Алмазная батарея

Необходимо проверить качество перевода, исправить содержательные и стилистические ошибки. Вы можете помочь улучшить эту статью (см. также рекомендации по переводу). Оригинал на английском языке — Diamond battery.

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

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

Прототипы[править | править код]

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 университета[править | править код]

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 института[править | править код]

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]. На основе этого прототипа на Электрохимическом заводе (ЭХЗ) Росатома в Зеленогорске начато опытное производство радиоизотопа никель-63^[8], 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^[9]. 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[править | править код]

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)^[10]:

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

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^[5][11].

Предлагаемое производство[править | править код]

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^[12]. 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 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^[13].

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^[13].

Возможные применения[править | править код]

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^[2][13]. 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.

Примечания[править | править код]

Ссылки[править | править код]

• The speech that proposed the battery
• Are Radioactive ‘Diamond Batteries’ a Real Thing?