科學(xué)家將核廢料轉(zhuǎn)化為可持續(xù)使用1000年的鉆石電池

Arkenlight公司的伽馬太陽能電池的原型，將核廢料庫的伽馬射線轉(zhuǎn)化為電能。

放射性鉆石電池在2016年首次被開發(fā)出來并立即受到好評(píng)，因?yàn)樗鼈兂兄Z提供一種新的、具有成本效益的核廢料回收方式。在這種情況下，不可避免地要斟酌它們是否是這些有毒、致命殘留物的最終解決方案。

什么是放射性鉆石電池？

放射性鉆石電池最初是由布里斯托爾大學(xué)卡博特環(huán)境研究所的一個(gè)物理學(xué)家和化學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)的。這項(xiàng)發(fā)明是作為一種β輻射電轉(zhuǎn)換設(shè)備提出的，這意味著它是由核廢料的β衰變提供動(dòng)力。

β衰變是一種放射性衰變，當(dāng)一個(gè)原子的原子核有過量的粒子并釋放一些粒子以獲得更穩(wěn)定的質(zhì)子和中子的比例時(shí)就會(huì)發(fā)生。這就產(chǎn)生了一種被稱為β輻射的電離輻射，其中涉及大量被稱為β粒子的高速和高能電子或正電子。β粒子含有核能，可以通過半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為電能。

β衰變是一種放射性衰變，當(dāng)一個(gè)原子的原子核有過量的粒子并釋放一些粒子以獲得更穩(wěn)定的質(zhì)子和中子的比例時(shí)就會(huì)發(fā)生。

一個(gè)典型的betvoltaic電池由置于半導(dǎo)體之間的放射性材料薄層組成。當(dāng)核材料衰變時(shí)，它發(fā)射出β粒子，將半導(dǎo)體中的電子擊散，產(chǎn)生電流。然而，放射源離半導(dǎo)體越遠(yuǎn)，其功率密度就越低。除此之外，由于β粒子是隨機(jī)向各個(gè)方向發(fā)射的，只有少數(shù)粒子會(huì)擊中半導(dǎo)體，而其中只有少數(shù)粒子會(huì)被轉(zhuǎn)化為電能。這意味著核電池的效率比其他類型的電池低得多。這就是聚晶金剛石（PCD）的作用。

放射性鉆石電池是使用一種叫做化學(xué)氣相沉積的工藝制造的，這種工藝被廣泛用于人造鉆石的制造。它使用氫氣和甲烷的混合等離子體，在非常高的溫度下生長(zhǎng)金剛石薄膜。研究人員通過使用含有放射性同位素Carbon-14的放射性甲烷，對(duì)CVD工藝進(jìn)行了修改以生長(zhǎng)放射性鉆石，這種放射性同位素在經(jīng)過輻照的反應(yīng)堆石墨塊上發(fā)現(xiàn)。

鉆石是人類所知的最硬的材料之一--它甚至比碳化硅更硬。而且它既可以作為一個(gè)放射源，也可以作為一個(gè)半導(dǎo)體。把它暴露在β射線下會(huì)得到一個(gè)不需要充電的長(zhǎng)效電池。它內(nèi)部的核廢料一次又一次地為它提供燃料，使它能夠長(zhǎng)期自我充電。然而，布里斯托爾的科研團(tuán)隊(duì)警告說，他們的放射性鉆石電池不適合用于筆記本電腦或智能手機(jī)，因?yàn)樗鼈冎缓?克碳-14，這意味著它們提供的功率非常低--只有幾微瓦，低于典型的AA電池。因此，到目前為止，它們的應(yīng)用僅限于那些必須長(zhǎng)時(shí)間無人看管的小型設(shè)備，如傳感器和心臟起搏器。

核電池的起源可以追溯到1913年，當(dāng)時(shí)英國物理學(xué)家亨利-莫斯利發(fā)現(xiàn)，粒子輻射可以產(chǎn)生電流。在20世紀(jì)50年代和60年代，航空航天工業(yè)對(duì)莫斯利的發(fā)現(xiàn)非常感興趣，因?yàn)樗锌赡転殚L(zhǎng)期任務(wù)的航天器提供動(dòng)力。RCA公司也研究了核電池在無線電接收機(jī)和助聽器中的應(yīng)用。

納米鉆石晶體

但為了發(fā)展和維持這項(xiàng)發(fā)明，還需要其他技術(shù)。在這方面，合成鉆石的使用被認(rèn)為是革命性的，因?yàn)樗鼮榉派湫噪姵靥峁┝税踩院蛯?dǎo)電性。隨著納米技術(shù)的加入，一家美國公司打造了一個(gè)高功率的納米鉆石電池。

Arkenlight的碳-14鉆石β輻射電轉(zhuǎn)換電池的原型。

NDB公司總部位于加利福尼亞州舊金山，成立于2012年，目標(biāo)是創(chuàng)造一種更清潔、更環(huán)保的傳統(tǒng)電池替代品。這家初創(chuàng)公司在2016年推出了其版本的基于鉆石的電池，并宣布在2020年進(jìn)行兩項(xiàng)概念驗(yàn)證測(cè)試。它是試圖將放射性鉆石電池商業(yè)化的公司之一。NDB的納米鉆石電池被描述為Alpha、Beta和中子輻射電池，根據(jù)他們官網(wǎng)的介紹，有如下特點(diǎn)：

持久性。該公司計(jì)算出這些電池可以持續(xù)28000年，這意味著它們可以為長(zhǎng)期任務(wù)中的空間飛行器、空間站和衛(wèi)星提供可靠的動(dòng)力。地球上的無人機(jī)、電動(dòng)汽車和飛機(jī)將永遠(yuǎn)不需要停下來充電。

安全。鉆石不僅是最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一，也是世界上最有導(dǎo)熱性的材料之一，這有助于保護(hù)電池中的放射性同位素所產(chǎn)生的熱量，使其迅速變成電流。

市場(chǎng)友好性。其中的PCD薄膜層使電池可以允許不同的形狀和形式。這就是為什么納米鉆石電池可以有多種用途，進(jìn)入不同的市場(chǎng)，從上述的空間應(yīng)用到消費(fèi)電子。不過，消費(fèi)版壽命不會(huì)超過十年。

納米鉆石電池計(jì)劃在2023年進(jìn)入市場(chǎng)。

Arkenlight是將布里斯托爾的放射性鉆石電池商業(yè)化的英國公司，計(jì)劃在2023年下半年向市場(chǎng)發(fā)布他們的第一個(gè)產(chǎn)品。

放射性鉆石電池的未來

現(xiàn)代電子設(shè)備的便攜性，電動(dòng)汽車的日益普及，以及21世紀(jì)將人類帶入火星的長(zhǎng)期太空任務(wù)的競(jìng)賽，在過去幾年中引發(fā)了人們對(duì)電池技術(shù)研究的日益關(guān)注。

一些類型的電池更適合于某些應(yīng)用，而對(duì)另一些應(yīng)用則不那么有用。但我們可以說，我們熟悉的傳統(tǒng)鋰離子電池不會(huì)很快被放射性鉆石電池取代。

傳統(tǒng)電池的持續(xù)時(shí)間較短，但它們的制造成本也更低。然而，與此同時(shí)，它們的壽命并不長(zhǎng)（它們的壽命約為5年），這也是一個(gè)問題，因?yàn)樗鼈円矔?huì)產(chǎn)生大量的電子垃圾，不容易回收。

放射性鉆石電池更方便，因?yàn)樗鼈兊膲勖葌鹘y(tǒng)電池長(zhǎng)很多。如果它們能像NDB公司提出的那樣被開發(fā)成通用電池，那么我們最終可能會(huì)得到比智能手機(jī)壽命長(zhǎng)得多的電池。

然而，Arkenlight公司開發(fā)的鉆石β輻射電轉(zhuǎn)換技術(shù)不會(huì)走那么遠(yuǎn)。該公司正在研究將其大量的碳-14betab電池堆疊成電池的設(shè)計(jì)。為了提供高功率的放電，每個(gè)電池可以伴隨著一個(gè)小型的超級(jí)電容器，這可以提供一個(gè)優(yōu)秀的快速放電能力。

然而，這種放射性材料的壽命也超過了5000年。如果輻射以氣態(tài)形式從設(shè)備中泄漏出來，可能會(huì)成為一個(gè)問題。這就是鉆石出現(xiàn)的原因。在鉆石的形成中，C-14是一種固體，所以它不能被生物提取和吸收。

英國原子能管理局（UKAEA）計(jì)算，100磅（約45公斤）的碳-14足以拿來制造數(shù)百萬個(gè)基于鉆石的長(zhǎng)壽命電池。這些電池還可以降低核廢料的儲(chǔ)存成本。

布里斯托爾大學(xué)研究員湯姆-斯科特教授告訴Nuclear Energy Insider說："通過直接從反應(yīng)堆中去除輻照石墨中的碳-14，這將使剩余的廢物產(chǎn)品的放射性降低，因此更容易管理和處置。處置石墨廢物的成本估計(jì)為：中級(jí)廢物[ILW]每立方米46,000磅（60,000美元），低級(jí)廢物[LLW]每立方米3,000磅（4,000美元）。"

所有這些特點(diǎn)正是我們需要的可持續(xù)未來的最佳選擇之一，我們可以拭目以待，看看制造商是否能找到處理生產(chǎn)成本和低能量輸出的方法，并將他們的鉆石基電池以成本效益和可獲得的方式推向市場(chǎng)。