Алмазная батарея

Алмазная батарея — это название концепции ядерной батареи, предложенной Институтом Кабота Бристольского университета во время их ежегодной лекции[1], состоявшейся 25 ноября 2016 года в Мемориальном здании Уиллса. Предполагается, что эта батарея работает на радиоактивных отходах графитовых блоков (ранее использовавшихся в качестве замедлителя нейтронов в реакторах с графитовым замедлителем) и будет вырабатывать небольшое количество электроэнергии в течение тысяч лет.

Батарея представляет собой радиоизотопный источник энергии работающей по принципу атомного полупроводникового элемента, использующий алмазоподобное покрытие из углерода-14 (14C) в качестве источника бета-излучения и дополнительное такое же покрытие с нормальным углеродом для создания необходимого полупроводникового перехода и инкапсуляции углерода-14[2].

ПрототипыПравить

В настоящее время ни один известный прототип не использует 14C в качестве источника, однако есть некоторые прототипы, в которых никель-63 (63Ni) используется в качестве источника с алмазными полупроводниками для преобразования энергии[3], которые рассматриваются как ступенька к возможному прототипу алмазной батареи 14C.

Прототип Бристольского университетаПравить

В 2016 году исследователи из Бристольского университета заявили, что сконструировали один из этих прототипов с 63Ni, однако никаких доказательств не предъявили[4]. Подробная информация о характеристиках этого прототипа была предоставлена, однако они не являются согласованными, противоречат другим деталям, а цифры производительности превышают теоретические значения на несколько порядков[5].

Прототип Московского физико-технического институтаПравить

В 2018 году исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ), Технологического института сверхтвёрдых и новых углеродных материалов и Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» объявили о создании прототипа с использованием слоёв 63Ni толщиной 2 микрона, помещённые между 200 10-микронными алмазными преобразователями. Он выдавал мощность около 1 мкВт при объёмной плотности мощности 10 мкВт/см3, при этих значениях его удельная энергия была бы примерно 3,3 Вт⋅ч/г за период полураспада 100 лет, что примерно в 10 раз больше, чем у обычных электрохимических батарей[6]. Это исследование было опубликовано в апреле 2018 года в журнале Diamond and Related Materials[7].

Углерод-14Править

Исследователи пытаются повысить эффективность и сосредотачиваются на использовании радиоактивного 14C, который вносит второстепенный вклад в радиоактивность ядерных отходов[4].

14C подвергается бета-распаду, при котором он испускает бета-частицу (электрон) с низкой энергией, превращаясь в азот-14, который является стабильным (не радиоактивным)[8]:

 

Эти бета-частицы, имеющие среднюю энергию 50 кэВ, подвергаются неупругим столкновениям с другими атомами углерода, создавая электронно-дырочные пары, которые затем вносят вклад в электрический ток. Это можно переформулировать с точки зрения зонной теории, сказав, что из-за высокой энергии бета-частиц электроны в валентной зоне углерода перескакивают в зону проводимости, оставляя дырки в валентной зоне, где электроны ранее присутствовали[9][5].

Предлагаемое производствоПравить

В реакторах с графитовым замедлителем стержни из делящегося урана размещаются внутри графитовых блоков. Эти блоки действуют как замедлитель нейтронов, предназначенный для замедления быстро движущихся нейтронов, так что ядерные цепные реакции могут происходить с тепловыми нейтронами. Во время их использования некоторые из нерадиоактивных изотопов углерода-12 и углерода-13 в графите превращаются в радиоактивный 14C за счет захвата нейтронов[10]. При выводе станции из эксплуатации её графитовые блоки классифицируют по наведенной радиоактивности как низкоактивные отходы требующие безопасной утилизации.

Исследователи из Бристольского университета продемонстрировали, что большое количество радиоактивного 14C сосредоточено на внутренних стенках графитовых блоков. В связи с этим они предлагают, чтобы большая его часть могла быть эффективно удалена из блоков. Это можно сделать, нагревая их до точки сублимации 3915 K (3642 °C), при которой углерод высвобождается в газообразной форме. После этого блоки станут менее радиоактивными и, возможно, их будет легче утилизировать, так как большая часть радиоактивного 14C будет извлечена[11].

Эти исследователи предполагают, что этот газ 14C может быть собран и использован для производства искусственных алмазов с помощью процесса, известного как химическое осаждение из газовой фазы с использованием низкого давления и повышенной температуры, отмечая, что этот алмаз будет в виде покрытия на поверхности какой-либо подложки, а не алмазом стереотипной огранки. Полученный в результате алмаз, сделанный из радиоактивного 14C, по-прежнему будет производить бета-излучение, которое, как утверждают исследователи, позволит использовать его в качестве источника электрического тока. Исследователи также утверждают, что этот алмаз будет зажат между нерадиоактивными искусственными алмазами из 12C, которые будут блокировать излучение от источника, а также будут использоваться для преобразования энергии в качестве алмазного полупроводника вместо обычных кремниевых полупроводников[11].

Возможные примененияПравить

За счёт очень низкой удельной мощности, эффективности преобразования и высокой стоимости он очень похож на другие существующие ядерные батареи с использованием бета-распада, которые подходят для нишевых приложений, требующих очень небольшой мощности (микроватт) в течение нескольких лет в ситуациях, когда обычные батареи невозможно заменить или перезарядить обычными способами[11][2]. Из-за более длительного периода полураспада 14C такие батареи могут иметь преимущество в сроке службы по сравнению с другими, использующими тритий или никель, однако это, вероятно, будет происходить за счет дальнейшего снижения объёмной плотности мощности.

ПримечанияПравить

  1. University of Bristol. 2016: Annual lecture 2016 | Cabot Institute for the Environment | University of Bristol (англ.). www.bristol.ac.uk. Дата обращения: 25 сентября 2020.
  2. 1 2 Glenn McDonald. Nuclear Waste and Diamonds Make Batteries That Last 5,000 Years. Seeker. Дата обращения: 25 сентября 2020.
  3. Выпуск никеля-63 для атомных батареек начнется в 2020-2023 гг. Атомная энергия 2.0 (26 июня 2017). Дата обращения: 25 сентября 2020.
  4. 1 2 Scientists turn nuclear waste into diamond batteries that last virtually forever (англ.). Дата обращения: 25 сентября 2020.
  5. 1 2 Steve Bush. Updated: Diamond nuclear battery could generate 100μW for 5,000 years (англ.). Electronics Weekly (2 декабря 2016). Дата обращения: 25 сентября 2020.
  6. Prototype nuclear battery packs 10 times more power (англ.). mipt.ru. Дата обращения: 25 сентября 2020.
  7. V. S. Bormashov, S. Yu. Troschiev, S. A. Tarelkin, A. P. Volkov, D. V. Teteruk. High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes (англ.) // Diamond and Related Materials. — 2018-04-01. — Vol. 84. — P. 41–47. — ISSN 0925-9635. — doi:10.1016/j.diamond.2018.03.006.
  8. 20.2: Nuclear Reactions (англ.). Chemistry LibreTexts (26 ноября 2013). Дата обращения: 25 сентября 2020.
  9. Flash Physics: Nuclear diamond battery, M G K Menon dies, four new elements named (англ.). PhysicsWorld (30 ноября 2016). Дата обращения: 25 сентября 2020.
  10. James Conca. Radioactive Diamond Batteries: Making Good Use Of Nuclear Waste (англ.). Forbes. Дата обращения: 25 сентября 2020.
  11. 1 2 3 University of Bristol. November: diamond-power | News and features | University of Bristol (англ.). www.bristol.ac.uk. Дата обращения: 25 сентября 2020.

СсылкиПравить