Алмазная батарея — название концепции ядерной батареи , предложенной Институтом Кабота Бристольского университета во время их ежегодной лекции , состоявшейся 25 ноября 2016 года в . 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 тысячи лет.

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

Прототипы

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

Прототип Бристольского университета

В 2016 году исследователи из Бристольского университета заявили, что сконструировали один из этих прототипов с ⁶³ Ni, однако никаких доказательств не предъявили . 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 .

Прототип Московского физико-технического института

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 ⁶³ Ni толщиной 2 микрона, помещённые между 200 10-микронными алмазными преобразователями. Он выдавал мощность около 1 мкВт при объёмной плотности мощности 10 мкВт/см ³ , 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 . Это исследование было опубликовано в апреле 2018 года в журнале Diamond and Related Materials . На основе этого прототипа на Электрохимическом заводе (ЭХЗ) Росатома в Зеленогорске начато опытное производство радиоизотопа никель-63 , а на Горно-химическом комбинате в декабре 2018 года проведена конверсия рабочего газа, обогащённого по Ni-63 в форму, пригодную для нанесения на полупроводниковый преобразователь . Конечная цель разработки — создание экологически безопасной атомной батарейки примерно в 30 раз компактнее литий-ионных аккумуляторов со сроком службы около 50-и лет. Ориентировочный срок создания опытного образца — 2023 год. Предполагаемые области применения — кардиостимуляторы , космические технологии и т. п.

Углерод-14

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

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

${\displaystyle \mathrm {~_{6}^{14}C} \rightarrow \mathrm {~_{7}^{14}N} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.}$

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 .

Предлагаемое производство

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 ¹⁴ C за счет захвата нейтронов . При выводе станции из эксплуатации её графитовые блоки классифицируют по наведенной радиоактивности как низкоактивные отходы требующие безопасную утилизацию.

Исследователи из Бристольского университета продемонстрировали, что большое количество радиоактивного ¹⁴ C 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 ¹⁴ C будет извлечена .

Эти исследователи предполагают, что этот газ ¹⁴ C 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 ¹⁴ C, 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 ¹² C, которые будут блокировать излучение от источника, а также будут использоваться для преобразования энергии в качестве алмазного полупроводника вместо обычных кремниевых полупроводников .

Возможные применения

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 небольшую мощность (микроватт) в течение нескольких лет в ситуациях, когда обычные батареи невозможно заменить или перезарядить обычными способами . Из-за более длительного периода полураспада ¹⁴ C 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.

Примечания

Ссылки