科学家将核废料转化为可持续使用1000年的钻石电池

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年首次被开发出来并立即受到好评，因为它们承诺提供一种新的、具有成本效益的核废料回收方式。在这种情况下，不可避免地要斟酌它们是否是这些有毒、致命残留物的最终解决方案。

什么是放射性钻石电池？

放射性钻石电池最初是由布里斯托尔大学卡博特环境研究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辐射电转换设备提出的，这意味着它是由核废料的β衰变提供动力。

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释放一些粒子以获得更稳定的质子和中子的比例时就会发生。这就产生了一种被称为β辐射的电离辐射，其中涉及大量被称为β粒子的高速和高能电子或正电子。β粒子含有核能，可以通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释放一些粒子以获得更稳定的质子和中子的比例时就会发生。

一个典型的betvoltaic电池由置于半导体之间的放射性材料薄层组成。当核材料衰变时，它发射出β粒子，将半导体中的电子击散，产生电流。然而，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，只有少数粒子会击中半导体，而其中只有少数粒子会被转化为电能。这意味着核电池的效率比其他类型的电池低得多。这就是聚晶金刚石（PCD）的作用。

放射性钻石电池是使用一种叫做化学气相沉积的工艺制造的，这种工艺被广泛用于人造钻石的制造。它使用氢气和甲烷的混合等离子体，在非常高的温度下生长金刚石薄膜。研究人员通过使用含有放射性同位素Carbon-14的放射性甲烷，对CVD工艺进行了修改以生长放射性钻石，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材料之一--它甚至比碳化硅更硬。而且它既可以作为一个放射源，也可以作为一个半导体。把它暴露在β射线下会得到一个不需要充电的长效电池。它内部的核废料一次又一次地为它提供燃料，使它能够长期自我充电。然而，布里斯托尔的科研团队警告说，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，因为它们只含有1克碳-14，这意味着它们提供的功率非常低--只有几微瓦，低于典型的AA电池。因此，到目前为止，它们的应用仅限于那些必须长时间无人看管的小型设备，如传感器和心脏起搏器。

核电池的起源可以追溯到1913年，当时英国物理学家亨利-莫斯利发现，粒子辐射可以产生电流。在20世纪50年代和60年代，航空航天工业对莫斯利的发现非常感兴趣，因为它有可能为长期任务的航天器提供动力。RCA公司也研究了核电池在无线电接收机和助听器中的应用。

纳米钻石晶体

但为了发展和维持这项发明，还需要其他技术。在这方面，合成钻石的使用被认为是革命性的，因为它为放射性电池提供了安全性和导电性。随着纳米技术的加入，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辐射电转换电池的原型。

NDB公司总部位于加利福尼亚州旧金山，成立于2012年，目标是创造一种更清洁、更环保的传统电池替代品。这家初创公司在2016年推出了其版本的基于钻石的电池，并宣布在2020年进行两项概念验证测试。它是试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述为Alpha、Beta和中子辐射电池，根据他们官网的介绍，有如下特点：

持久性。该公司计算出这些电池可以持续28000年，这意味着它们可以为长期任务中的空间飞行器、空间站和卫星提供可靠的动力。地球上的无人机、电动汽车和飞机将永远不需要停下来充电。

安全。钻石不仅是最坚硬的物质之一，也是世界上最有导热性的材料之一，这有助于保护电池中的放射性同位素所产生的热量，使其迅速变成电流。

市场友好性。其中的PCD薄膜层使电池可以允许不同的形状和形式。这就是为什么纳米钻石电池可以有多种用途，进入不同的市场，从上述的空间应用到消费电子。不过，消费版寿命不会超过十年。

纳米钻石电池计划在2023年进入市场。

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年下半年向市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，电动汽车的日益普及，以及21世纪将人类带入火星的长期太空任务的竞赛，在过去几年中引发了人们对电池技术研究的日益关注。

一些类型的电池更适合于某些应用，而对另一些应用则不那么有用。但我们可以说，我们熟悉的传统锂离子电池不会很快被放射性钻石电池取代。

传统电池的持续时间较短，但它们的制造成本也更低。然而，与此同时，它们的寿命并不长（它们的寿命约为5年），这也是一个问题，因为它们也会产生大量的电子垃圾，不容易回收。

放射性钻石电池更方便，因为它们的寿命比传统电池长很多。如果它们能像NDB公司提出的那样被开发成通用电池，那么我们最终可能会得到比智能手机寿命长得多的电池。

然而，Arkenlight公司开发的钻石β辐射电转换技术不会走那么远。该公司正在研究将其大量的碳-14betab电池堆叠成电池的设计。为了提供高功率的放电，每个电池可以伴随着一个小型的超级电容器，这可以提供一个优秀的快速放电能力。

然而，这种放射性材料的寿命也超过了5000年。如果辐射以气态形式从设备中泄漏出来，可能会成为一个问题。这就是钻石出现的原因。在钻石的形成中，C-14是一种固体，所以它不能被生物提取和吸收。

英国原子能管理局（UKAEA）计算，100磅（约45公斤）的碳-14足以拿来制造数百万个基于钻石的长寿命电池。这些电池还可以降低核废料的储存成本。

布里斯托尔大学研究员汤姆-斯科特教授告诉Nuclear Energy Insider说："通过直接从反应堆中去除辐照石墨中的碳-14，这将使剩余的废物产品的放射性降低，因此更容易管理和处置。处置石墨废物的成本估计为：中级废物[ILW]每立方米46,000磅（60,000美元），低级废物[LLW]每立方米3,000磅（4,000美元）。"

所有这些特点正是我们需要的可持续未来的最佳选择之一，我们可以拭目以待，看看制造商是否能找到处理生产成本和低能量输出的方法，并将他们的钻石基电池以成本效益和可获得的方式推向市场。