將核廢料回收變為電池？放射性鑽石核電池，可能是一個不錯的選擇

研究人員正在開發一種新的電池，其動力核心來自於由實驗室改良核廢料製成的放射性鑽石。如果該團隊成功了，那其所研發的電池將可持續數千年。

2018年夏天，一架無人機在斯特龍博利(Stromboli)火山口附近扔了一個小包裹。斯特龍博利火山位於西西里島海岸附近，在過去一個世紀裡幾乎一直在不斷噴發。作為地球上最活躍的火山之一，地質學家們一直對它非常著迷，但在這不斷翻騰的火山口附近收集數據是極為一件危險的事情。因此，來自布里斯托大學的一個研究小組建造了一個&34;，並使用無人機將其運送到火山頂部，在那裡它可以被動地監測火山的每一次地震和顫動，直到它不可避免地被噴發摧毀為止。該機器人是一個壘球大小的傳感器艙，由一塊巧克力方塊大小的放射性電池提供微劑量的核能驅動。研究人員稱他們的創造物為&34;。

&34;號機器人可以幫助科學家們，以前所未有的細節數據研究這一劇烈的自然過程，但對於布里斯托大學的材料科學家湯姆·斯科特（Tom Scott）來說，火山探測只是一個開端。在過去的幾年裡，斯科特教授（Scott）和一小群合作者一直在開發一種升級版的&34;號核能電池，這種電池可以持續使用數千年而從無需充電或更換。與大多數現代電子產品中通過化學反應產生電力的電池不同的是，布里斯托大學所研究的電池收集的是放射性鑽石噴出的微粒，這些微粒可以由經過改造的核廢料製成。

本月早些時候，斯科特（Scott）和他的合作者——布里斯托大學的化學家尼爾·福克斯（Neil Fox）創建了一家名為&34;的公司，該公司目的是將他們的核鑽石電池商業化。雖然這種指甲大小的電池還處於原型階段，但與現有的核電池相比，它已經顯示出效率和功率密度的改進。一旦斯科特教授（Scott）和其Arkenlight公司團隊完善了其所進行的設計，他們就會建立一個試驗設施來進行大規模生產。該公司計劃在2024年之前將第一批商用核電池投放市場——只是我們不要指望在自己的筆記本電腦中找到它們。

為什麼核能電池，無法使用在我們的手機、電腦、電動汽車中呢？

傳統的化學電池或 &34;，如智慧型手機中的鋰離子電池或遙控器中的鹼性電池，都能在短時間內釋放大量電力。鋰離子電池在不充電的情況下，只能持續工作幾個小時，而且在使用幾年後，它的充電能力將大幅下降。相比之下，核電池或貝塔伏特電池（Betavoltaic battery，β原子電池，一種將放射性β輻射轉換為電流的電池），則都是屬於可在很長時間內持續產生微量的電力的電池。它們發出的電量不足以為智慧型手機供電，但根據它們使用的核材料來看，是完全可以為小型設備提供數千年的穩定電力輸出。

&34;Arkenlight公司的CEO摩根·博德曼（Morgan Boardman）表示，要為如此耗能的東西供電，這就意味著&39;質量&39;質量&34;。相反，該公司正在尋找那些幾乎不可能或無法定期更換電池的應用方向進行拓展（也可以說是一次性長期應用產品方向），例如在核廢料儲存庫、衛星上的偏遠或危險地點的傳感器。博德曼（Boardman）還看到了離我們生活較近的應用，比如將該公司的核電池用於心臟起搏器或可穿戴設備。他設想的未來是，人們將保留電池並更換設備，而不是現在的：在同一個設備上進行頻繁更換電池。&34;博德曼（Boardman）這麼說道。

不足為奇的是，大多數人肯定會對核電池表示抗拒，這是因為他們認為這種電池會產生放射性物質，並對他們的健康產生危害。但從貝塔伏特電池（Betavoltaic battery）的健康風險報告來看，其可與&34;的健康風險相媲美，&34;所使用的是一種被稱為&34;的放射性材料來實現其標誌性的紅色螢光。與伽馬射線或其他更危險的輻射類型不同，β粒子只需經過幾毫米的屏蔽物就可以阻止它們的軌道。太平洋西北國家實驗室的材料科學家蘭斯·哈伯德（Lance Hubbard）說：&34;而且，他還補充道，當核電池耗盡電力時，它會衰減到穩定狀態，這意味著其內部沒有剩餘的核廢料。

如今的低功耗電子產品普及——是否預示著核電池將進入一個新時代？

第一代貝塔伏特電池（Betavoltaic battery）在20世紀70年代就已面世，但直到最近，還沒有人用得上它們。它們最初被用於心臟起搏器，在這種情況下，一個有缺陷的電源袋可能意味著生與死的區別，直到它們最終被更廉價的鋰離子替代品所取代。今天，低功耗電子產品的普及預示著核電池進入了一個新時代。&34;哈伯德（Hubbard）認為：&34;

一個典型的貝塔伏特電池（Betavoltaic battery）由薄薄的、類似箔片的放射性材料層夾在半導體之間組成。其的發電原理是：當核材料自然衰變時，它會發射出高能電子或稱為β粒子的正電子，將半導體材料中的電子打散，從而產生電流。從這個意義上說，核電池與太陽能電池板類似，只是它的半導體吸收的是β粒子而不是光子。

和太陽能電池板一樣，核電池也有一個嚴格的能量限制。它們的功率密度，會隨著放射源離半導體越遠而下降。因此，如果電池層的厚度超過幾微米，電池的功率就會急劇下降。此外，β粒子是隨機向各個方向發射的，這意味著只有一小部分粒子會真正擊中半導體，而其中只有一小部分會轉化為電能。至於核電池能夠將多少輻射轉化為電能而言，哈伯德（Hubbard）表示：&34;

此為Arkenlight公司的 &34;伏安電池，集成了一個傳感器封裝。與碳-14電池不同，&34;是一種傳統的由氚製成的&34;核電池。

那麼，這種核電池缺陷是否能解決？讓我們來看看解決方案

這與核電池的理論最高效率（約為37%）相去甚遠。但是，這正是一種叫做&34;的放射性同位素能夠起到幫助作用的地方。&34;在放射性碳年代測定中的作用最為人熟知，這使得考古學家能夠估計古代文物的年代，同時它也可以為核電池提供動力，因為它既可以作為放射源，也可以作為半導體。它的半衰期也有5700年，這意味著，碳-14核電池原則上可以為電子設備供電時間，比人類擁有書面語言的時間還要長。

斯科特（Scott）和他的同事們在一個特殊的反應器裡，通過將甲烷注入氫等離子體來培育人造&34;鑽石。當氣體電離時，甲烷分解，碳-14聚集在反應器中的基底上，並開始在鑽石晶格中生長。但是，斯科特（Scott）和他的同事們將這种放射性鑽石用於傳統的&34;電池配置中，在這種結構中，核源和半導體是離散的層。並且，他們申請了一種將碳-14直接注入實驗室設備中培育鑽石的專利，這種方法所製得的鑽石與我們日常戒指上的鑽石相似。其結果是具有無縫結構的水晶鑽石，它最大限度地減少了β粒子的移動距離，並最大限度地提高了核電池的效率。

&34;博德曼（Boardman）表示：&34;

當宇宙射線撞擊大氣中的氮原子時，&34;是自然形成的，但它也是作為副產物在包含核反應堆控制棒的石墨塊中產生的。這些塊狀物最終會成為核廢料，博德曼（Boardman）表示，僅在英國就有近10萬噸這種被輻射的石墨。英國原子能機構最近從35噸輻照石墨塊中回收了另一種用於核電池的放射性同位素氚，Arkenlight公司團隊正在與該機構合作開發類似的工藝，從石墨塊中回收碳-14。

如果Arkenlight公司成功的話，其將為製造核電池提供幾乎取之不盡的原材料。據英國AEA估計，不到100磅（約為45.36kg）的碳-14就足以製造數百萬個核電池。此外，通過去除石墨塊中的放射性碳-14，將使其從高放射性核廢料降級為低放射性核廢料，從而使其更容易處理，更安全地進行長期儲存。

目前，鑽石核電池的商業化未來如何？

目前，Arkenlight公司還沒有使用改造後的核廢料製造出貝塔伏特電池（Betavoltaic battery），博德曼（Boardman）表示，在準備投入使用之前，該公司的核鑽石電池在實驗室裡還需要幾年的改進。但這項技術已經吸引了太空和核工業的興趣。博德曼繼續說道，Arkenlight公司最近從歐洲航天局獲得了一份合同，為他稱之為&34;（satellite RFID tags）這一項目開發鑽石電池，這種標籤可以發出微弱的無線電信號，預在數千年內持續地識別衛星。然而，他們的願景也沒有止步於核電池上。Arkenlight公司還在開發伽馬伏特電池（Gammavoltaic battery），這種電池可以吸收核廢料儲存庫發出的伽馬射線，並利用它們來發電。

Arkenlight公司的伽馬伏特電池原型，它將把核廢料庫中的伽馬射線轉化為電力。

Arkenlight公司並不是唯一一家研究核電池的公司。像City Lab和Widetronix這樣的美國公司幾十年來一直在開發商用貝塔伏特電池（Betavoltaic battery）。這些公司專注於更傳統的層狀核電池，並且它們使用的是氚而不是碳-14鑽石作為核動力源。

康奈爾大學的電氣工程師、Widetronix公司的聯合創始人麥可·斯賓塞(Michael Spencer)表示，在選擇放射性材料時必須考慮到它的應用。例如，碳-14放射的β粒子比氚少，但半衰期長500倍。如果你需要的東西能永遠持續下去，這確實是其優點，但這也意味著碳-14核電池必須比氚電池大得多，才能提供同樣的電量。&34;斯賓塞（Spencer)說。

如果說核電池曾經是一種邊緣技術，那麼它似乎已經做好了進入主流能源的準備。我們不一定需要——或者說不希望我們所有的電子產品都能持續數千年。但當我們這樣做的時候，我們將會擁有一個一直運作的電池……可能我們的下一代，下一代，再下一代的時候還在運作。

撰寫：GolevkaTech

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