核廢料的利用,居然還能轉換為可持續的電池王?這究竟是怎麼回事?
Andrexun6491
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核廢料的利用,居然還能轉換為可持續的電池王?這究竟是怎麼回事?

2022-04-25|閱讀時間約 6 分鐘
核能一直以來被人類認為是一種清潔高效的能源,因為它的二氧化碳排放量為零;不會造成溫室效應。然而,與此同時,隨著世界各地越來越多反應堆的建成,它產生了大量危險極高的放射性核廢料。科學家們為這個問題提出了不同的解決方案,以便更好地保護環境和人們的健康。由於沒有足夠的安全儲存空間來處理核廢料,這些想法的焦點是如何讓材料可持續利用。
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化為電能。
放射性鑽石電池在2016年首次被開發出來並立即受到好評,因為它們承諾提供一種新的、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。
什麼是放射性鑽石電池?
放射性鑽石電池最初是由布裏斯托爾大學卡博特環境研究所的一個物理學家和化學家團隊開發的。這項發明是作為一種β輻射電轉換設備提出的,這意味著它是由核廢料的β衰變提供動力。
β衰變是一種放射性衰變,當一個原子的原子核有過量的粒子並釋放一些粒子以獲得更穩定的質子和中子的比例時就會發生。這就產生了一種被稱為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,可以通過半導體轉化為電能。
一個典型的betvoltaic電池由置於半導體之間的放射性材料薄層組成。當核材料衰變時,它發射出β粒子,將半導體中的電子擊散,產生電流。然而,放射源離半導體越遠,其功率密度就越低。除此之外,由於β粒子是隨機向各個方向發射的,只有少數粒子會擊中半導體,而其中只有少數粒子會被轉化為電能。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。
放射性鑽石電池是使用一種叫做化學氣相沉積的工藝製造的,這種工藝被廣泛用於人造鑽石的製造。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CVD工藝進行了修改以生長放射性鑽石,這種放射性同位素在經過輻照的反應堆石墨塊上發現。
鑽石是人類所知的最硬的材料之一--它甚至比碳化矽更硬。而且它既可以作為一個放射源,也可以作為一個半導體。把它暴露在β射線下會得到一個不需要充電的長效電池。它內部的核廢料一次又一次地為它提供燃料,使它能夠長期自我充電。然而,布裏斯托爾的科研團隊警告說,他們的放射性鑽石電池不適合用於筆記本電腦或智能手機,因為它們只含有1克碳-14,這意味著它們提供的功率非常低--只有幾微瓦,低於典型的AA電池。因此,到目前為止,它們的應用僅限於那些必須長時間無人看管的小型設備,如感測器和心臟起搏器。
核電池的起源可以追溯到1913年,當時英國物理學家亨利-莫斯利發現,粒子輻射可以產生電流。在20世紀50年代和60年代,航空航太工業對莫斯利的發現非常感興趣,因為它有可能為長期任務的航天器提供動力。RCA公司也研究了核電池在無線電接收機和助聽器中的應用。
納米鑽石晶體
但為了發展和維持這項發明,還需要其他技術。在這方面,合成鑽石的使用被認為是革命性的,因為它為放射性電池提供了安全性和導電性。隨著納米技術的加入,一家美國公司打造了一個高功率的納米鑽石電池。
Arkenlight的碳-14鑽石β輻射電轉換電池的原型。
NDB公司總部位於加利福尼亞州三藩市,成立於2012年,目標是創造一種更清潔、更環保的傳統電池替代品。這家初創公司在2016年推出了其版本的基於鑽石的電池,並宣佈在2020年進行兩項概念驗證測試。它是試圖將放射性鑽石電池商業化的公司之一。NDB的納米鑽石電池被描述為Alpha、Beta和中子輻射電池,根據他們官網的介紹,有如下特點:
持久性。該公司計算出這些電池可以持續28000年,這意味著它們可以為長期任務中的空間飛行器、空間站和衛星提供可靠的動力。地球上的無人機、電動汽車和飛機將永遠不需要停下來充電。
安全。鑽石不僅是最堅硬的物質之一,也是世界上最有導熱性的材料之一,這有助於保護電池中的放射性同位素所產生的熱量,使其迅速變成電流。
市場友好性。其中的PCD薄膜層使電池可以允許不同的形狀和形式。這就是為什麼納米鑽石電池可以有多種用途,進入不同的市場,從上述的空間應用到消費電子。不過,消費版壽命不會超過十年。
納米鑽石電池計畫在2023年進入市場。
Arkenlight是將布裏斯托爾的放射性鑽石電池商業化的英國公司,計畫在2023年下半年向市場發佈他們的第一個產品。
放射性鑽石電池的未來
現代電子設備的便攜性,電動汽車的日益普及,以及21世紀將人類帶入火星的長期太空任務的競賽,在過去幾年中引發了人們對電池技術研究的日益關注。
一些類型的電池更適合於某些應用,而對另一些應用則不那麼有用。但我們可以說,我們熟悉的傳統鋰離子電池不會很快被放射性鑽石電池取代。
傳統電池的持續時間較短,但它們的製造成本也更低。然而,與此同時,它們的壽命並不長(它們的壽命約為5年),這也是一個問題,因為它們也會產生大量的電子垃圾,不容易回收。
放射性鑽石電池更方便,因為它們的壽命比傳統電池長很多。如果它們能像NDB公司提出的那樣被開發成通用電池,那麼我們最終可能會得到比智能手機壽命長得多的電池。
然而,Arkenlight公司開發的鑽石β輻射電轉換技術不會走那麼遠。該公司正在研究將其大量的碳-14betab電池堆疊成電池的設計。為了提供高功率的放電,每個電池可以伴隨著一個小型的超級電容器,這可以提供一個優秀的快速放電能力。
然而,這種放射性材料的壽命也超過了5000年。如果輻射以氣態形式從設備中洩漏出來,可能會成為一個問題。這就是鑽石出現的原因。在鑽石的形成中,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)計算,100磅(約45公斤)的碳-14足以拿來製造數百萬個基於鑽石的長壽命電池。這些電池還可以降低核廢料的儲存成本。
布裏斯托爾大學研究員湯姆-斯科特教授告訴Nuclear Energy Insider說:"通過直接從反應堆中去除輻照石墨中的碳-14,這將使剩餘的廢物產品的放射性降低,因此更容易管理和處置。處置石墨廢物的成本估計為:中級廢物[ILW]每立方米46,000磅(60,000美元),低級廢物[LLW]每立方米3,000磅(4,000美元)。"
所有這些特點正是我們需要的可持續未來的最佳選擇之一,我們可以拭目以待,看看製造商是否能找到處理生產成本和低能量輸出的方法,並將他們的鑽石基電池以成本效益和可獲得的方式推向市場。
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