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放射性金刚石电池是核废料的解决方案吗?

发表时间:2021-09-09 14:24作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com
这些电池是由核废料制成的,可以持续数千年。


核电被认为是一种清洁能源,因为它的二氧化碳排放量为零;然而,与此同时,随着世界各地越来越多的反应堆的建成,会产生大量危险的放射性废物,并不断堆积。


专家们针对这个问题提出了不同的解决方案,以更好地保护环境和人们的健康。由于没有足够的安全储存空间来处理核废料,这些想法的焦点是材料的再利用。


放射性金刚石电池于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。


什么是放射性金刚石电池?

放射性金刚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贝塔伏特设备提出的,该发明被描述为一种贝塔伏特装置,这意味着它由核废料的贝塔(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与中子比率时,就会发生这种衰变。这就产生了一种被称为β辐射的电离辐射,它涉及大量高速和高能电子或称为β粒子的正电子。


β粒子含有核能,可以通过半导体转化为电能。


一个典型的贝塔伏特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,将半导体中的电子打散,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。


放射性金刚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。


金刚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,你会得到一个不需要充电的长期电池。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,布里斯托尔团队警告说,他们的放射性金刚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。


纳米钻石放射性电池

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。


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,一家美国公司建造了一个高功率的纳米钻石电池。


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年推出了它的金刚石基电池版本,并宣布在2020年进行两项概念验证测试。它是试图将放射性金刚石电池商业化的公司之一。


NDB的纳米金刚石电池被描述为阿尔法、贝塔和中子伏特电池,根据他们的网站,有几个新的特点。


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。


安全性。金刚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。这就是为什么纳米金刚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,消费版不会超过十年。


纳米金刚石电池计划在2023年进入市场。


Arkenlight是将布里斯托尔的放射性金刚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,一个微型电池。


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金刚石电池取代。


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。


放射性金刚石电池更方便,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,我们可以简单地将电池从一个手机换到另一个,就像我们现在转移SIM卡一样。


然而,Arkenlight公司开发的金刚石贝塔伏特不会走那么远。该公司正在研究将其大量的碳-14贝塔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。这就是金刚石出现的原因。在金刚石的形成中,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可以允许制造数百万个基于金刚石的长寿命电池。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)。"


所有这些特点不正是我们需要的可持续未来的最佳选择之一吗?我们将不得不拭目以待,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,并将他们的金刚石基电池以成本效益和可获得的方式推向市场。


化合积电一直专注于金刚石材料的研发和生产,现在已有晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石金属化等相关产品和服务,且经过多年技术沉淀,领衔基础研究和重大突破进展,获得通讯、半导体激光器、军工等头部企业的认可。

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