Brevet FR3052292A1 — publié le 20171208

- 1 - "Dispositif Bétavoltaique avec transformateur" Introduction La présente invention concerne un dispositif pour produire de l'électricité à partir d'une sourde radioactive émetteur de rayonnement béta connu sous la dénomination "Bêtavoltaîque". Un générateur bêtavoltaïque est un générateur électrique qui tire son énergie d'une émission radioactive de particules [3-, c'est-à-dire des électrons. Contrairement à la plupart des sources nucléaires, qui utilisent une réaction nucléaire pour générer l'énergie qui sera transformée en électricité (thermoélectrique et ionique), les bêtavoltaïques reposent sur un processus de transformation non- thermique. Ce sont des dispositifs produisant très peu d'énergie (des nanowhats, c'est-à-dire de l'ordre de 10-9W). Leur force électromotrice provient des électrons produits par les réactions de désintégration [3-, la puissance électrique fournie étant directement fonction de l'intensité de la désintégration radioactive et de l'énergie de désintégration à l'oeuvre dans ces composants. Plusieurs avantages potentiels sont mis en avant pour justifier les recherches dans cette direction : -la transformation nucléaire n'est pas exothermique, contrairement aux réactions 20 chimiques des piles classiques, -Une pile bêtavoltaïque en fin de vie ne contient aucun élément nocif, contrairement aux métaux lourds ou non-recyclable contenu dans les piles ordinairesz, -Les particules [3- utilisées libèrent une faible quantité d'énergie et sont facilement isolées. 25 Rappels historiques L'utilisation des électrons émis par le rayonnement [3- de certains radionucléides comme générateur électrique a été proposée dès 1950. En 1953, Paul Rappaport a décrit un générateur bétavoltaïque utilsant le 90Sr30 90Y comme source. Le faible rendement de 0,2 % et la rapide dégradation de la cellule, dû au rayonnement ont provoqué l'abandon de ce projet. En 1968-74, Larry Olsen des laboratoires Douglas a développé une cellule bétavoltaïque utilisant une source de 147Pm, destinée à alimenter des stimulateurs cardiaques. Cette cellule avait une demi-vie de 2,7 ans et fournissait au maximum, 0,4 35 mW. En 2005, Wei Sun et al. (Adv. Mater. 2005, 17, 1230-1233) publient l'utilisation de silicium poreux (p-n diode) dans les cellules bétavoltaïques. Avec 3,7 1010 Bq (1 Ci ) 3052292 - 2 de 3H, ils obtiennent 10 ILIA sous 7 mV, soit 70 nW/Ci). En 2010, Chandrashekhar et al. Déposent un brevet (US 7,663,288 B2, Feb. 16, 2010) décrivant l'utilisation d'un substrat semi-conducteur recevant le rayonnement béta 5 d'une source radioactive. En 2012, Da-Rang et al. Publient dans Chin. Phys. Lett. Vol 29 (2012) 078102, un article intitulé: "Betavoltaic Batterie Conversion Efficiency lmprovement Based on Interlayer Structures". Ils utilisent le 63Ni comme source et un substrat GaAs avec des jonctions PIN et P+PINN+. Avec une radioactivité de 3,33.109 Bq (90 mCi), ils obtiennent 10 de l'ordre de 1 nW (3 nA sous 300 mV), soit 11 nW/Ci. Description de l'invention. Les électrons émis par un radioélément émetteur p- sont émis avec une forte énergie, généralement supérieure à 10 kV (63Ni: 65,9 kV), c'est-à-dire que, collectés sur 15 des plaques métalliques formant un condensateur, les électrons émis par le 63Ni peuvent amener la charge de ce condensateur à 65,9 kV au maximum. Par contre, l'intensité du courant d'électron émis est très faible. Un émetteur comme le 63Ni (100%) produit un courant de seulement 3,37.10-7 A/g. Au maximum, donc, le 63Ni (100%) produirait une puissance de 65,9*3,37*103*10-7 = 2,22.10-2 W/g. Sachant que 1 g de 63Ni a une activité massique de 2,1.1012 Bq/g (des/s/g) ou encore de 57 Ci/g, la puissance théorique maximum s'établit à 389 pW/Ci. Pour transformer la tension élevée générée par l'émission du rayonnement f3, en énergie utilisable, basse tension, nous proposons d'utiliser une cellule collectrice des électrons 13-, associée à un transformateur Haute tension-Base tension et une diode semi conductrice, selon le schéma ci-dessous: 35 Feuilles -"' émetteur [3 1 Métal collecteur électrique Métal collecteur électrique Cionstruur n H r M de moins de 5 micrr ire d'épaisseur - n+1 métal conducteur électo. . ou AI) s im u moins 3 mm et au p 11: - Plu dans une enceinte confinée (sous ar I mieux sous vide, Con' de deux bobines avec âme en -rrite, constituant un transformateur, avec un rapport du nombre de spires compris entre 1.000 et 100000. Et d'une diode r conductrice du courant Cellule de collection des électronsl3 Cellule Enceinte de Transformateur confinement Haute tension/Basse tension REVENDICATIONS.1) Un système transformateur HT/BT-diode, relié par le biais d'un contacteur à un générateur de courant constitué d'un système de feuilles d'un isotope radioactif de type béta intercalées entre des feuilles de métal conducteur, formant un condensateur. 2) L'isotope radioactif décrit dans la revendication est choisi parmi les émetteurs bêta à longue période comme 3", 147Pm, 63Ni, 90Sr ou 238Pu, il peut avantageusement 10 être le 63Ni. 3) Le contacteur du système décrit dans la revendication 1) peut être un éclateur, dont les électrodes sont séparées l'une de l'autre par un espace réglable de façon à obtenir la décharge du condensateur à la tension désirée. 4) L'éclateur de la revendication 2) peut être rempli d'un gaz ionisable facilitant 15 le passage des électrons. 5) Le contacteur décrit dans la revendication 1) peut être un thyristor. 20 25 30 35 3052292 5 - 4 Exemple de réalisation 1 Un condensateur Cl de 1 nF est relié à un générateur de courant continu haute tension (HT), calé à 6000 V pendant 1 s Le condensateur se charge de 6,7 10-6 Cb Rappel: cette charge correspond à la quantité d'électrons 13 produite par 1 g de 63M en 20 secondes.. 15 20 \ Contacteur -- Transformateur La sortie de la diode semi-conductrice du transformateur est reliée à un condensateur C2 de stockage de 4,7 mF et à une résistance passive R de décharge de 1100 Ohm Au temps t=2 s, on met en contact le condensateur Cl avec le transformateur. Le condensateur Cl se décharge dans le transformateur et charge le condensateur C2 qui se décharge avec le temps à travers la résistance R Au temps t= 20 s, on ouvre le contacteur et on relie le condensateur Cl à la source haute tension pendant 1 s. Le condensateur Cl se charge de 6,7 10-6 Cb puis on le re e au transformateur par le contacteur. Le condensateur C2 se charge et se décharge avec le temps à travers la résistance R Le cycle décharge de Cl, charge de C2-décharge est reproduit toute les 20 s et on obtient les résultats ci-dessous 25 Temps (s) 35 On a une tension moyenne de 150 mV et un courant moyen de 0,1 mA Soit 15 uW/g 63Ni Ou encore 264 nW/Ci O 0 100 150 50 80 eo 40 250 200 30 50 0 160 120 3052292 - 5 5 Exemple de réalisation envisagée avec le 63Ni comme radioisotope 10 20 25 1 feuille de c'3Ni de 1 prn d'épaisseur et de 146 mmX146 mm Masse totale de 63N 0,01 g, activité totale: 4.1011Bq 2 feuilles de Al de 0,1 mm d'épaisseur et de 150 mmX150 mm Empilées avec un espace de 5 mm entre les feuilles Les feuilles de Al sont reliées électriquement Les feuilles de Ni sont reliées électriquement Un éclateur haute tension (écart entre les bornes tel que l'étincelle se produit lorsque la tension atteint 6000 V) est placé en sortie du collecteur électrique des feuilles de Ni. L'éclateur est relié au transformateur 1/1000 La sortie de la diode semi-conductrice du transformateur est reliée à un condensateur C de stockage de 4,7 mF et à une résistance passive R de décharge de 1100 Ohm Les électrons (3 émis par le 62Ni sont collectés par les feu les de Al qui se chargent négativement. Les feuilles de Ni se charges positivement Au temps t=0, l'étincelle se produit La cellule de collection des électrons se décharge dans le transformateur et charge le condensateur C qui se décharge avec le temps à travers la résistance R Pendant ce temps, la cellule collecteur d'électrons se recharge, et l'étincelle se produit. La cellule de collection des électrons se décharge dans le transformateur et charge le condensateur C qui se décharge avec le temps à travers la résistance R Le cycle étincelle, décharge du collecteur, charge de C-charge du collecteur se reproduit et on obtient les résultats ci-dessous 30 On a une tension moyenne de 100 mV et un courant moyen de 20 j_EA Soit 2 Ou encore 185 nW/Ci 35 3052292 -6 -