Алмазная батарея
 | Эту статью необходимо обновить . ( январь 2024 г. ) |
Алмазная батарея — это название концепции ядерной батареи , предложенной Институтом Кэбота Бристольского университета во время его ежегодной лекции. [1] состоялся 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, использующий углерод-14 ( 14 C) в виде алмазоподобного углерода (DLC) в качестве источника бета-излучения и дополнительного нормального углерода DLC для создания необходимого полупроводникового перехода и инкапсуляции углерода-14. [2]
Прототипы
[ редактировать ]В настоящее время ни один известный прототип не использует 14 C как его источник. Однако есть несколько прототипов, в которых используется никель-63 ( 63 Ni) в качестве их источника с алмазными неэлектролитами/полупроводниками для преобразования энергии, которые рассматриваются как ступенька на пути к возможному 14 Прототип алмазной батареи C.
Прототип Бристольского университета
[ редактировать ]В 2016 году исследователи из Бристольского университета заявили, что построили один из таких 63 Не прототипы. [3] [4]
Из их часто задаваемых вопросов (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.
Прототип Московского физико-технического института
[ редактировать ]В 2018 году исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ), Технологического института сверхтвёрдых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) и Национального исследовательского технологического университета (МИСиС) анонсировали прототип, использующий слои толщиной 2 микрона. 63 Ni-фольга 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]
Углерод-14
[ редактировать ]Исследователи пытаются повысить эффективность и делают упор на использование радиоактивных 14 C , который вносит незначительный вклад в радиоактивность ядерных отходов . [3]
14 C подвергается бета-распаду низкой энергии , при котором он испускает бета-частицу и превращается в Азот-14 , который стабилен (не радиоактивн). [8]
- 14
6 С
→ 14
7 Н
+ 0
−1 б
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]
Предлагаемое производство
[ редактировать ]В реакторах с графитовым замедлителем делящиеся урановые стержни помещаются внутри графитовых блоков. Эти блоки действуют как замедлитель нейтронов , цель которого — замедлить быстродвижущиеся нейтроны, чтобы цепные ядерные реакции могли происходить с тепловыми нейтронами . [10] При их использовании некоторые из нерадиоактивных углерода-12 и углерода-13 изотопов в графите превращаются в радиоактивные. 14 C путем захвата нейтронов . [11] Когда графитовые блоки удаляются при выводе станции из эксплуатации, их наведенная радиоактивность позволяет отнести их к низкоактивным отходам, требующим безопасного захоронения .
Исследователи Бристольского университета продемонстрировали, что большое количество радиоактивного вещества 14 С сконцентрирован на внутренних стенках графитовых блоков. Благодаря этому они предполагают, что большую его часть 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 вместе с большей частью радиоактивных веществ. 14 C был извлечен. [12]
Эти исследователи предполагают, что это 14 Газ 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, при этом алмаз будет представлять собой тонкий лист, а не стереотипную огранку алмаза . Получившийся алмаз 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 зажат между нерадиоактивными искусственными алмазами, изготовленными из 12 C, который будет блокировать излучение источника, а также будет использоваться для преобразования энергии в качестве алмазного полупроводника вместо обычных кремниевых полупроводников . [12]
Предлагаемые приложения
[ редактировать ]Из-за очень низкой удельной мощности , эффективности преобразования и высокой стоимости, 14 Бетавольтаическое устройство C очень похоже на другие существующие бетавольтаические устройства , которые подходят для нишевых применений, требующих очень небольшой мощности (микроватты) в течение нескольких лет в ситуациях, когда обычные батареи невозможно заменить или перезарядить с использованием традиционных методов сбора энергии . [13] [14] [15] Из-за более длительного полураспада периода 14 Бетавольтаика C может иметь преимущество в сроке службы по сравнению с другими бетавольтаиками, использующими тритий или никель . Однако это, вероятно, будет достигнуто за счет дальнейшего снижения удельной мощности.
Коммерциализация
[ редактировать ]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]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Ежегодная лекция 2016: Идеи, которые изменят мир» . Бристольский университет. Архивировано из оригинала 29 октября 2020 г. Проверено 1 декабря 2016 г.
- ^ «Ядерные отходы и алмазы позволяют создавать батареи, способные прослужить 5000 лет» . Искатель . 30 ноября 2016 г.
- ^ Jump up to: а б ДиСтасло, Кот (2 декабря 2016 г.). «Ученые превращают ядерные отходы в алмазные батареи, которые работают практически вечно» . Место обитания .
- ^ Jump up to: а б «Алмазная ядерная батарея может генерировать мощность 100 мкВт в течение 5000 лет» . Еженедельник электроники . 2 декабря 2016 г.
- ^ «Часто задаваемые вопросы по алмазным батареям» (PDF) . Бристольский университет. Архивировано (PDF) из оригинала 20 ноября 2022 г. Проверено 21 ноября 2022 г.
- ^ «Прототип ядерной батареи имеет в 10 раз большую мощность» . mipt.ru.
- ^ Бормашов В.С.; Трошиев С.Ю.; Тарелкин, С.А.; Волков А.П.; Тетерук, Д.В.; Голованов А.В.; Кузнецов, М.С.; Корнилов, Н.В.; Терентьев С.А.; Бланк, В.Д. (апрель 2018 г.). «Прототип ядерной батареи высокой плотности на основе алмазных диодов Шоттки» . Алмаз и родственные материалы . 84 : 41–47. Бибкод : 2018DRM....84...41B . дои : 10.1016/j.diamond.2018.03.006 .
- ^ «Ядерные реакции/бета-распад» . libretexts.org . 2013-11-26.
- ^ «Физика вспышки: ядерная алмазная батарея, умирает МГК Менон, названы четыре новых элемента» . Мир физики . 30 ноября 2016 г.
- ^ « Алмазный век» производства электроэнергии с развитием ядерных батарей» . Ютуб . Бристольский университет.
- ^ «Радиоактивные алмазные батареи: эффективное использование ядерных отходов» . Форбс . 9 декабря 2016 г.
- ^ Jump up to: а б « Алмазный век» производства электроэнергии с развитием ядерных батарей» . Бристольский университет . 25 ноября 2016 г.
- ^ «Пресс-релиз Бристольского университета выпущен: 25 ноября 2016 г.» . Архивировано из оригинала 20 ноября 2022 года . Проверено 3 декабря 2016 г.
- ^ «Междисциплинарный проект Aspire Бристольского университета, 2017» . Архивировано из оригинала 29 мая 2021 г. Проверено 2 октября 2020 г.
- ^ «Тритиевые батареи как источник ядерной энергии» . Городские лаборатории . Проверено 25 мая 2023 г.
- ^ «Интервью New Atlas (ранее Gizmag) с доктором Бордманом» . 30 сентября 2020 г. Архивировано из оригинала 20 ноября 2022 г. Проверено 2 октября 2020 г.