बीटावोल्टिक उपकरण: Difference between revisions

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This article is about ऐसे उपकरण जो सीधे बीटा कणों से बिजली उत्पन्न करते हैं. For वे उपकरण जो फोटोकेल्स का उपयोग करते हैं, see ऑप्टोइलेक्ट्रिक परमाणु बैटरी.

बीटावोल्टिक उपकरण (बीटावोल्टिक सेल या बीटावोल्टिक बैटरी) एक प्रकार की परमाणु बैटरी है जो अर्धचालक जंक्शन का उपयोग करके रेडियोधर्मी स्रोत से उत्सर्जित बीटा कण (इलेक्ट्रॉन) से विद्युत प्रवाह उत्पन्न करती है। उपयोग किया जाने वाला सामान्य स्रोत हाइड्रोजन आइसोटोप ट्रिटियम है। रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के विपरीत, जो गर्मी उत्पन्न करने के लिए परमाणु विकिरण का उपयोग करता है और फिर बिजली उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है, इस प्रकार बीटावोल्टिक उपकरण गैर-थर्मल रूपांतरण प्रक्रिया का उपयोग करते हैं, जो अर्धचालक को पार करने वाले बीटा कणों के आयनीकरण निशान द्वारा उत्पादित इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्म को परिवर्तित करते हैं।[1]

बीटावोल्टिक पावर स्रोत (और परमाणु बैटरी अल्फावोल्टिक रूपांतरण पावर स्रोतों की संबंधित तकनीक[2]) विशेष रूप से कम-शक्ति वाले विद्युत अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं जहां ऊर्जा स्रोत की दीर्घ जीवन की आवश्यकता होती है, जैसे कि प्रत्यारोपण योग्य चिकित्सा उपकरण या सैन्य और बाहरी अंतरिक्ष अनुप्रयोग का प्रयोग किया जाता है।[1]

इतिहास

बीटावोल्टिक्स का आविष्कार 1970 के दशक में हुआ था।[3] इस प्रकार 1970 के दशक में कुछ पेसमेकर्स पर आधारित बीटावोल्टिक्स का उपयोग करते थे,[4] किन्तु सस्ती लिथियम बैटरियां विकसित होने के कारण इन्हें चरणबद्ध विधि से समाप्त कर दिया गया था।[1]

प्रारंभिक अर्धचालक पदार्थ बीटा क्षय से इलेक्ट्रॉनों को उपयोग योग्य धारा में परिवर्तित करने में कुशल नहीं थीं, इसलिए उच्च ऊर्जा, अधिक महंगे और संभावित रूप से खतरनाक आइसोटोप का उपयोग किया गया था। आज अधिक कुशल अर्धचालक पदार्थ का उपयोग किया जाता है [5] ट्रिटियम जैसे अपेक्षाकृत सौम्य आइसोटोप के साथ जोड़ा जा सकता है, जो कम विकिरण उत्पन्न करते हैं।[1]

बीटासेल को पहली सफलतापूर्वक व्यावसायीकृत बीटावोल्टिक बैटरी माना जाता था।

प्रस्ताव

बीटावोल्टेइक का प्राथमिक उपयोग दूरस्थ और दीर्घकालिक उपयोग के लिए है, जैसे अंतरिक्षयान को या दो दशक तक विद्युत शक्ति की आवश्यकता होती है। वर्तमान प्रगति ने कुछ लोगों को सेल फोन और लैपटॉप कंप्यूटर जैसे उपभोक्ता उपकरणों में चार्जिग होना ट्रिकल-चार्ज पारंपरिक बैटरियों के लिए बीटावोल्टिक्स का उपयोग करने का सुझाव देने के लिए प्रेरित किया है।[6] 1973 की प्रारंभ में, कृत्रिम पेसमेकर जैसे दीर्घकालिक चिकित्सा उपकरणों में उपयोग के लिए बीटावोल्टिक्स का सुझाव दिया गया था।[4]

2018 में 10 माइक्रोन हीरे की परतों के बीच 2-माइक्रोन मोटी निकल -63 स्लैब पर आधारित एक रूसी डिजाइन प्रस्तुत किया गया था। इसने 10 μW/cm3 के पावर घनत्व पर लगभग 1 μW का पावर आउटपुट उत्पन्न किया था। इसका ऊर्जा घनत्व 3.3 kWh/kg था। निकेल-63 का आधा जीवन 100 वर्ष है।[7][8][9]

इस प्रकार वर्तमान के कार्य ने शुक्र की सतह जैसे 733 K (460 °C; 860 °F) से उच्च तापमान वाले वातावरण में बीटावोल्टिक उपकरणों की व्यवहार्यता का संकेत दिया है।[10]

कमियाँ

जैसे ही रेडियोधर्मी पदार्थ उत्सर्जित होता है, इसकी गतिविधि धीरे-धीरे कम हो जाती है (अर्ध-जीवन देखें)। इस प्रकार, समय के साथ बीटावोल्टिक उपकरण कम बिजली प्रदान करता है। व्यावहारिक उपकरणों के लिए, यह कमी कई वर्षों की अवधि में होती है। ट्रिटियम उपकरणों के लिए, आधा जीवन 12.32 वर्ष है। डिवाइस डिज़ाइन में, किसी को इस बात का ध्यान रखना चाहिए कि जीवन के अंत में बैटरी की किन विशेषताओं की आवश्यकता है, और यह सुनिश्चित करें कि जीवन की प्रारंभ के गुण वांछित उपयोग योग्य जीवनकाल को ध्यान में रखते हैं।

विपत्ति मूल्यांकन और उत्पाद विकास में पर्यावरणीय कानूनों और ट्रिटियम और इसके बीटा क्षय के मानव कठिन परिस्थिति से जुड़े दायित्व को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए। सामान्यतः, इससे बाज़ार में पहुँचने में लगने वाला समय और ट्रिटियम से जुड़ी पहले से ही उच्च निवेश दोनों बढ़ जाती है। यूके सरकार की स्वास्थ्य सुरक्षा एजेंसी एडवाइजरी ग्रुप ऑन आयोनाइजिंग रेडिएशन की 2007 की रिपोर्ट में ट्रिटियम एक्सपोज़र के स्वास्थ्य विपत्ति को स्वीडन में स्थित रेडियोलॉजिकल प्रोटेक्शन पर अंतर्राष्ट्रीय आयोग द्वारा पहले से निर्धारित विपत्ति से दोगुना बताया गया है।[11]

चूंकि रेडियोधर्मी क्षय को सरलता से रोका, तेज़ या धीमा नहीं किया जा सकता है, इसलिए बैटरी को बंद करने या उसके पावर आउटपुट को नियंत्रित करने की कोई विधि नहीं है। कुछ अनुप्रयोगों के लिए यह अप्रासंगिक है, किन्तु दूसरों को ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए बैकअप रासायनिक बैटरी की आवश्यकता होती है इस प्रकार जब इसकी आवश्यकता नहीं होती है तो इससे उच्च शक्ति घनत्व का लाभ कम हो जाता है।

उपलब्धता

बीटावोल्टिक परमाणु बैटरियां व्यावसायिक रूप से खरीदी जा सकती हैं। इस प्रकार उपलब्ध उपकरणों में 20 ग्राम वजन वाला 100 μW ट्रिटियम-संचालित उपकरण सम्मिलित है।[12][13]

सुरक्षा

यद्यपि बीटावोल्टिक्स रेडियोधर्मी पदार्थ को शक्ति स्रोत के रूप में उपयोग करते हैं, किन्तु उपयोग किए जाने वाले बीटा कण कम ऊर्जा वाले होते हैं और कुछ मिलीमीटर के परिरक्षण द्वारा सरलता से रोक दिए जाते हैं। उचित उपकरण निर्माण (अर्थात, उचित परिरक्षण और रोकथाम) के साथ, बीटावोल्टिक उपकरण खतरनाक विकिरण उत्सर्जित नहीं करता है। संलग्न पदार्थ के रिसाव से स्वास्थ्य कठिन परिस्थिति उत्पन्न हो सकता है, जैसे अन्य प्रकार की बैटरियों (जैसे लिथियम, कैडमियम और सीसा) में पदार्थ के रिसाव से महत्वपूर्ण स्वास्थ्य और पर्यावरणीय चिंताएँ उत्पन्न होती हैं।[14] इस प्रकार उपयोग किए गए रेडियोआइसोटोप को रासायनिक रूप से निष्क्रिय और यांत्रिक रूप से स्थिर रूप में परिवर्तित करके सुरक्षा को और बढ़ाया जा सकता है, जिससे रिसाव की स्थिति में फैलाव या जैव संचय का कठिन परिस्थिति कम हो जाता है।

दक्षता

रेडियोआइसोटोप की उच्च शक्ति घनत्व और बीटावोल्टिक्स के कई अनुप्रयोगों में अन्य सभी से ऊपर विश्वसनीयता की आवश्यकता के कारण, तुलनात्मक रूप से कम दक्षता स्वीकार्य है। वर्तमान तकनीक बीटा कण इनपुट से बिजली उत्पादन तक ऊर्जा रूपांतरण दक्षता के एकल अंक प्रतिशत की अनुमति देती है, किन्तु उच्च दक्षता पर प्रयोग जारी है।[15][16] इस प्रकार तुलनात्मक रूप से 30% की सीमा में थर्मल दक्षता नए बड़े पैमाने के थर्मल पावर प्लांटों के लिए अपेक्षाकृत कम मानी जाती है और उन्नत संयुक्त चक्र बिजली संयंत्र 60% और अधिक दक्षता प्राप्त करते हैं यदि प्रति ताप इनपुट बिजली उत्पादन द्वारा मापा जाता है।[17] यदि बीटावोल्टिक उपकरण रेडियोआइसोटोप हीटर इकाई के रूप में दोगुना हो जाता है तो यह वास्तव में सह-उत्पादन संयंत्र है और बहुत अधिक कुल क्षमता प्राप्त करता है क्योंकि अधिकांश अपशिष्ट ताप का उपयोग उपयोगी उद्देश्यों के लिए किया जाता है। इस प्रकार फोटोवोल्टिक के समान, शॉक्ले-क्विसर सीमा भी एकल बैंडगैप बीटावोल्टिक डिवाइस के लिए पूर्ण सीमा लगाती है।[18]

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 Katherine Bourzac (2009-11-17). "A 25-Year Battery: Long-lived nuclear batteries powered by hydrogen isotopes are in testing for military applications". Technology Review. MIT. Archived from the original on 2012-01-19.
  2. ↑ NASA Glenn Research Center, Alpha- and Beta-voltaics Archived 2011-10-18 at the Wayback Machine (accessed Oct. 4, 2011)
  3. ↑ "परमाणु बैटरी प्रौद्योगिकी की समीक्षा और पूर्वावलोकन". large.stanford.edu. Retrieved 2018-09-30.
  4. ↑ 4.0 4.1 Olsen, L.C. (December 1973). "बीटावोल्टिक ऊर्जा रूपांतरण". Energy Conversion. Elsevier Ltd. 13 (4): 117–124, IN1, 125–127. doi:10.1016/0013-7480(73)90010-7.
  5. ↑ Maximenko, Sergey I.; Moore, Jim E.; Affouda, Chaffra A.; Jenkins, Phillip P. (December 2019). "Optimal Semiconductors for 3H and 63Ni Betavoltaics". Scientific Reports. 9 (1): 10892. Bibcode:2019NatSR...910892M. doi:10.1038/s41598-019-47371-6. ISSN 2045-2322. PMC 6659775. PMID 31350532.
  6. ↑ "बतावोल्टैक.सीओ.ुक". Retrieved 21 February 2016.
  7. ↑ Bormashov, V.S.; Troschiev, S.Yu.; Tarelkin, S.A.; Volkov, A.P.; Teteruk, D.V.; Golovanov, A.V.; Kuznetsov, M.S.; Kornilov, N.V.; Terentiev, S.A.; Blank, V.D. (April 2018). "डायमंड शोट्की डायोड पर आधारित उच्च शक्ति घनत्व परमाणु बैटरी प्रोटोटाइप". Diamond and Related Materials. 84: 41–47. Bibcode:2018DRM....84...41B. doi:10.1016/j.diamond.2018.03.006.
  8. ↑ "प्रोटोटाइप परमाणु बैटरी 10 गुना अधिक शक्ति पैक करती है". Moscow Institute of Physics and Technology (in English). Retrieved 2020-09-01.
  9. ↑ Irving, Michael (June 3, 2018). "रूसी वैज्ञानिक परमाणु बैटरी प्रोटोटाइप में अधिक शक्ति पैक करते हैं". newatlas.com. Retrieved 2018-06-14.
  10. ↑ O’Connor, Andrew; Manuel, Michele V.; Shaw, Harry (November 2019). "बीटावोल्टिक विद्युत उत्पादन के लिए एक विस्तारित-तापमान, वॉल्यूमेट्रिक स्रोत मॉडल". Transactions of the American Nuclear Society. 121: 542–545. doi:10.13182/T30591. PMC 8269951. PMID 34248155.
  11. ↑ Edwards, Rob (29 November 2007). "ट्रिटियम खतरे की रेटिंग 'दोगुनी की जानी चाहिए'". NewScientist.
  12. ↑ "NanoTritiumTM Betavoltaic P200 Series Specifications" (in English). 2018. Retrieved 2020-09-01.
  13. ↑ "Commercially-available NanoTritium battery can power microelectronics for 20+ years". New Atlas (in English). 2012-08-16. Retrieved 2020-09-01.
  14. ↑ Maher, George (October 1991). "बैटरी मूल बातें". County Commissions, North Dakota State University and U.S. Department of Agriculture. North Dakota State University. Retrieved August 29, 2011.
  15. ↑ "Betavoltaic Devices".
  16. ↑ Sachenko, A. V.; Shkrebtii, A. I.; Korkishko, R. M.; Kostylyov, V. P.; Kulish, M. R.; Sokolovskyi, I. O. (1 September 2015). "बीटावोल्टिक तत्वों का दक्षता विश्लेषण". Solid-State Electronics. 111: 147–152. arXiv:1412.7826. Bibcode:2015SSEle.111..147S. doi:10.1016/j.sse.2015.05.042. S2CID 94359293.
  17. ↑ "The Most Efficient Thermal Power Generation Plants in America".
  18. ↑ Maximenko, Sergey I.; Moore, Jim E.; Affouda, Chaffra A.; Jenkins, Phillip P. (26 July 2019). "Optimal Semiconductors for 3H and 63Ni Betavoltaics". Scientific Reports. 9 (1): 10892. Bibcode:2019NatSR...910892M. doi:10.1038/s41598-019-47371-6. PMC 6659775. PMID 31350532.

बाहरी संबंध

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