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将核废料回收变为电池?放射性钻石核电池,可能是一个不错的选择

今天小编为大家带来了一篇《将核废料回收变为电池?放射性钻石核电池,可能是一个不错的选择》的文章,感兴趣的读者朋友可以跟着小编一起看一看。

2018年夏天,一架无人机在斯特龙博利(Stromboli)火山口附近扔了一个小包裹。斯特龙博利火山位于西西里岛海岸附近,在过去一个世纪里几乎一直在不断喷发。作为地球上最活跃的火山之一,地质学家们一直对它非常着迷,但在这不断翻腾的火山口附近收集数据是极为一件危险的事情。因此,来自布里斯托尔大学的一个研究小组建造了一个“火山探测机器人”,并使用无人机将其运送到火山顶部,在那里它可以被动地监测火山的每一次地震和颤动,直到它不可避免地被喷发摧毁为止。该机器人是一个垒球大小的传感器舱,由一块巧克力方块大小的放射性电池提供微剂量的核能驱动。研究人员称他们的创造物为“龙蛋”。

“龙蛋”号机器人可以帮助科学家们,以前所未有的细节数据研究这一剧烈的自然过程,但对于布里斯托尔大学的材料科学家汤姆·斯科特(Tom Scott)来说,火山探测只是一个开端。在过去的几年里,斯科特教授(Scott)和一小群合作者一直在开发一种升级版的“龙蛋”号核能电池,这种电池可以持续使用数千年而从无需充电或更换。与大多数现代电子产品中通过化学反应产生电力的电池不同的是,布里斯托尔大学所研究的电池收集的是放射性钻石喷出的微粒,这些微粒可以由经过改造的核废料制成。

本月早些时候,斯科特(Scott)和他的合作者——布里斯托尔大学的化学家尼尔·福克斯(Neil Fox)创建了一家名为“Arkenlight”的公司,该公司目的是将他们的核钻石电池商业化。虽然这种指甲大小的电池还处于原型阶段,但与现有的核电池相比,它已经显示出效率和功率密度的改进。一旦斯科特教授(Scott)和其Arkenlight公司团队完善了其所进行的设计,他们就会建立一个试验设施来进行大规模生产。该公司计划在2024年之前将第一批商用核电池投放市场——只是我们不要指望在自己的笔记本电脑中找到它们。

传统的化学电池或“原电池”,如智能手机中的锂离子电池或遥控器中的碱性电池,都能在短时间内释放大量电力。锂离子电池在不充电的情况下,只能持续工作几个小时,而且在使用几年后,它的充电能力将大幅下降。相比之下,核电池或贝塔伏特电池(Betavoltaic battery,β原子电池,一种将放射性β辐射转换为电流的电池),则都是属于可在很长时间内持续产生微量的电力的电池。它们发出的电量不足以为智能手机供电,但根据它们使用的核材料来看,是完全可以为小型设备提供数千年的稳定电力输出。

“那么,我们能用核电池给电动汽车供电吗?答案是——不能。”Arkenlight公司的CEO摩根·博德曼(Morgan Boardman)表示,要为如此耗能的东西供电,这就意味着“电池的’质量’将需要明显大于车辆的’质量’”。相反,该公司正在寻找那些几乎不可能或无法定期更换电池的应用方向进行拓展(也可以说是一次性长期应用产品方向),例如在核废料储存库、卫星上的偏远或危险地点的传感器。博德曼(Boardman)还看到了离我们生活较近的应用,比如将该公司的核电池用于心脏起搏器或可穿戴设备。他设想的未来是,人们将保留电池并更换设备,而不是现在的:在同一个设备上进行频繁更换电池。”你会在更换电池之前,就已经更换好几个火灾报警器了,因为电池的寿命已经远远超出这些设备。”博德曼(Boardman)这么说道。

不足为奇的是,大多数人肯定会对核电池表示抗拒,这是因为他们认为这种电池会产生放射性物质,并对他们的健康产生危害。

但从贝塔伏特电池(Betavoltaicbattery)的健康风险报告来看,其可与“出口标志”的健康风险相媲美,“出口标志”所使用的是一种被称为“氚”的放射性材料来实现其标志性的红色荧光。与伽马射线或其他更危险的辐射类型不同,β粒子只需经过几毫米的屏蔽物就可以阻止它们的轨道。

太平洋西北国家实验室的材料科学家兰斯·哈伯德(LanceHubbard)说:“通常只要电池壁就足以阻止其的任何泄漏。这使得核电池内部几乎没有放射性物质,这对人们来说非常安全。”

而且,他还补充道,当核电池耗尽电力时,它会衰减到稳定状态,这意味着其内部没有剩余的核废料。

第一代贝塔伏特电池(Betavoltaic battery)在20世纪70年代就已面世,但直到最近,还没有人用得上它们。它们最初被用于心脏起搏器,在这种情况下,一个有缺陷的电源袋可能意味着生与死的区别,直到它们最终被更廉价的锂离子替代品所取代。今天,低功耗电子产品的普及预示着核电池进入了一个新时代。”对于功率非常小的设备来说,这是一个很好的电源选择——这里正在谈论的是微瓦级别,甚至皮瓦级别。”哈伯德(Hubbard)认为:“物联网推动了这些能源的复兴。”

一个典型的贝塔伏特电池(Betavoltaic battery)由薄薄的、类似箔片的放射性材料层夹在半导体之间组成。其的发电原理是:当核材料自然衰变时,它会发射出高能电子或称为β粒子的正电子,将半导体材料中的电子打散,从而产生电流。从这个意义上说,核电池与太阳能电池板类似,只是它的半导体吸收的是β粒子而不是光子。

和太阳能电池板一样,核电池也有一个严格的能量限制。它们的功率密度,会随着放射源离半导体越远而下降。因此,如果电池层的厚度超过几微米,电池的功率就会急剧下降。此外,β粒子是随机向各个方向发射的,这意味着只有一小部分粒子会真正击中半导体,而其中只有一小部分会转化为电能。至于核电池能够将多少辐射转化为电能而言,哈伯德(Hubbard)表示:”目前阶段,7%左右的效率是最先进的。”

此为Arkenlight公司的 “Betalight “伏安电池,集成了一个传感器封装。与碳-14电池不同,“Betalight”是一种传统的由氚制成的“三明治”核电池。

这与核电池的理论最高效率(约为37%)相去甚远。但是,这正是一种叫做“碳-14”的放射性同位素能够起到帮助作用的地方。“碳-14”在放射性碳年代测定中的作用最为人熟知,这使得考古学家能够估计古代文物的年代,同时它也可以为核电池提供动力,因为它既可以作为放射源,也可以作为半导体。它的半衰期也有5700年,这意味着,碳-14核电池原则上可以为电子设备供电时间,比人类拥有书面语言的时间还要长。

斯科特(Scott)和他的同事们在一个特殊的反应器里,通过将甲烷注入氢等离子体来培育人造“碳-14”钻石。当气体电离时,甲烷分解,碳-14聚集在反应器中的基底上,并开始在钻石晶格中生长。但是,斯科特(Scott)和他的同事们将这种放射性钻石用于传统的“三明治”电池配置中,在这种结构中,核源和半导体是离散的层。并且,他们申请了一种将碳-14直接注入实验室设备中培育钻石的专利,这种方法所制得的钻石与我们日常戒指上的钻石相似。其结果是具有无缝结构的水晶钻石,它最大限度地减少了β粒子的移动距离,并最大限度地提高了核电池的效率。

“到目前为止,放射源与接收放射源并将其转化为电能的二极管一直是分离开来的。”博德曼(Boardman)表示:”这是一个突破性的进展。”

当宇宙射线撞击大气中的氮原子时,“碳-14”是自然形成的,但它也是作为副产物在包含核反应堆控制棒的石墨块中产生的。这些块状物最终会成为核废料,博德曼(Boardman)表示,仅在英国就有近10万吨这种被辐射的石墨。英国原子能机构最近从35吨辐照石墨块中回收了另一种用于核电池的放射性同位素氚,Arkenlight公司团队正在与该机构合作开发类似的工艺,从石墨块中回收碳-14。

如果Arkenlight公司成功的话,其将为制造核电池提供几乎取之不尽的原材料。据英国AEA估计,不到100磅(约为45.36kg)的碳-14就足以制造数百万个核电池。此外,通过去除石墨块中的放射性碳-14,将使其从高放射性核废料降级为低放射性核废料,从而使其更容易处理,更安全地进行长期储存。

目前,Arkenlight公司还没有使用改造后的核废料制造出贝塔伏特电池(Betavoltaic battery),博德曼(Boardman)表示,在准备投入使用之前,该公司的核钻石电池在实验室里还需要几年的改进。但这项技术已经吸引了太空和核工业的兴趣。博德曼继续说道,Arkenlight公司最近从欧洲航天局获得了一份合同,为他称之为“卫星射频识别标签”(satellite RFID tags)这一项目开发钻石电池,这种标签可以发出微弱的无线电信号,预在数千年内持续地识别卫星。然而,他们的愿景也没有止步于核电池上。Arkenlight公司还在开发伽马伏特电池(Gammavoltaic battery),这种电池可以吸收核废料储存库发出的伽马射线,并利用它们来发电。

Arkenlight公司的伽马伏特电池原型,它将把核废料库中的伽马射线转化为电力。

Arkenlight公司并不是唯一一家研究核电池的公司。像City Lab和Widetronix这样的美国公司几十年来一直在开发商用贝塔伏特电池(Betavoltaic battery)。这些公司专注于更传统的层状核电池,并且它们使用的是氚而不是碳-14钻石作为核动力源。

康奈尔大学的电气工程师、Widetronix公司的联合创始人迈克尔·斯宾塞(Michael Spencer)表示,在选择放射性材料时必须考虑到它的应用。例如,碳-14放射的β粒子比氚少,但半衰期长500倍。如果你需要的东西能永远持续下去,这确实是其优点,但这也意味着碳-14核电池必须比氚电池大得多,才能提供同样的电量。”同位素的选择会带来很多权衡。”斯宾塞(Spencer)说。

如果说核电池曾经是一种边缘技术,那么它似乎已经做好了进入主流能源的准备。我们不一定需要——或者说不希望我们所有的电子产品都能持续数千年。但当我们这样做的时候,我们将会拥有一个一直运作的电池……可能我们的下一代,下一代,再下一代的时候还在运作。

撰写:GolevkaTech

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