Алмазная батарея

Алмазная батарея — название концепции ядерной батареи, предложенное Институтом Кабота при Бристольском университете во время ежегодной лекции^[1], которая состоялась 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 способная на протяжении нескольких тысяч лет вырабатывать небольшое количество электроэнергии.

Батарея представляет собой бета-вольтаический элемент, работающий по принципу атомного полупроводникового элемента и использующий алмазоподобное покрытие из углерода-14 (¹⁴C) в качестве источника бета-излучения.

Прототипы

В настоящее время только прототип, созданный Физтехом Иоффе, использует ¹⁴C в качестве источника бета-излучения, при этом конверсия бета-излучения в электричество происходит на фотовольтаическом элементе ^[2]. Однако есть некоторые прототипы, в которых никель-63 (⁶³Ni) используется как источник с алмазными полупроводниками для преобразования энергии^[3], который рассматривается ступенью к возможному прототипу алмазной батареи ¹⁴C.

Прототип Бристольского университета

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, но не являлась согласованной и противоречила другим деталям, а цифры производительности превышали теоретические значения на несколько порядков^[5].

Прототип Московского физико-технического института

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, помещённых между двумя сотнями 10-микронных алмазных преобразователей. Он выдавал мощность около 1 мкВт при объёмной плотности мощности 10 мкВт/см³. При таких 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 лет. Ориентировочный срок создания опытного образца — 2023 год. Предполагаемые области применения — кардиостимуляторы, космические технологии и т. п.

Прототип Физико-технического института им. Иоффе

В 2024 году вышла статья коллектива из Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН в которой был представлен алмаз, допированный ¹⁴C, с которого с помощью фотодетектора на основе кремния был получен электрический ток с силой тока 14 нА ^[2]. В статье было показано, что использование кремниевого фотовольтаического преобразователя является не оптимальным, что связано с его низкой эффективностью в диапазоне длин волн радиолюминесценции алмаза, допированного ¹⁴C, и его замена на фотовольтаический преобразователь оптимизированного под эти длины волн позволит кратно увеличить электрический выход.

Углерод-14

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

В реакторах с графитовым замедлителем стержни из делящегося урана размещаются внутри графитовых блоков, которые действуют как замедлитель нейтронов. Они предназначены 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]. В то же время, было показано, что собственное поглощение алмазом таких электронов составляет до 99%^[2], что делает бета-вольтаические преобразователи на его основе малоперспективными.

Возможные применения

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^[13][14]. 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.