科学家将核废料转化为可继续运用1000年的钻石电池

核能被认为是一种清洁动力，由于它的二氧化碳排放量为零;但是，与此同时，跟着世界各地越来越多的反应堆的建成，它发生了许多的风险的放射性废物。专家们为这个问题提出了不同的解决方案，以便更好地照料环境和人们的健康。由于没有满足的安全贮存空间来处理核废料，这些主意的焦点是资料的再利用。

Arkenlight公司的伽马太阳能电池的原型，将核废料库的伽马射线转化为电能。

放射性钻石电池在2016年初次被开发出来并当即受到好评，由于它们许诺供给一种新的、具有本钱效益的核废料收回办法。在这种情况下，不可避免地要酌量它们是否是这些有毒、丧命残留物的终究解决方案。

什么是放射性钻石电池?

放射性钻石电池开始是由布里斯托尔大学卡博特环境研讨所的一个物理学家和化学家团队开发的。这项发明是作为一种β辐射电转化设备提出的，这意味着它是由核废料的β衰变供给动力。

β衰变是一种放射性衰变，当一个原子的原子核有过量的粒子并开释一些粒子以取得更安稳的质子和中子的份额时就会发生。这就发生了一种被称为β辐射的电离辐射，其间触及许多被称为β粒子的高速和高能电子或正电子。β粒子含有核能，能够经过半导体转化为电能。

β衰变是一种放射性衰变，当一个原子的原子核有过量的粒子并开释一些粒子以取得更安稳的质子和中子的份额时就会发生。

一个典型的betvoltaic电池由置于半导体之间的放射性资料薄层组成。当核资料衰变时，它发射出β粒子，将半导体中的电子击散，发生电流。但是，放射源离半导体越远，其功率密度就越低。除此之外，由于β粒子是随机向各个方向发射的，只要少量粒子会击中半导体，而其间只要少量粒子会被转化为电能。这意味着核电池的功率比其他类型的电池低得多。这便是聚晶金刚石(PCD)的效果。

放射性钻石电池是运用一种叫做化学气相堆积的工艺制作的，这种工艺被广泛用于人工钻石的制作。它运用氢气和甲烷的混合等离子体，在十分高的温度下成长金刚石薄膜。研讨人员经过运用含有放射性同位素Carbon-14的放射性甲烷，对CVD工艺进行了修改以成长放射性钻石，这种放射性同位素在经过辐照的反应堆石墨块上发现。

钻石是人类所知的最硬的资料之一--它乃至比碳化硅更硬。并且它既能够作为一个放射源，也能够作为一个半导体。把它暴露在β射线下会得到一个不需求充电的长效电池。它内部的核废料一次又一次地为它供给燃料，使它能够长时间自我充电。但是，布里斯托尔的科研团队正告说，他们的放射性钻石电池不适合用于笔记本电脑或智能手机，由于它们只含有1克碳-14，这意味着它们供给的功率十分低--只要几微瓦，低于典型的AA电池。因而，到目前为止，它们的运用仅限于那些有必要长时间无人看守的小型设备，如传感器和心脏起搏器。

核电池的来源能够追溯到1913年，其时英国物理学家亨利-莫斯利发现，粒子辐射能够发生电流。在20世纪50年代和60年代，航空航天工业对莫斯利的发现十分感兴趣，由于它有可能为长时间使命的航天器供给动力。RCA公司也研讨了核电池在无线电接收机和助听器中的运用。

纳米钻石晶体

但为了开展和保持这项发明，还需求其他技能。在这方面，组成钻石的运用被认为是革命性的，由于它为放射性电池供给了安全性和导电性。跟着纳米技能的参加，一家美国公司打造了一个高功率的纳米钻石电池。

Arkenlight的碳-14钻石β辐射电转化电池的原型。

NDB公司总部坐落加利福尼亚州旧金山，成立于2012年，方针是发明一种更清洁、更环保的传统电池替代品。这家草创公司在2016年推出了其版别的依据钻石的电池，并宣告在2020年进行两项概念验证测验。它是企图将放射性钻石电池商业化的公司之一。NDB的纳米钻石电池被描绘为Alpha、Beta和中子辐射电池，依据他们官网的介绍，有如下特色：

持久性。该公司核算出这些电池能够继续28000年，这意味着它们能够为长时间使命中的空间飞行器、空间站和卫星供给牢靠的动力。地球上的无人机、电动汽车和飞机将永久不需求停下来充电。

安全。钻石不仅是最坚固的物质之一，也是世界上最有导热性的资料之一，这有助于维护电池中的放射性同位素所发生的热量，使其敏捷变成电流。

商场友好性。其间的PCD薄膜层使电池能够答应不同的形状和方法。这便是为什么纳米钻石电池能够有多种用处，进入不同的商场，从上述的空间运用到消费电子。不过，消费版寿数不会超越十年。

纳米钻石电池计划在2023年进入商场。

Arkenlight是将布里斯托尔的放射性钻石电池商业化的英国公司，计划在2023年下半年向商场发布他们的第一个产品。

放射性钻石电池的未来

现代电子设备的便携性，电动汽车的日益遍及，以及21世纪将人类带入火星的长时间太空使命的比赛，在曩昔几年中引发了人们对电池技能研讨的日益重视。

一些类型的电池更适合于某些运用，而对另一些运用则不那么有用。但咱们能够说，咱们了解的传统锂离子电池不会很快被放射性钻石电池替代。

传统电池的继续时间较短，但它们的制作本钱也更低。但是，与此同时，它们的寿数并不长(它们的寿数约为5年)，这也是一个问题，由于它们也会发生许多的电子废物，不简单收回。

放射性钻石电池更便利，由于它们的寿数比传统电池长许多。假如它们能像NDB公司提出的那样被开发成通用电池，那么咱们终究可能会得到比智能手机寿数长得多的电池。

但是，Arkenlight公司开发的钻石β辐射电转化技能不会走那么远。该公司正在研讨将其许多的碳-14betab电池堆叠成电池的规划。为了供给高功率的放电，每个电池能够伴跟着一个小型的超级电容器，这能够供给一个优异的快速放电才能。

但是，这种放射性资料的寿数也超越了5000年。假如辐射以气态方法从设备中走漏出来，可能会成为一个问题。这便是钻石呈现的原因。在钻石的构成中，C-14是一种固体，所以它不能被生物提取和吸收。

英国原子能办理局(UKAEA)核算，100磅(约45公斤)的碳-14足以拿来制作数百万个依据钻石的长寿数电池。这些电池还能够下降核废料的贮存本钱。

布里斯托尔大学研讨员汤姆-斯科特教授告知Nuclear Energy Insider说："经过直接从反应堆中去除辐照石墨中的碳-14，这将使剩下的废物产品的放射性下降，因而更简单办理和处置。处置石墨废物的本钱估量为：中级废物[ILW]每立方米46,000磅(60,000美元)，初级废物[LLW]每立方米3,000磅(4,000美元)。"

所有这些特色正是咱们需求的可继续未来的最佳挑选之一，咱们能够拭目而待，看看制作商是否能找到处理生产本钱和低能量输出的办法，并将他们的钻石基电池以本钱效益和可取得的办法推向商场。