Алмазная батарея — это название концепции ядерной батареи , предложенной Институтом Кэбота Бристольского университета во время его ежегодной лекции [1], состоявшейся 25 ноября 2016 года в Мемориальном здании Уиллса . Предполагается, что эта батарея будет работать на радиоактивности отработанных графитовых блоков (ранее использовавшихся в качестве материала замедлителя нейтронов в реакторах с графитовым замедлителем ) и будет генерировать небольшое количество электроэнергии в течение тысяч лет.
Батарея представляет собой бета-вольтаический элемент, в котором в качестве источника бета-излучения используется углерод-14 ( 14 C) в форме алмазоподобного углерода (DLC), а также дополнительный DLC из нормального углерода для создания необходимого полупроводникового перехода и инкапсуляции углерода-14. [2]
В настоящее время ни один известный прототип не использует 14 C в качестве источника. Однако существуют некоторые прототипы, в которых в качестве источника используется никель-63 ( 63 Ni) с алмазными неэлектролитами/полупроводниками для преобразования энергии, что рассматривается как ступенька к возможному прототипу алмазной батареи с 14 C.
В 2016 году исследователи из Бристольского университета заявили, что построили один из этих 63 прототипов Ni. [3] [4]
Судя по их часто задаваемым вопросам (документ FAQ [5] ), расчетная мощность небольшой ячейки C-14 составляет 15 Дж/день в течение тысяч лет. (Для справки, батарея типа АА того же размера имеет общую емкость около 10 кДж, что эквивалентно 15 Дж/день в течение всего 2 лет.) Они отмечают, что напрямую заменить батарею типа АА с помощью этой технологии невозможно, поскольку батарея типа АА Батарея также может производить импульсы гораздо большей мощности. Вместо этого алмазная батарея предназначена для применений, где требуется низкая скорость разряда в течение длительного периода времени, например, исследование космоса, медицинское оборудование, морская связь, микроэлектроника и т. д.
В 2018 году исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ), Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) и Национального исследовательского технологического университета (МИСиС) анонсировали прототип, использующий слои толщиной 2 микрона. Фольга Ni 63 зажата между 200 алмазными конвертерами толщиной 10 микрон. Он производил выходную мощность около 1 мкВт при плотности мощности 10 мкВт/см 3 . При этих значениях плотность энергии составит примерно 3,3 Втч/г за 100-летний период полураспада , что примерно в 10 раз больше, чем у обычных электрохимических батарей . [6] Это исследование было опубликовано в апреле 2018 года в журнале Diamond and Associates Materials . [7]
Исследователи пытаются повысить эффективность и сосредоточивают внимание на использовании радиоактивного 14 C , который вносит незначительный вклад в радиоактивность ядерных отходов . [3]
14 C подвергается бета-распаду , при котором он испускает бета-частицу низкой энергии и превращается в Азот-14 , который стабилен (не радиоактивен). [8]
Эти бета-частицы, имеющие среднюю энергию 50 кэВ, подвергаются неупругим столкновениям с другими атомами углерода, создавая таким образом 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 перепрыгивают в его зону проводимости , оставляя после себя дыры в валентной зоне, где ранее присутствовали электроны. [9] [4]
В реакторах с графитовым замедлителем делящиеся урановые стержни помещаются внутри графитовых блоков. Эти блоки действуют как замедлитель нейтронов , цель которого — замедлить быстродвижущиеся нейтроны, чтобы с тепловыми нейтронами могли происходить цепные ядерные реакции . [10] Во время их использования некоторые из нерадиоактивных изотопов углерода-12 и углерода-13 в графите превращаются в радиоактивный 14 C путем захвата нейтронов . [11] Когда графитовые блоки удаляются при выводе станции из эксплуатации, их наведенная радиоактивность квалифицирует их как низкоактивные отходы, требующие безопасного захоронения .
Исследователи из Бристольского университета продемонстрировали, что большое количество радиоактивного 14 С сконцентрировалось на внутренних стенках графитовых блоков. Благодаря этому они предполагают, что большую часть его можно эффективно удалить из блоков. Это можно сделать, нагрев их до точки сублимации 3915 К (3642 °C; 6587 °F), при которой углерод будет выделяться в газообразной форме. После этого блоки станут менее радиоактивными и, возможно, их будет легче утилизировать, поскольку большая часть радиоактивного 14 C будет извлечена. [12]
Эти исследователи предполагают, что этот газ 14 C можно собирать и использовать для производства искусственных алмазов с помощью процесса, известного как химическое осаждение из паровой фазы, с использованием низкого давления и повышенной температуры, отмечая, что этот алмаз будет тонким листом, а не стереотипной огранкой алмаза. . Полученный в результате алмаз, сделанный из радиоактивного 14 C, по-прежнему будет производить бета-излучение, что, как утверждают исследователи, позволит использовать его в качестве источника бета-вольтаики. Исследователи также утверждают, что этот алмаз будет помещен между нерадиоактивными искусственными алмазами, изготовленными из 12 C, которые будут блокировать излучение источника, а также будет использоваться для преобразования энергии в качестве алмазного полупроводника вместо обычных кремниевых полупроводников . [12]
Из-за очень низкой удельной мощности , эффективности преобразования и высокой стоимости бета-вольтаическое устройство на 14 C очень похоже на другие существующие бета-вольтаические устройства , которые подходят для нишевых приложений, требующих очень мало энергии (микроватты) в течение нескольких лет в ситуациях, когда обычные батареи не могут быть использованы. заменены или перезаряжены с использованием традиционных методов сбора энергии . [13] [14] [15] Благодаря более длительному периоду полураспада бета-вольтаические устройства на 14 C могут иметь преимущество в сроке службы по сравнению с другими бета-вольтаическими элементами, использующими тритий или никель . Однако это, вероятно, будет достигнуто за счет дальнейшего снижения удельной мощности.
В сентябре 2020 года Морган Бордман, научный сотрудник и консультант по стратегическим вопросам Aspire Diamond Group в Юго-западном ядерном центре Бристольского университета, был назначен генеральным директором новой компании под названием Arkenlight , которая была создана специально для коммерциализации их алмазной батареи. технологии и, возможно, другие ядерно-радиационные устройства, находящиеся в стадии исследований или разработок в Бристольском университете. [16]