Алмазный аккумулятор - Diamond battery

Алмазный аккумулятор это имя ядерная батарея концепция, предложенная Бристольский университет Институт Кэбота во время их ежегодной лекции[1] состоялась 25 ноября 2016 г. Мемориальное здание Уиллс. Эта батарея предлагается для работы от радиоактивность отходов графит блоки (ранее использовались как замедлитель нейтронов материал в реакторы с графитовым замедлителем ) и будет производить небольшое количество электроэнергии в течение тысяч лет.

Батарея бетавольтаическая ячейка с помощью углерод-14 (14В) в виде алмазоподобный углерод (DLC) в качестве источника бета-излучения и дополнительный DLC с нормальным углеродом, чтобы сделать необходимые полупроводниковый переход и инкапсулируют углерод-14.[2]

Прототипы

В настоящее время нет известных прототипов использования 14C в качестве источника, однако есть некоторые прототипы, которые используют никель-63 (63Ni) в качестве источника с алмазными полупроводниками для преобразования энергии, которые рассматриваются как ступенька к возможному 14Прототип C-алмазной батареи.

Прототип Бристольского университета

В 2016 году исследователи из Бристольского университета построили один из таких 63Ni прототипы, однако, никаких доказательств не предоставлено.[3] 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.[4]

Прототип Московского физико-технического института

Внешний образ
значок изображения Прототип ядерной батареи, Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов.[5]

В 2018 году исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ), Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов (TISNCM) и Национального университета науки и технологий (МИСиС) объявили о прототипе, использующем слои толщиной 2 микрона. 63Ni-фольга, зажатая между 200 10-микронными алмазными преобразователями. Он давал выходную мощность около 1 мкВт при удельная мощность 10 мкВт / см3, при этих значениях его плотность энергии будет примерно 3,3 Вт · ч / г в течение 100 лет. период полураспада, примерно в 10 раз больше, чем у обычных электрохимические батареи.[5] Это исследование было опубликовано в апреле 2018 г. в Алмаз и сопутствующие материалы журнал.[6]

Углерод-14

Исследователи пытаются повысить эффективность и сосредотачиваются на использовании радиоактивных 14C, который вносит незначительный вклад в радиоактивность ядерные отходы.[3]

14C подвергается бета-распад, в котором он излучает низкоэнергетический бета-частица становиться Азот-14, который стабильный (не радиоактивный).[7]

14
6C
 → 14
7N
 + 0
−1β

Эти бета-частицы, имеющие среднюю энергию 50 кэВ, подвергаются неупругие столкновения с другими атомами углерода, тем самым создавая электронно-дырочные пары, которые затем вносят вклад в электрический ток. Это можно переформулировать с точки зрения ленточная теория говоря, что из-за высокой энергии бета-частиц электроны в углероде валентная полоса перейти к его зона проводимости, оставлять позади дыры в валентной зоне, где раньше находились электроны.[8][4]

Предлагаемое производство

В реакторы с графитовым замедлителем, делящийся уран стержни помещаются внутрь графит блоки. Эти блоки действуют как замедлитель нейтронов чья цель - замедлить быстро движущиеся нейтроны так, чтобы ядерные цепные реакции может произойти с тепловые нейтроны.[9] Во время их использования некоторые из нерадиоактивных углерод-12 и углерод-13 изотопы в графите превращаются в радиоактивные 14C пользователем захват нейтронов.[10] После удаления графитовых блоков при выводе станции из эксплуатации их наведенная радиоактивность квалифицирует их как низкоактивные отходы требующий безопасная утилизация.

Исследователи из Бристольского университета продемонстрировали, что большое количество радиоактивных 14C был сконцентрирован 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 сублимация точка 3915 К (3642 ° C, 6588 ° F), при которой углерод выделяется в газообразной форме. После этого блоки станут менее радиоактивными и, возможно, их будет легче утилизировать вместе с большей частью радиоактивных материалов. 14C извлекается.[11]

Эти исследователи предполагают, что это 14Газ C можно собирать и использовать для производства искусственные алмазы с помощью процесса, известного как химическое осаждение из паровой фазы используя низкое давление и повышенную температуру, отмечая, что этот алмаз будет тонким листом, а не стереотипным алмазная огранка. Полученный алмаз из радиоактивного 14C по-прежнему будет производить бета-излучение, которое, как утверждают исследователи, позволит использовать его в качестве источника бетавольтаики. Исследователи также утверждают, что этот алмаз будет зажат между нерадиоактивными искусственными алмазами, сделанными из 12C, который блокирует излучение от источника, а также может использоваться для преобразования энергии в качестве алмазный полупроводник вместо условности кремниевые полупроводники.[11]

Предлагаемые приложения

Из-за очень низкого удельная мощность, эффективность преобразования и высокая стоимость очень похожа на другие существующие бетавольтаические устройства которые подходят для нишевых приложений, требующих очень небольшой мощности (микроватты) в течение нескольких лет в ситуациях, когда обычные батареи невозможно заменить или перезарядить с помощью обычных сбор энергии техники.[12][13] Из-за более длительного период полураспада 14Бетавольтаика C может иметь преимущество в сроке службы по сравнению с другими бетавольтаиками, использующими тритий или никель однако это, вероятно, произойдет за счет дальнейшего снижения плотности мощности.

Коммерциализация

В сентябре 2020 года Морган Бордман, промышленный научный сотрудник и стратегический консультант Aspire Diamond Group на Юго-Западном ядерном узле Бристольский университет был назначен генеральным директором новой компании под названием Arkenlight который был создан специально для коммерциализации их технологии алмазных батарей и, возможно, других устройств с ядерным излучением, находящихся в стадии исследования или разработки в Бристольском университете.[14]

Рекомендации

  1. ^ «Ежегодная лекция 2016 г .: Идеи, чтобы изменить мир». Бристольский университет.
  2. ^ «Ядерные отходы и алмазы делают батареи, срок службы которых составляет 5000 лет». Искатель. 30 ноября 2016 г.
  3. ^ а б ДиСтасло, Кот (2 декабря 2016 г.). «Ученые превращают ядерные отходы в алмазные батареи, которые служат практически вечно». Жить.
  4. ^ а б «Алмазная ядерная батарея может генерировать 100 мкВт в течение 5000 лет». Еженедельник электроники. 2 декабря 2016.
  5. ^ а б «Прототип ядерных аккумуляторных батарей в 10 раз большей мощности».
  6. ^ «Прототип ядерной батареи высокой плотности на основе алмазных диодов Шоттки». Science Direct. Апрель 2018.
  7. ^ «Ядерные реакции / бета-распад». libretexts.org. libretexts.org. 2013-11-26.
  8. ^ «Физика вспышки: атомная алмазная батарея, смерть М. Г. К. Менона, названы четыре новых элемента». Мир физики. 30 ноября 2016 г.
  9. ^ "'Алмазный век энергетики как развития ядерных батарей ». YouTube. Бристольский университет.
  10. ^ "Радиоактивные алмазные батареи: эффективное использование ядерных отходов". Forbes. 9 декабря 2016.
  11. ^ а б "'Алмазный век энергетики как развития ядерных батарей ». Бристольский университет. 25 ноября 2016 г.
  12. ^ Опубликован пресс-релиз Бристольского университета: 25 ноября 2016 г.
  13. ^ Междисциплинарный проект Aspire Бристольского университета, 2017 г.
  14. ^ New Atlas (ранее Gizmag), интервью с доктором Бордманом

внешняя ссылка

Библиотечные ресурсы около
Алмазный аккумулятор