अंतरिक्ष आवश्यकताओं के लिए दीर्घकालिक ऊर्जा स्रोतों की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए इस क्षेत्र में काफी गहन शोध पर ध्यान दिया गया। 1954 में आरसीए ने छोटे रेडियो रिसीवर और श्रवण यंत्रों के लिए एक छोटी परमाणु बैटरी पर शोध किया। 1950 के दशक की शुरुआत में आरसीए के प्रारंभिक अनुसंधान और विकास के बाद से, परमाणु स्रोतों से विद्युत ऊर्जा निकालने के लिए कई प्रकार और तरीके डिजाइन किए गए हैं। वैज्ञानिक सिद्धांत सर्वविदित हैं, लेकिन आधुनिक नैनो-स्केल तकनीक और नए वाइड-बैंडगैप अर्धचालकों ने नए उपकरण और दिलचस्प सामग्री गुण बनाए हैं जो पहले उपलब्ध नहीं थे।

परमाणु बैटरियों को ऊर्जा परिवर्तन तकनीक द्वारा दो मुख्य समूहों में वर्गीकृत किया जा सकता है: थर्मल कन्वर्टर्स और गैर-थर्मल कन्वर्टर्स। थर्मल प्रकार परमाणु क्षय से उत्पन्न कुछ गर्मी को बिजली में परिवर्तित करते हैं। सबसे उल्लेखनीय उदाहरण रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (आरटीजी) है, जिसका उपयोग अक्सर अंतरिक्ष यान में किया जाता है। गैर-थर्मल कन्वर्टर्स उत्सर्जित विकिरण से सीधे ऊर्जा निकालते हैं, इससे पहले कि वह गर्मी में विघटित हो जाए। उन्हें छोटा करना आसान है और उन्हें संचालित करने के लिए थर्मल ग्रेडिएंट की आवश्यकता नहीं होती है, इसलिए वे छोटे पैमाने के अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए उपयुक्त हैं। सबसे उल्लेखनीय उदाहरण बीटावोल्टिक सेल है।

परमाणु बैटरियों की दक्षता आमतौर पर 0.1-5% होती है। उच्च दक्षता वाले बीटावोल्टिक उपकरण 6-8% दक्षता तक पहुँच सकते हैं।

तापायनिक रूपांतरण
एक थर्मिओनिक कनवर्टर में एक गर्म इलेक्ट्रोड होता है, जो एक कूलर इलेक्ट्रोड के लिए स्पेस-चार्ज बैरियर पर थर्मिओनिक रूप से इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है, जिससे एक उपयोगी बिजली उत्पादन होता है। सीज़ियम वाष्प का उपयोग इलेक्ट्रोड कार्य कार्यों को अनुकूलित करने और इलेक्ट्रॉन अंतरिक्ष प्रभार  को बेअसर करने के लिए आयन आपूर्ति (सतह आयनीकरण द्वारा) प्रदान करने के लिए किया जाता है।

थर्मोइलेक्ट्रिक रूपांतरण
एक रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (आरटीजी) थर्मोकपल का उपयोग करता है। प्रत्येक थर्मोकपल विभिन्न धातुओं (या अन्य सामग्रियों) के दो तारों से बनता है। प्रत्येक तार की लंबाई के साथ एक तापमान प्रवणता तार के एक छोर से दूसरे तक एक वोल्टेज प्रवणता उत्पन्न करती है; लेकिन अलग-अलग सामग्रियां तापमान अंतर के अनुसार अलग-अलग वोल्टेज उत्पन्न करती हैं। तारों को एक सिरे से जोड़कर, उस सिरे को गर्म करके लेकिन दूसरे सिरे को ठंडा करके, असंबद्ध तार के सिरों के बीच प्रयोग करने योग्य, लेकिन छोटा (मिलीवोल्ट) वोल्टेज उत्पन्न होता है। व्यवहार में, कई एक ही ताप स्रोत से बड़ा वोल्टेज (या करंट) उत्पन्न करने के लिए श्रृंखला में (या समानांतर में) जुड़े होते हैं, क्योंकि ऊष्मा गर्म सिरे से ठंडे सिरे तक प्रवाहित होती है। धातु थर्मोकपल में थर्मल-टू-इलेक्ट्रिकल दक्षता कम होती है। हालाँकि, बहुत अधिक रूपांतरण क्षमता प्राप्त करने के लिए वाहक घनत्व और चार्ज को बिस्मथ टेलुराइड और सिलिकॉन जर्मेनियम जैसी अर्धचालक सामग्रियों में समायोजित किया जा सकता है।

thermophotovoltaic रूपांतरण
थर्मोफोटोवोल्टिक (टीपीवी) कोशिकाएं फोटोवोल्टाइक सेल के समान सिद्धांतों पर काम करती हैं, सिवाय इसके कि वे गर्म सतह से उत्सर्जित अवरक्त प्रकाश (दृश्यमान स्पेक्ट्रम के बजाय) को बिजली में परिवर्तित करती हैं। थर्मोफोटोवोल्टिक कोशिकाओं की दक्षता थर्मोइलेक्ट्रिक युग्मों की तुलना में थोड़ी अधिक होती है और इन्हें थर्मोइलेक्ट्रिक युग्मों पर मढ़ा जा सकता है, जिससे संभावित रूप से दक्षता दोगुनी हो जाती है। ह्यूस्टन विश्वविद्यालय थर्मोफोटोवोल्टिक रेडियोआइसोटोप पावर रूपांतरण प्रौद्योगिकी विकास प्रयास का लक्ष्य वर्तमान थर्मोइलेक्ट्रिक रेडियोआइसोटोप जनरेटर की तुलना में सिस्टम दक्षता में 3 से 4 गुना सुधार प्रदान करने के लिए थर्मोफोटोवोल्टिक कोशिकाओं को थर्मोकपल के साथ संयोजित करना है।

स्टर्लिंग जनरेटर
स्टर्लिंग रेडियोआइसोटोप जनरेटर एक स्टर्लिंग इंजन है जो रेडियोआइसोटोप द्वारा उत्पन्न तापमान अंतर से संचालित होता है। एक अधिक कुशल संस्करण, उन्नत स्टर्लिंग रेडियोआइसोटोप जनरेटर, नासा द्वारा विकसित किया जा रहा था, लेकिन बड़े पैमाने पर लागत बढ़ने के कारण 2013 में इसे रद्द कर दिया गया था।

गैर-थर्मल रूपांतरण
गैर-थर्मल कन्वर्टर उत्सर्जित विकिरण को गर्मी में बदलने से पहले ऊर्जा निकालते हैं। थर्मोइलेक्ट्रिक और थर्मोनिक कन्वर्टर्स के विपरीत उनका आउटपुट तापमान अंतर पर निर्भर नहीं करता है। गैर-थर्मल जनरेटर को उपयोग किए गए कण के प्रकार और उस तंत्र द्वारा वर्गीकृत किया जा सकता है जिसके द्वारा उनकी ऊर्जा परिवर्तित की जाती है।

इलेक्ट्रोस्टैटिक रूपांतरण
उत्सर्जित आवेशित कणों से ऊर्जा तब निकाली जा सकती है जब उनका विद्युत आवेश बिजली के संचालन में बनता है, जिससे एक विद्युत क्षमता पैदा होती है। अपव्यय मोड के बिना वोल्टेज विकिरणित कणों की ऊर्जा तक बढ़ सकता है, जो कई किलोवोल्ट (बीटा विकिरण के लिए) से मेगावोल्ट (अल्फा विकिरण) तक हो सकता है। निर्मित विद्युत स्थितिज ऊर्जा को निम्नलिखित में से किसी एक तरीके से प्रयोग करने योग्य बिजली में बदला जा सकता है।

डायरेक्ट-चार्जिंग जनरेटर
डायरेक्ट-चार्जिंग जनरेटर में एक संधारित्र होता है जो इलेक्ट्रोड में से एक पर जमा रेडियोधर्मी परत से आवेशित कणों की धारा से चार्ज होता है। रिक्ति या तो निर्वात या ढांकता हुआ हो सकती है। नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए बीटा कण या सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए अल्फा कण, पोजीट्रान या विखंडन उत्पादों का उपयोग किया जा सकता है। यद्यपि परमाणु-विद्युत जनरेटर का यह रूप 1913 का है, लेकिन प्रत्यक्ष-चार्जिंग जनरेटर द्वारा प्रदान की जाने वाली बेहद कम धाराओं और असुविधाजनक रूप से उच्च वोल्टेज के लिए अतीत में कुछ अनुप्रयोग पाए गए हैं। वोल्टेज को कम करने के लिए ऑसिलेटर/ट्रांसफॉर्मर सिस्टम का उपयोग किया जाता है, फिर एसी पावर को वापस डायरेक्ट करंट में बदलने के लिए रेक्टिफायर का उपयोग किया जाता है।

अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी हेनरी मोसले|एच. जी. जे. मोसले ने इनमें से पहला निर्माण किया। मोसले के उपकरण में एक कांच का ग्लोब होता था जिसके अंदर चांदी लगी होती थी और केंद्र में एक तार की नोक पर एक रेडियम उत्सर्जक लगा होता था। रेडियम से आवेशित कणों ने बिजली का प्रवाह पैदा किया क्योंकि वे रेडियम से गोले की आंतरिक सतह तक तेज़ी से चले गए। 1945 के अंत तक मोसले मॉडल ने रेडियोधर्मी तत्वों के उत्सर्जन से बिजली पैदा करने वाली प्रायोगिक बैटरी बनाने के अन्य प्रयासों का मार्गदर्शन किया।

विद्युत यांत्रिक रूपांतरण
इलेक्ट्रोमैकेनिकल परमाणु बैटरियां दो प्लेटों के बीच चार्ज के निर्माण का उपयोग एक मुड़ने योग्य प्लेट को दूसरे की ओर खींचने के लिए करती हैं, जब तक कि दो प्लेटें स्पर्श नहीं करतीं, डिस्चार्ज नहीं हो जातीं, इलेक्ट्रोस्टैटिक बिल्डअप को बराबर नहीं कर लेतीं और वापस नहीं आ जातीं। उत्पादित यांत्रिक गति का उपयोग piezoelectric  सामग्री के लचीलेपन या रैखिक जनरेटर के माध्यम से बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। मिलिवाट बिजली का उत्पादन चार्ज दर के आधार पर दालों में किया जाता है, कुछ मामलों में प्रति सेकंड कई बार (35 हर्ट्ज़)।

रेडियोवोल्टिक रूपांतरण
एक रेडियोवोल्टिक (आरवी) उपकरण एक अर्धचालक जंक्शन का उपयोग करके आयनकारी विकिरण की ऊर्जा को सीधे बिजली में परिवर्तित करता है, एक फोटोवोल्टिक सेल में फोटॉन को बिजली में परिवर्तित करने के समान। लक्षित विकिरण के प्रकार के आधार पर, इन उपकरणों को अल्फ़ावोल्टिक (AV, αV), बीटावोल्टिक (BV, βV) और/या गामावोल्टिक (GV, γV) कहा जाता है। बीटावोल्टिक्स पर परंपरागत रूप से सबसे अधिक ध्यान दिया गया है क्योंकि (कम-ऊर्जा) बीटा उत्सर्जक कम से कम विकिरण क्षति का कारण बनते हैं, इस प्रकार लंबे समय तक परिचालन जीवन और कम परिरक्षण की अनुमति मिलती है। अल्फावोल्टिक और (हाल ही में) गामावोल्टिक उपकरणों में रुचि उनकी संभावित उच्च दक्षता से प्रेरित है।

अल्फावोल्टिक रूपांतरण
अल्फावोल्टिक उपकरण ऊर्जावान अल्फा कणों से विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए अर्धचालक जंक्शन का उपयोग करते हैं।

बीटावोल्टिक रूपांतरण
बीटावोल्टिक उपकरण ऊर्जावान बीटा कणों (इलेक्ट्रॉनों) से विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए अर्धचालक जंक्शन का उपयोग करते हैं। आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला स्रोत हाइड्रोजन आइसोटोप ट्रिटियम है।

बीटावोल्टिक उपकरण विशेष रूप से कम-शक्ति वाले विद्युत अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं जहां ऊर्जा स्रोत के लंबे जीवन की आवश्यकता होती है, जैसे कि प्रत्यारोपण योग्य चिकित्सा उपकरण या सैन्य और अंतरिक्ष अनुप्रयोग।

गामावोल्टिक रूपांतरण
गामावोल्टिक उपकरण ऊर्जावान गामा कणों (उच्च-ऊर्जा फोटॉन) से विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए अर्धचालक जंक्शन का उपयोग करते हैं। उन पर केवल 2010 में ही विचार किया गया है   लेकिन 1981 की शुरुआत में ही प्रस्तावित कर दिया गया था। पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं में एक गामावोल्टिक प्रभाव की सूचना मिली है। एक अन्य पेटेंट डिज़ाइन में गामा कण का बिखराव शामिल है जब तक कि इसकी ऊर्जा पारंपरिक फोटोवोल्टिक सेल में अवशोषित होने के लिए पर्याप्त नहीं हो जाती। हीरे और शोट्की डायोड का उपयोग करने वाले गामावोल्टिक डिज़ाइन की भी जांच की जा रही है।

रेडियोफोटोवोल्टिक (ऑप्टोइलेक्ट्रिक) रूपांतरण
एक ऑप्टोइलेक्ट्रिक परमाणु बैटरी | रेडियोफोटोवोल्टिक (आरपीवी) डिवाइस में ऊर्जा रूपांतरण अप्रत्यक्ष होता है: उत्सर्जित कणों को पहले रेडिओल्यूमिनसेंस  सामग्री (एक सिंटिलेटर या भास्वर) का उपयोग करके प्रकाश में परिवर्तित किया जाता है, और फिर प्रकाश को सौर सेल का उपयोग करके बिजली में परिवर्तित किया जाता है। लक्षित कण के प्रकार के आधार पर, रूपांतरण प्रकार को अधिक सटीक रूप से अल्फाफोटोवोल्टिक (एपीवी या α-पीवी) के रूप में निर्दिष्ट किया जा सकता है। बीटाफोटोवोल्टिक (बीपीवी या β-पीवी) या गामाफोटोवोल्टिक (जीपीवी या γ-पीवी)। रूपांतरण दक्षता बढ़ाने के लिए रेडियोफोटोवोल्टिक रूपांतरण को रेडियोवोल्टिक रूपांतरण के साथ जोड़ा जा सकता है।

पेसमेकर
मेडट्रॉनिक और अल्काटेल ने एक प्लूटोनियम-238#परमाणु संचालित पेसमेकर|प्लूटोनियम-संचालित पेसमेकर, न्यूमेक एनयू-5 विकसित किया है, जो प्लूटोनियम 238 के 2.5 सीआई स्लग द्वारा संचालित है, जिसे पहली बार 1970 में एक मानव रोगी में प्रत्यारोपित किया गया था। 139 न्यूमेक एनयू-5 परमाणु 1970 के दशक में प्रत्यारोपित किए गए पेसमेकरों को कभी भी बदलने की आवश्यकता नहीं होने की उम्मीद है, यह गैर-परमाणु पेसमेकरों की तुलना में एक फायदा है, जिनकी बैटरियों को हर 5 से 10 वर्षों में सर्जिकल प्रतिस्थापन की आवश्यकता होती है। उम्मीद की जाती है कि प्लूटोनियम बैटरियां सर्किट को प्लूटोनियम के 88 साल के आधे जीवन से अधिक समय तक चलाने के लिए पर्याप्त बिजली का उत्पादन करेंगी।   बीटावोल्टिक्स को सीसा रहित पेसमेकर के लिए लंबे समय तक चलने वाले बिजली स्रोत के रूप में भी माना जा रहा है।

रेडियोआइसोटोप का उपयोग किया गया
परमाणु बैटरियां रेडियोआइसोटोप का उपयोग करती हैं जो कम ऊर्जा वाले बीटा कण या कभी-कभी अलग-अलग ऊर्जा के अल्फा कण उत्पन्न करती हैं। उच्च ऊर्जा मर्मज्ञ ब्रेम्सरेडिएशन विकिरण के उत्पादन को रोकने के लिए कम ऊर्जा वाले बीटा कणों की आवश्यकता होती है जिसके लिए भारी परिरक्षण की आवश्यकता होगी। ट्रिटियम, निकल -63, वादा, और टेक्नेटियम-99 जैसे रेडियोआइसोटोप का परीक्षण किया गया है। प्लूटोनियम-238,  अदालत -242, क्यूरियम-244 और स्ट्रोंटियम-90 का उपयोग किया गया है। प्रयुक्त आइसोटोप के परमाणु गुणों के अलावा, रासायनिक गुणों और उपलब्धता के मुद्दे भी हैं। न्यूट्रॉन विकिरण के माध्यम से या कण त्वरक में जानबूझकर उत्पादित उत्पाद को खर्च किए गए परमाणु ईंधन से आसानी से निकाले गए विखंडन उत्पाद की तुलना में प्राप्त करना अधिक कठिन होता है।

प्लूटोनियम-238 को जानबूझकर नेप्च्यूनियम-237 के न्यूट्रॉन विकिरण के माध्यम से उत्पादित किया जाना चाहिए लेकिन इसे आसानी से एक स्थिर प्लूटोनियम ऑक्साइड सिरेमिक में परिवर्तित किया जा सकता है। स्ट्रोंटियम-90 आसानी से खर्च किए गए परमाणु ईंधन से निकाला जाता है, लेकिन इसकी रासायनिक गतिशीलता को कम करने के लिए इसे पेरोव्स्काइट (संरचना) के रूप में स्ट्रोंटियम टाइटेनेट में परिवर्तित किया जाना चाहिए, जिससे बिजली घनत्व आधा हो जाता है। सीज़ियम-137, एक अन्य उच्च उपज वाला परमाणु विखंडन उत्पाद, परमाणु बैटरियों में शायद ही कभी उपयोग किया जाता है क्योंकि इसे रासायनिक रूप से निष्क्रिय पदार्थों में परिवर्तित करना मुश्किल है। खर्च किए गए परमाणु ईंधन से निकाले गए सीएस-137 की एक और अवांछनीय संपत्ति यह है कि यह सीज़ियम के अन्य आइसोटोप से दूषित है जो बिजली घनत्व को और कम कर देता है।

माइक्रो-बैटरी
माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एमईएमएस) के क्षेत्र में, विस्कॉन्सिन विश्वविद्यालय, मैडिसन के परमाणु इंजीनियरों ने लघु बैटरियों के उत्पादन की संभावनाओं का पता लगाया है जो विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए पोलोनियम या क्यूरियम जैसे पदार्थों के रेडियोधर्मी नाभिक का शोषण करते हैं। एक एकीकृत, स्व-संचालित एप्लिकेशन के उदाहरण के रूप में, शोधकर्ताओं ने एक ऑसिलेटिंग कैंटिलीवर बीम बनाया है जो ईंधन भरने की आवश्यकता के बिना बहुत लंबे समय तक लगातार, आवधिक दोलन करने में सक्षम है। चल रहे कार्य से पता चलता है कि यह ब्रैकट रेडियो फ्रीक्वेंसी ट्रांसमिशन में सक्षम है, जिससे माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम डिवाइस एक दूसरे के साथ वायरलेस तरीके से संचार कर सकते हैं।

ये माइक्रो-बैटरी बहुत हल्की हैं और एमईएमएस उपकरणों में उपयोग के लिए बिजली आपूर्ति के रूप में और आगे नैनोडिवाइसेस के लिए आपूर्ति के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्रदान करती हैं। जारी विकिरण ऊर्जा विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, जो उस उपकरण के क्षेत्र तक ही सीमित होती है जिसमें माइक्रोप्रोसेसर और माइक्रो-बैटरी होती है जो इसे ऊर्जा प्रदान करती है।

यह भी देखें

 * बैटरी प्रकारों की सूची
 * बटन सेल
 * विशिष्ट परमाणु आइसोमर्स के लंबे समय तक रहने वाले उत्तेजित नाभिक से प्रेरित गामा उत्सर्जन।
 * रेडियोआइसोटोप हीटर इकाई
 * रेडियोआइसोटोप रॉकेट और परमाणु विद्युत रॉकेट

बाहरी संबंध

 * Betavoltaic Historical Review
 * Cantilever Electromechanical Atomic Battery
 * Types of Radioisotopic Batteries
 * Americium Battery Concept Proposed for Space Applications- TFOT article
 * Nuclear Batteries (25 MW)
 * Tiny 'nuclear batteries' unveiled, BBC article about the research of Jae Wan Kwon et al. from the University of Missouri.