סוללה גרעינית

סוללה גרעינית, סוללה אטומית, סוללת טריטיום או סוללה רדיואיזוטופית היא מתקן המנצל אנרגיה הנוצרת בתהליך דעיכה רדיואקטיבית של איזוטופ רדיואקטיבי על מנת לייצר חשמל. בדומה לכורים גרעיניים, הן מייצרות חשמל מאנרגיה גרעינית, אך הן שונות בכך שהן אינן משתמשות בתגובת שרשרת גרעינית. בהשוואה לסוללות אחרות עלות הייצור שלהן גבוהה, אך אורך חייהן ותפוקת החשמל שלהן גבוהים יותר, לכן הן משמשות בעיקר כמקור-כוח עבור ציוד ומכונות שמוכרחים לתפקד ללא השגחה ותחזוקה לאורך תקופות זמן ממושכות, כגון חלליות, קוצבי לב, מערכות הנמצאות בים או באגם מתחת לפני המים, וכן תחנות מחקר הפועלות באופן אוטומטי באזורים נידחים.
הטכנולוגיה של הסוללה הגרעינית החלה להתפתח ב-1913 כשהנרי מוזלי הציג לראשונה את סוללת הבטא , המשתמשת בחלקיקי בטא הנפלטים ממקור רדיואקטיבי בתור מקור אנרגיה.
התחום קיבל תשומת לב מחקרית מיוחדת עקב הצורך במקור אנרגיה ארוך-טווח עבור משימות בחלל בשנות ה-1950 וה-1960.
בשנת 1954 ביצעה חברת RCA מחקר על סוללה גרעינית קטנה לצורך שימוש בתוך מכשירי רדיו ומכשירי שמיעה.
מאז הניסיון הראשוני של RCA, סוגים רבים ושיטות רבות פותחו על מנת לייצר אנרגיה חשמלית ממקורות של אנרגיה גרעינית. העקרונות המדעיים אמנם כבר ידועים, אך טכנולוגיות מודרניות חדשות (כגון ננוטכנולוגיה ומוליכים למחצה בעלי פער אסור רחב) אפשרו את יצירתם של מכשירים חדשים שקודם לכן לא היו אפשריים.
סוללות המשתמשות באנרגיה של דעיכה גרעינית של רדיואיזוטופים על מנת לספק אנרגיה לתקופות ממושכות (20-10 שנים) נמצאות בפיתוח באופן בינלאומי.
שיטות ההמרה של האנרגיה הגרעינית לחשמלית ניתנות לחלוקה לשני סוגים: שיטות תרמיות ושיטות לא תרמיות. מכשירים המבוססים על שיטות תרמיות (שתפוקת החשמל בהם מבוססת על ניצול הבדלי טמפרטורה) כוללים גנרטורים תרמואלקטריים ותרמויוניים. מכשירים המבוססים על שיטות לא תרמיות מפיקים חלק מהאנרגיה בזמן ששאר האנרגיה הופכת לאנרגיה תרמית, במקום להשתמש באנרגיה התרמית עצמה. היעילות של סוללות גרעיניות היא בדרך כלל בתחום 5%-0.1%, וסוללות בטא יעילות יכול להגיע ליעילות של 8%-6%.

איזוטופים שנעשה בהם שימוש

סוללות גרעיניות משתמשות ברדיואיזוטופים המייצרים חלקיקי בטא בעלי אנרגיה נמוכה או חלקיקי אלפא בטווח אנרגיות רחב. השימוש דווקא ברדיואיזוטופים המייצרים חלקיקי בטא בעלי אנרגיה נמוכה נועד למנוע היווצרות של קרינת בלימה אשר תצריך מיגון כבד. ברדיואיזוטופים טריטיום, פלוטוניום-238, קוריום-242, קוריום-244 וסטרונציום-90 כבר נעשה שימוש בפועל בסוללות גרעיניות. ברדיואיזוטופים ניקל-63, פרומתיום-147, טכנציום-99 ועוד כבר נעשו ניסויים לגבי האפשרות לעשות בהם שימוש בסוללות.

סוללה גרעינית תרמויונית

סוללה גרעינית תרמויונית מורכבת מאלקטרודה לוהטת אשר פולטת אלקטרונים באופן תרמויוני אל מעבר למחסום פוטנציאל, אלקטרונים אשר נקלטים על ידי אלקטרודה קרה, וכך נוצרת אנרגיה אותה ניתן לנצל. אדי צסיום משמשים על מנת לשפר את פונקציית העבודה של האלקטרודה, ולדאוג לאספקת יונים (על ידי יוניזציה תרמית ) על מנת לנטרל את המטען המרחבי.

תאים תרמופוטו-וולטאיים

תא תרמופוטו-וולטאי פועל על פי אותו העיקרון לפיו פועל תא פוטו-וולטאי, למעט שהוא ממיר אנרגיה אינפרא-אדומה (במקום אור נראה) הנפלטת על ידי מקור חום, לחשמל. לתאים תרמופוטו-וולטאיים יש יעילות  גבוהה מעט יותר משל צמדים תרמיים, וניתן לכסות אותם בצמדים תרמיים, מה שמאפשר פוטנציאלית להכפיל את היעילות של התאים. באוניברסיטת יוסטון מתבצע מחקר מתמשך על מנת לשלב תאים תרמופוטו-וולטאיים עם צמדים תרמיים על מנת לספק יעילות גבוהה פי 3 או פי 4 לעומת גנרטור רדיואיזוטופי תרמואלקטרי.

גנרטור סטרלינג רדיואיזוטופי

גנרטור סטרלינג רדיואיזוטופי הוא מנוע סטרלינג המונע על ידי הפרשי טמפרטורות הנוצרות על ידי יחידת חימום רדיואיזוטופית . גרסה מתקדמת יותר של הגנרטור הייתה בפיתוח של נאס"א, אך תוכנית הפיתוח בוטלה ב-2013 עקב חריגות גדולות מהתקציב.

סוללות גרעיניות לא תרמיות

ממירים לא-תרמיים מפיקים חלק מהאנרגיה הגרעינית בזמן שהיא הופכת לחום. התפוקה שלהם אינה פונקציה של הפרשי טמפרטורה.

גנרטור טעינה ישירה

הגנרטור מורכב מקבל הנטען על ידי הזרם של החלקיקים הטעונים המגיעים משכבה רדיואקטיבית הממוקמת על אחת האלקטרודות. התווך בין האלקטרודות יכול להיות ריק או חומר דיאלקטרי. החלקיקים הטעונים עשויים להיות חלקיקי בטא הטעונים במטען שלילי, חלקיקי אלפא הטעונים במטען חיובי, פוזיטרונים או תוצרי ביקוע גרעיני.
על אף שצורה זו של גנרטור גרעיני-חשמלי הומצא כבר בשנת 1913, מעט מאוד שימושים נמצאו לו בעבר, כיוון שהוא יוצר זרם מאוד חלש וגם מתח מאוד חזק. ממירי זרם ישר ממותגים משמשים להורדת המתח והגדלת הזרם, ומהפכים משמשים להמרת זרם החילופין לזרם ישר.
הפיזיקאי האנגלי הנרי מוזלי היה הראשון שייצר גנרטור מסוג זה. המכשיר של מוזלי היה בנוי מכדור זכוכית המצופה בכסף מבפנים, עם פולט רדיום הממוקם בקצה התיל הממוקם במרכז הכדור. החלקיקים הטעונים מהרדיום יצרו זרם חשמלי בשעה שהם נעו מהרדיום אל הציפוי הפנימי של הכדור. החל משנת 1945 המודל שבנה מוזלי שימש בסיס למאמצים אחרים לבנות סוללות נסיוניות המפיקות חשמל מפליטת חלקיקים מיסודות רדיואקטיביים.

סוללת בטא

סוללת בטא משתמשת באנרגיה המופקת ממקור רדיואקטיבי הפולט חלקיקי בטא (אלקטרונים). מקור רדיואקטיבי הנמצא בשימוש נפוץ בסוללות מסוג זה, הוא האיזוטופ הרדיואקטיבי של מימן: טריטיום. בניגוד לרוב מקורות האנרגיה הגרעיניים, המשתמשים בקרינה גרעינית על מנת לייצר חום, אשר לאחר מכן מומר לחשמל, סוללת בטא משתמשת בתהליך שאינו משתמש בחום, באמצעות צומת p-n  של מוליכים למחצה.
סוללות בטא מתאימות במיוחד עבור יישומים הדורשים תפוקת אנרגיה נמוכה יחד עם משך חיים ארוך של מקור האנרגיה, כמו קוצבי לב, שימושים צבאיים ומשימות בחלל.

סוללת אלפא

סוללת אלפא דומה במהותה לסוללת בטא - גם היא משתמשת בצומת p-n של מוליכים למחצה, אך היא שונה בכך שהיא משתמשת בחלקיקי אלפא במקום בחלקיקי בטא.

סוללה גרעינית אופטואלקטרית

סוללה גרעינית אופטואלקטרית הוצע על ידי מוסד קורצ'טוב שבמוסקבה. רדיואיזוטופ הפולט חלקיקי בטא (כמו טכנציום-99) גורם לערבוב של אקסימר , והאור הנפלט כתוצאה מכך מספק אנרגיה לתא סולרי. הסוללה תהיה בנויה מתערובת אקסימר של ארגון וקסנון במתקן לחץ עם משטח פנימי מחזיר-אור, טכנציום-99 המפוזר בקפידה, ומכשיר המנתב אולטרה סאונד לסרוגין, כך שהתא הסולרי יואר על ידי אור עם פער אנרגיה המתאים במיוחד עבור האקסימר. היתרון במבנה זה הוא שאין צורך למקם אלקטרודות בצורה מדויקת, וכן עקב הפיזור של החומר הרדיואקטיבי, רוב חלקיקי הבטא יצליחו לברוח מתוך גושי החומר הרדיואקטיבי ולתרום לתפוקת הסוללה.

סוללה גרעינית אלקטרומכנית

סוללות גרעיניות אלקטרומכניות משתמשות במתח הנוצר בין שני לוחות על מנת לעקם לוח אחד כנגד השני, עד ששני הלוחות נפגשים, המתח שביניהם נפרק, ואז הלוחות חוזרים למקומם. התנועה המכנית שנוצרת בשיטה זו יכולה לשמש לייצור חשמל על ידי שינוי צורתם של חומרים פיאזואלקטריים או על ידי גנרטור ליניארי.