परमाणु बैटरी

परमाणु बैटरी, नाभिकीय (नाभिकीय) बैटरी, रेडिओआइसोटोप बैटरी या रेडिओआइसोटोप जनित्र एक ऐसा उपकरण है जो एक रेडिओआइसोटोप आइसोटोप के क्षय से उत्पन्न होने वाली ऊर्जा का उपयोग विद्युत उत्पन्न करने के लिए करता है। परमाणु रिएक्टरों की तरह, वे परमाणु ऊर्जा से विद्युत उत्पन्न करते हैं, लेकिन इसमें भिन्नता यह है कि वे श्रृंखला प्रतिक्रिया का उपयोग नहीं करते हैं। इन्हें सामान्यतः बैटरी कहा जाता है, लेकिन तकनीकी रूप से ये विद्युत रासायनिक नहीं होते और उन्हें आवेशित या पुनः आवेशित नहीं किया जा सकता है। इस प्रकार की बैटरियों की लागत उच्च होती है, लेकिन इनकी अत्यधिक दीर्घ आयु और उच्च ऊर्जा घनत्व होता है, इसलिए सामान्यतः वे उन उपकरणों के लिए विद्युत श्रोत के रूप में प्रयुक्त किए जाते हैं जो दीर्घकालिक रूप से बिना किसी प्रभारी के कार्य के लिए होते हैं, जैसे कि अंतरिक्ष यान, पेसमेकर्स, अंतर्जलीय प्रणालियों और दुनिया के दूरस्थ क्षेत्रों में स्वचालित वैज्ञानिक स्टेशन के उपकरणों के लिए उपयोग किए जाते है।

नाभिकीय बैटरी तकनीक 1913 में शुरू हुई, जब हेनरी मोसले ने पहली बार आवेशित कण विकिरण द्वारा उत्पन्न विद्युत धारा का प्रदर्शन किया। इस1950 और 1960 के दशक के दौरान अंतरिक्ष आवश्यकताओं के लिए दीर्घकालिक ऊर्जा स्रोतों की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए इस क्षेत्र में अधिक गहन अनुसंधान पर ध्यान दिया गया। 1954 में आरसीए ने छोटे रेडियो रिसीवर और श्रवण यंत्रों के लिए एक छोटी परमाणु बैटरी पर शोध किया। आरसीए के प्रारंभिक अनुसंधान और विकास के बाद, नाभिकीय स्रोतों से विद्युत ऊर्जा उत्सर्जित करने के लिए कई प्रकार और तरीके डिज़ाइन किए गए हैं। वैज्ञानिक सिद्धांत सर्वविदित हैं, लेकिन आधुनिक नैनो-स्केल तकनीक और नए वाइड-बैंडगैप अर्धचालकों ने नए उपकरण और रोचक सामग्री गुण बनाए हैं जो पहले उपलब्ध नहीं थे।

नाभिकीय बैटरियों को ऊर्जा परिवर्तन प्रौद्योगिकी के आधार पर दो मुख्य समूहों, ताप परिवर्तक और अतापीय परिवर्तक, में वर्गीकृत किया जा सकता है। ताप प्रकार नाभिकीय क्षय द्वारा उत्पन्न ऊष्मा का कुछ भाग को विद्युत में परिवर्तित करते हैं। सबसे प्रमुख उदाहरण रेडियोआइसोटोप तापविद्युत (थर्मोइलेक्ट्रिक) जनित्र (आरटीजी) है, जिसे प्रायः अंतरिक्ष यानों में प्रयुक्त किया जाता है। अतापीय परिवर्तक उत्सर्जित विकिरण से प्रत्यक्ष रूप से ऊर्जा उत्सर्जित करता हैं, इससे पहले कि वह ऊष्मा में विघटित हो जाए। इन्हें छोटा करना आसान होता है और इन्हें संचालित करने के लिए तापीय प्रवणता की आवश्यकता नहीं होती है, इसलिए वे छोटे पैमाने के अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए उपयुक्त हैं। सबसे प्रमुख उदाहरण बीटावोल्टिक सेल है।

परमाणु बैटरियों की सामान्यतः दक्षता 0.1–5% होती है। उच्च-दक्षता वाले बीटावोल्टिक उपकरण 6–8% की दक्षता को प्राप्त कर सकते हैं।

तापायनिक (थर्मियोनिक) रूपांतरण
तापायनिक परिवर्तक में एक गर्म इलेक्ट्रोड होता है, जो एक कूलर इलेक्ट्रोड के लिए स्पेस-चार्ज बैरियर पर थर्मिओनिक रूप से इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है, जो एक उपयोगी विद्युत उत्पादन का उत्पादन करता है। सीज़ियम वाष्प इलेक्ट्रोड कार्य कार्यों को उन्नत बनाने और इलेक्ट्रॉन अंतरिक्ष प्रभार को संतुलित (सतह आयनीकरण द्वारा) करने के लिए उपयोग किया जाता है।

तापविद्युत रूपांतरण
रेडियोआइसोटोप तापविद्युत जनित्र (आरटीजी) तापयुग्मों का उपयोग करता है। प्रत्येक तापयुग्म दो विभिन्न धातुओं (या अन्य सामग्रियों) की दो तारों से बना होता है। प्रत्येक तार की लम्बाई के साथ तापमान विभाजन एक तार के एक सिर से दूसरे सिर तक एक वोल्टेज प्रवणता उत्पन्न करता है; लेकिन विभिन्न सामग्रियां तापमान अंतर के प्रति वोल्टेज अंतर 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 उपयोग करने योग्य, लेकिन छोटा (मिलीवोल्ट) वोल्टेज उत्पन्न किया जाता है। प्रैक्टिस में, बहुत सारे तापयुग्मों को श्रेणी (या समान्तर क्रम) में जोड़ा जाता है ताकि एक ही ऊष्मा स्रोत से बड़ा वोल्टेज (या धारा) उत्पन्न किया जा सके, जैसे कि गर्म सिरों से ठंडे सिरों की ओर ऊष्मा बहती है। धातु तापयुग्मों की तापमान से विद्युतीय दक्षता कम होती है। हालाँकि, बहुत अधिक रूपांतरण क्षमता प्राप्त करने के लिए वाहक घनत्व और आवेश को अर्धचालक सामग्रियों जैसे बिस्मथ टेलुराइड और सिलिकॉन जर्मेनियम में समायोजित किया जा सकता है।

थर्मोफोटोवोल्टेक रूपांतरण
थर्मोफोटोवोल्टिक (टीपीवी) सेल एक फोटोवोल्टाइक सेल के समान सिद्धांतों के अनुसार कार्य करते हैं, केवल इस बजाय कि वे एक गर्म सतह द्वारा उत्पन्न अवरक्त प्रकाश (दृश्य प्रकाश की बजाय) को विद्युत में परिवर्तित करते हैं। थर्मोफोटोवोल्टेक सेल्स की दक्षता तापविद्युत कपलों से कुछ अधिक होती है और उन्हें तापविद्युत कपलों पर ओवरले किया जा सकता है, संभावित रूप से दक्षता को दोगुना करते हुए। ह्यूस्टन विश्वविद्यालय टीपीवी रेडियोआइसोटोप पावर कनवर्शन प्रौद्योगिकी विकास प्रयास इस दिशा में कदम बढ़ा रहा है कि टीपीवी सेल्स को टीपीवी कपल्स के साथ एक साथ जोड़कर विद्यमान तापविद्युत रेडियोआइसोटोप जनरेटर्स के सिस्टम की दक्षता को 3 से 4 गुणा तक बढ़ावा देने का उद्देश्य है।

स्टर्लिंग जनित्र
स्टर्लिंग रेडियोआइसोटोप जनित्र एक स्टर्लिंग इंजन होता है जिसे एक रेडियोआइसोटोप द्वारा उत्पन्न तापमान अंतर द्वारा चलाया जाता है। एक अधिक कुशल संस्करण, उन्नत स्टर्लिंग रेडियोआइसोटोप जनित्र, नासा द्वारा विकसित हो रहा था, लेकिन 2013 में बड़े पैमाने पर लागत के अत्यधिक उल्लिपियों के कारण इसे रद्द कर दिया गया।

अतापीय रूपांतरण
अतापीय परिवर्तक उत्सर्जित विकिरण को ऊष्मा में परिवर्तित होने से पहले उससे ऊर्जा उत्सर्जित करते हैं। तापविद्युत और थर्मोनिक परिवर्तकों की तरह, उनका उत्पाद तापमान अंतर पर नहीं निर्भर करता है। अतापीय जनरेटर्स को उपयोग किए जाने वाले ऊर्जा के प्रकार और उनके ऊर्जा को परिवर्तित करने के तरीके के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है।

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

प्रत्यक्ष-आवेशन जनित्र
प्रत्यक्ष आवेशन जनित्र में एक संधारित्र से आवेश पार्टिकल्स की वर्तमान तार के द्वारा आवेश किया जाता है, जो इलेक्ट्रोड पर एक रेडियोधर्मी परत पर एकत्रित की गई होती है। इंटरवल या डाईइलेक्ट्रिक हो सकता है। नेगेटिव आवेश वाले बीटा कण या पॉजिटिव आवेश वाले अल्फा कण, पोजीट्रान या विखंडन उत्पादों का उपयोग किया जा सकता है। यद्यपि इस प्रकार के नाभिकीय-इलेक्ट्रिक जनित्र का आरम्भ 1913 में हुआ था, प्रत्यक्ष आवेशन जनित्र द्वारा प्रदान किए जाने वाले अत्यंत कम धारा और कठिनता से बढ़ते वोल्टेज के कारण, पिछले में विद्युत उत्पन्न करने के लिए कुछ अनुप्रयोग मिले हैं। विशिष्टत रूप से वोल्टेज को कम करने के लिए ऑसिलेटर/ट्रांसफॉर्मर प्रणालियों का उपयोग किया जाता है, फिर रेक्टिफायर्स का उपयोग एसी विद्युत को प्रत्यक्ष करंट में बदलने के लिए किया जाता है।

अंग्रेजी भौतिक शास्त्री एच. जी. जे. मोसली ने पहला ऐसा निर्माण किया था। मोसली की यंत्रिका एक ग्लास ग्लोब था, जिसकी अंदर की ओर एक रेडियम इमिटर सेंटर पर एक तार की सिफर पर विद्यमान था। रेडियम से आवेश पार्टिकल्स रेडियम से ग्लोब की अंदरी सतह तक तेजी से चलते हुए विद्युत की एक धारा का निर्माण करते थे। 1945 के रूप में तक मोसली मॉडल अन्य विशेषज्ञों की सहायता की और रेडियोधर्मी तत्वों के उत्सर्जन से विद्युत उत्पन्न करने के प्रयोगशील बैटरी निर्माण करने के लिए अन्य प्रयासों का मार्गदर्शन किया।

विद्युत यांत्रिक रूपांतरण
विद्युत यांत्रिक 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 दोनों प्लेटें स्पर्श नहीं करतीं, डिस्चार्ज नहीं हो जातीं, इलेक्ट्रोस्टैटिक बिल्डअप को बराबर नहीं कर लेतीं और वापस स्प्रिंग नहीं हो जातीं। उत्पादित यांत्रिक गति का उपयोग पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के प्रत्त्यास्थ या रैखिक जनरेटर के माध्यम से विद्युत् का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है। मिलीवॉट्स की विद्युत आपूर्ति दर पर निर्भर करके पल्स, कुछ स्थितियों में सेकंड (35 Hz), में उत्पन्न होती है।

रेडियोवोल्टिक रूपांतरण
रेडियोवॉल्टेक (आरवी) उपकरण इयोनाइजिंग विकिरण की ऊर्जा को प्रत्यक्ष विद्युत में परिवर्तित करता है, अर्धचालक जंक्शन का उपयोग करके, जैसे कि फोटोवॉल्टेक सेल में फोटों को विद्युत में परिवर्तित करने के रूप में। जिस प्रकार की विकिरण को लक्षित किया जाता है, वे उपकरण अल्फावॉल्टेक (AV, αV), बीटावॉल्टेक (BV, βV) और/या गामावॉल्टेक (GV, γV) कहलाते हैं। बीटावॉल्टेक्स को पारंपरिक रूप से सबसे ज्यादा ध्यान मिला है क्योंकि (कम ऊर्जा वाले) बीटा उत्सर्जक सबसे कम विकिरण हानि का कारण बनते हैं, इससे एक लम्बी ऑपरेटिंग जीवन और कम शील्डिंग संभावित होता है। एल्फावॉल्टेक और (हाल ही में) गामावॉल्टेक उपकरणों में अधिक दक्षता की संभावना होने के कारण इनके प्रति रुचि हो रही है।

अल्फावोल्टिक रूपांतरण
अल्फावोल्टिक उपकरण ऊर्जावान अल्फा कणों से विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए एक 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। सामान्यतः उपयोग किया जाने वाला स्रोत हाइड्रोजन आइसोटोप ट्राईटियम 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 चिकित्सा उपकरण या सैन्य और अंतरिक्ष अनुप्रयोग।

गामावोल्टिक रूपांतरण
गामावॉल्टेक उपकरण ऊर्जाशील गामा कणों (उच्च ऊर्जा फोटॉन्स) से विद्युत उत्पन्न करने के लिए एक अर्धचालक जंक्शन का उपयोग करते हैं। इनके प्रति केवल 2010 के दशक    में ही विचार किया गया है, लेकिन इन्होंने 1981 में ही प्रस्तावित किए गए थे।

पेरोव्स्काइट सोलर सेल्स में एक गामावॉल्टेक प्रभाव की रिपोर्ट की गई है। एक अन्य पेटेंटेड डिज़ाइन गामा कण को फैलाने की बात करता है जब तक उसकी ऊर्जा कम हो जाती है ताकि उसे एक सामान्य फोटोवॉल्टेक सेल में अवशोषित किया जा सके। डायमंड और शोट्की डायोड का उपयोग करके गामावॉल्टेक डिज़ाइन का भी अन्वेषण किया जा रहा है।

रेडियोफोटोवोल्टिक (ऑप्टोइलेक्ट्रिक) रूपांतरण
रेडियोफोटोवॉल्टेक (आरपीवी) उपकरण में ऊर्जा परिवर्तन प्रत्यक्ष नहीं होता: पहले उत्सर्जित कणों को रेडियोल्यूमिनेसेंट सामग्री (सिंटिलेटर या फॉस्फोर) का उपयोग करके प्रकाश में परिवर्तित किया जाता है, और फिर प्रकाश को एक फोटोवॉल्टेक सेल का उपयोग करके विद्युत में परिवर्तित किया जाता है। प्रतिकण के प्रकार के आधार पर, परिवर्तन प्रकार को अधिक सटीक रूप से अल्फाफोटोवॉल्टेक (एपीवीया α-पीवी), बीटाफोटोवॉल्टेक (बीपीवी या β-पीवी), या गैमाफोटोवॉल्टेक (जीपीवी या γ-पीवी) के रूप में निर्दिष्ट किया जा सकता है।

रेडियोफोटोवॉल्टेक परिवर्तन को प्रदर्शन दृश्य में बढ़ाने के लिए रेडियोवॉल्टेक परिवर्तन के साथ जोड़ा जा सकता है ताकि परिवर्तन की दक्षता बढ़ सके।

पेसमेकर
मेडट्रॉनिक और अल्काटेल ने एक प्लूटोनियम-संचालित पेसमेकर, न्यूमेक NU-5, विकसित किया था, जिसे प्लूटोनियम 238 की 2.5 Ci स्लग से संचालित किया जाता था, जो कि पहली बार 1970 में एक मानव रोगी में इम्प्लांट किया गया था। 1970 के दशक में इम्प्लांट किए गए 139 न्यूमेक NU-5 नाभिकीय पेसमेकर्स की आशा है कि उन्हें कभी बदलने की आवश्यकता नहीं होगी, जो गैर-नाभिकीय पेसमेकर्स के साथ तुलना में एक फायदा है, जिनके बैटरी को हर 5 से 10 साल में शल्यक्रिय रूप से बदलने की आवश्यकता होती है। प्लूटोनियम "बैटरी" से उम्मीद है कि यह प्लूटोनियम की 88 वर्ष की आधी-जीवन की अवधि से भी अधिक समय तक सर्किट को चलाने के लिए पर्याप्त शक्ति उत्पन्न करेगी।   बीटावोल्टिक बैटरीज लीड-मुक्त पेसमेकर्स के लिए दीर्घकालिक शक्ति स्रोत के रूप में भी विचार किए जा रहे हैं।

रेडियोआइसोटोप का उपयोग किया गया
एटॉमिक बैटरीज उपयोग करती हैं रेडिओआइसोटोप्स जो कम ऊर्जा वाले बीटा कणों या कभी-कभी भिन्न ऊर्जा के अल्फा कणों को उत्पन्न करते हैं। उच्च ऊर्जा विभेदन ब्रेम्सट्राहलंग विकिरण के उत्पन्न होने को रोकने के लिए कम ऊर्जा वाले बीटा कणों की आवश्यकता होती है, जिसके लिए भारी शील्डिंग की आवश्यकता होती है। ट्रिटियम, निकेल-63, प्रोमेथियम-147, और टेक्नेशियम-99 जैसे रेडिओआइसोटोप्स का परीक्षण किया गया है। प्लूटोनियम-238, क्यूरियम-242, क्यूरियम-244 और स्ट्रॉन्शियम-90 का उपयोग किया गया है। इस्टोप की उपयोग की नाभिकीय गुणों के अलावा, रासायनिक गुणों और उपलब्धता की भी समस्याएँ होती हैं। उत्पाद जो न्यूट्रॉन इरेडिएशन द्वारा या एक पार्टिकल एक्सेलरेटर में जानबूझकर उत्पन्न किया गया है, वो खरीदना स्पेंट नाभिकीय ईंधन से निकाले जाने वाले एक विखंडन उत्पाद की तुलना में कठिन होता है।

प्लूटोनियम-238 को न्यूट्रॉन इरेडिएशन के द्वारा जानबूझकर उत्पन्न किया जाना चाहिए, लेकिन इसे आसानी से एक स्थिर प्लूटोनियम ऑक्साइड से परिवर्तित किया जा सकता है। स्ट्रॉन्शियम-90 को स्पेंट नाभिकीय ईंधन से आसानी से निकाला जा सकता है, लेकिन इसे केमिकल गतिशीलता को कम करने के लिए पेरोव्स्काइट फॉर्म स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट में परिवर्तित करना होता है, जिससे शक्ति घनत्व को आधे में कम किया जाता है। केसियम-137, एक अन्य उच्च प्रतिफलन नाभिकीय फिशन उत्पाद, एटॉमिक बैटरीज में बार-बार उपयोग किया जाने की बजाय किसी रूप में रासायनिक निष्क्रिय पदार्थों में परिवर्तित करना कठिन होता है। स्पेंट नाभिकीय ईंधन से निकाले जाने वाले केसियम-137 के एक और अवांछनीय गुण है कि इसमें दूसरे केसियम के इसोटोप्स के साथ प्रदूषित होता है, जिससे शक्ति घनत्व कम हो जाता है।

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

ये माइक्रो-बैटरी बहुत हल्की हैं और एमईएमएस उपकरणों में उपयोग के लिए विद्युत 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 सीमित होती है जिसमें प्रोसेसर 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.