Ядерная энергия часто продвигается как более чистая альтернатива ископаемым горючим, так как она не выделяет углекислый газ. Однако одним из главных препятствий на пути к её широкому использованию является обращение с радиоактивными отходами.
С увеличением числа ядерных реакторов по всему миру накопление этого опасного побочного продукта представляет собой значительную экологическую и общественную проблему. Эффективное обращение с ядерными отходами и потенциальное их повторное использование являются критически важными для устойчивого развития энергетики.
В ответ на эту проблему исследователи предложили инновационные стратегии для её решения, сосредоточив внимание на преобразовании радиоактивных материалов в полезные ресурсы. Одним из прорывных разработок в этой области является радиоактивная алмазная батарея — технология, которая могла бы превратить ядерные отходы в ценный источник энергии.
Концепция радиоактивных алмазных батарей появилась в 2016 году, когда учёные из Института окружающей среды при Университете Бристоля представили эту идею. Эти устройства являются формой бетавольтаической технологии, использующей энергию, получаемую от бета-распада ядерных отходов, для генерации электричества.
Эта идея основывается на бета-распаде — процессе, при котором нестабильное атомное ядро высвобождает избыточные частицы, что приводит к более стабильной конфигурации. Это высвобождение генерирует бета-радиацию, поток высокоскоростных электронов или позитронов, которые можно использовать для производства электрической энергии.
Как правило, в бетавольтаической ячейке радиоактивный материал помещается между полупроводниками. Когда материал проходит через бета-распад, он испускает частицы, которые вырывают электроны из полупроводника, создавая электрический ток. Однако этот метод имеет свои ограничения. Поскольку бета-частицы излучаются во все стороны, только небольшая доля этих частиц захватывается полупроводником, что снижает эффективность батареи.
Здесь на помощь приходит поликристаллический алмаз (ПКД). Процесс производства этих батарей включает химическое осаждение паров (CVD), технологию, используемую для создания синтетических алмазов. Включая радиоактивный метан, содержащий углерод-14 — изотоп, обнаруживаемый в графитовых блоках ядерных реакторов — в процесс CVD, исследователи получают радиоактивные алмазы.
Уникальные свойства алмаза, такие как его твердость и отличная проводимость, позволяют ему служить надежной, долговечной батареей, которая постоянно генерирует энергию из радиоактивных отходов, заключенных в ней.
Несмотря на их инновационный дизайн, эти батареи содержат всего 1 грамм углерода-14, что дает мощность всего лишь в несколько микроватт — значительно меньше, чем у стандартной батареи AA.
В результате их применение в настоящее время ограничено небольшими устройствами, требующими длительной, безнадзорной работы, такими как кардиостимуляторы и датчики. Эти нишевые применения далеки от широкомасштабной генерации энергии, которую могли бы представить некоторые, но они иллюстрируют потенциал этой технологии для решения специфических задач.
Концепция ядерных батарей не нова. Фактически, она восходит к 1913 году, когда английский физик Генри Мозли обнаружил, что излучение частиц может производить электрический ток. Эта идея получила распространение в аэрокосмической отрасли в 1950-х и 1960-х годах, когда потребность в надежных, долговечных источниках питания была особенно высока для космических миссий.
Компании, такие как корпорация RCA, также исследовали потенциал ядерных батарей в потребительской электронике, такой как радиоприемники и слуховые аппараты.
Появление синтетических алмазов стало поворотным моментом в разработке ядерных батарей. Эти материалы предложили двойные преимущества безопасности и проводимости, что сделало их идеальными для бетавольтаических приложений.
Основываясь на этом фундаменте, компания NDB Inc., стартап из Сан-Франциско, основанный в 2012 году, разработала высокомощную нано-алмазную батарею, сочетая синтетические алмазы с нанотехнологией.
Нано-алмазная батарея NDB Inc., представленная в 2016 году, была протестирована в двух опытных исследованиях в 2020 году. Согласно информации компании, эти батареи обладают несколькими замечательными характеристиками:
- Долговечность: Эти батареи рассчитаны на срок службы до 28000 лет, что делает их идеальными для долгосрочных приложений, таких как питание космических аппаратов, космических станций и спутников. На Земле они могут использоваться в дронах, электрических транспортных средствах и самолетах, потенциально устраняя необходимость в частой подзарядке.
- Безопасность: Внутренняя твердость и высокая теплопроводность алмаза позволяют этим батареям рассеивать тепло, генерируемое радионуклидами внутри, эффективно преобразуя его в электрическую энергию.
- Универсальность: Дизайн тонкой пленки ПКА позволяет производить батареи в различных формах и размерах, расширяя их потенциальные применения — от космических технологий до повседневной потребительской электроники. Однако потребительские версии ожидаются с сроком службы около десяти лет, что все равно является значительным улучшением по сравнению с обычными батареями.
NDB планирует запустить свои нано-алмазные батареи в 2026 году, в то время как компания Arkenlight, коммерциализирующая радиоактивную алмазную батарею Университета Бристоля, планирует выпустить микро-батарею до конца того же года.
С учетом растущего спроса на портативную электронику, электрические транспортные средства и длительные космические миссии, поиски лучших технологий батарей усилились. Хотя радиоактивные алмазные батареи показывают обещания, они вряд ли заменят обычные литий-ионные батареи в ближайшем будущем.
Литий-ионные батареи, хотя и дешевле в производстве, обычно служат лишь около пяти лет, что усугубляет проблему электронных отходов. Радиоактивные алмазные батареи, с их длительным сроком службы, могли бы предложить более устойчивое решение. Если их масштабировать для удовлетворения более широких энергетических потребностей, эти батареи могут революционизировать отрасль. Например, аккумуляторы для смартфонов могут однажды прослужить дольше самих устройств, позволяя пользователям переносить их между устройствами, как сегодня карты SIM.
Тем не менее, остаются значительные проблемы. Алмазные бетавольтаики, разработанные Arkenlight, хотя и являются инновационными, еще не готовы для питания потребительской электроники. Компания изучает дизайны, которые комбинируют несколько бетабатарей с углеродом-14, потенциально соединяя их с суперконденсаторами для быстрого разряда энергии. Этот подход может улучшить их полезность, но многое еще нужно сделать, прежде чем эти батареи станут обычным явлением на энергетическом рынке.
Радиоактивный материал, используемый в этих батареях, углерод-14, имеет период полураспада более 5,000 лет, что обеспечивает долговременную стабильность и безопасность. Более того, внедрение этого материала в твердую алмазную матрицу минимизирует риск радиационных утечек, предоставляя дополнительный уровень безопасности.
С точки зрения рентабельности, Офис атомной энергии Великобритании (UKAEA) оценивает, что 100 фунтов (около 45 кг) углерода-14 могут произвести миллионы долгосрочных алмазных батарей. Это может значительно снизить расходы, связанные с хранением ядерных отходов.
Профессор Том Скотт из Университета Бристоля отметил, что извлечение углерода-14 из облученного графита сделает оставшиеся отходы менее радиоактивными и более управляемыми. Он также отметил, что затраты на утилизацию графитных отходов значительны, при этом затраты на радиоактивные отходы среднего уровня активности составляют 46000 фунтов стерлингов (60000 долларов США) за кубический метр, а радиоактивные отходы низкого уровня — 3000 фунтов стерлингов (4000 долларов США) за кубический метр.
Радиоактивные алмазные батареи, с их долговечностью, безопасностью и универсальностью, имеют потенциал стать компонентом более устойчивого энергетического будущего. Однако прежде чем эти батареи могут стать основным источником энергии, производителям необходимо преодолеть значительные препятствия, связанные с затратами на производство и выходом энергии. Если эти проблемы будут решены, радиоактивные алмазные батареи могут сыграть важную роль в сокращении ядерных отходов и удовлетворении растущих энергетических потребностей мира экологически безопасным способом.
