12 просмотров

Являются ли радиоактивные алмазные батареи решением проблемы ядерных отходов?

Ядерная энергетика считается чистым источником энергии, потому что она не имеет выбросов углекислого газа; но в то же время он производит огромное количество опасных радиоактивных отходов, которые накапливаются по мере того, как в мире строится все больше и больше реакторов.

Специалисты предлагали разные решения этой проблемы, чтобы лучше заботиться об окружающей среде и здоровье людей. При недостаточном безопасном пространстве для захоронения ядерных отходов центральным элементом этих идей является повторное использование материалов.

Смотрите также

Радиоактивные алмазные батареи были впервые разработаны в 2016 году и сразу же получили признание, поскольку обещали новый, экономически эффективный способ переработки ядерных отходов. В этом контексте неизбежно обдумывать, являются ли они окончательным решением для этих токсичных, смертельных остатков.

Что такое радиоактивные алмазные батареи?

Радиоактивные алмазные батареи были впервые разработаны группой физиков и химиков из Института окружающей среды Кэбота Бристольского университета. Изобретение было представлено как бета-вольтаическое устройство, что означает, что оно питается от бета-распада ядерных отходов.

Бета-распад — это тип радиоактивного распада, который происходит, когда ядро ​​атома имеет избыток частиц и высвобождает часть из них для получения более стабильного соотношения протонов и нейтронов.Это создает своего рода ионизирующее излучение, называемое бета-излучением, в котором участвует множество высокоскоростных и высокоэнергетических электронов или позитронов, известных как бета-частицы.

Статья в тему:  Как сделать в майнкрафте самодостаточную атомную электростанцию.

Бета-распад

Бета-частицы содержат ядерную энергию, которая может быть преобразована в электрическую через полупроводник.

Типичный бетагальванический элемент состоит из тонких слоев радиоактивного материала, помещенных между полупроводниками. Когда ядерный материал распадается, он испускает бета-частицы, которые выбивают электроны из полупроводника, создавая электрический ток.

Однако плотность мощности радиоактивного источника тем ниже, чем дальше он находится от полупроводника. Вдобавок ко всему, поскольку бета-частицы беспорядочно испускаются во всех направлениях, лишь небольшое их количество попадет в полупроводник и только небольшое их количество будет преобразовано в электричество. Это означает, что ядерные батареи гораздо менее эффективны, чем батареи других типов. Здесь на помощь приходит поликристаллический алмаз (PCD).

Батареи с радиоактивными алмазами изготавливаются с использованием процесса, называемого химическим осаждением из паровой фазы, который широко используется для производства искусственных алмазов. Он использует смесь водородной и метановой плазмы для выращивания алмазных пленок при очень высоких температурах. Исследователи модифицировали процесс CVD для выращивания радиоактивных алмазов, используя радиоактивный метан, содержащий радиоактивный изотоп углерод-14, который содержится в графитовых блоках облученного реактора.

Самый популярный

Алмаз — один из самых твердых материалов, известных человечеству, — он даже тверже карбида кремния. И он может выступать как радиоактивный источник, так и полупроводник. Подвергните его бета-излучению, и вы получите долговечную батарею, которую не нужно перезаряжать. Ядерные отходы в его внутренностях подпитывают его снова и снова, позволяя ему заряжаться на века.

Статья в тему:  Как изолировать ядерный расплав

Однако группа ученых из Бристоля предупредила, что их радиоактивные алмазные батареи не подходят для ноутбуков или смартфонов, поскольку они содержат всего 1 г углерода-14, а это означает, что они обеспечивают очень низкую мощность — всего несколько микроватт, что меньше типичного батарея АА. Поэтому их применение пока ограничивается небольшими устройствами, которые должны долгое время оставаться без присмотра, такими как датчики и кардиостимуляторы.

Наноалмазные радиоактивные батареи

Происхождение ядерных батарей можно проследить до 1913 года, когда английский физик Генри Мозли обнаружил, что излучение частиц может генерировать электрический ток. В 1950-х и 1960-х годах аэрокосмическая промышленность была очень заинтересована в открытии Мозли, поскольку оно потенциально могло приводить в действие космические корабли для длительных миссий. Корпорация RCA также исследовала применение ядерных батарей в радиоприемниках и слуховых аппаратах.

Но для развития и поддержки изобретения требовались другие технологии. В связи с этим использование синтетических алмазов считается революционным, так как они обеспечивают безопасность и проводимость радиоактивной батареи. С добавлением нанотехнологий американская компания построила мощную наноалмазную батарею.

Синтетические кристаллы наноалмаза

Основанная в Сан-Франциско, штат Калифорния, компания NDB Inc. была основана в 2012 году с целью создания более чистой и экологичной альтернативы обычным батареям. Стартап представил свою версию аккумуляторов на основе алмазов в 2016 году и объявил о двух контрольных испытаниях в 2020 году. Это одна из фирм, пытающихся коммерциализировать радиоактивные алмазные аккумуляторы.

Статья в тему:  Как Северная Корея бурит скважины для ядерного оружия

Нано-алмазные батареи от NDB описываются как альфа-, бета- и нейтронные гальванические батареи и имеют несколько новых функций, согласно их веб-сайту.

      Долговечность. Фирма подсчитала, что батареи могут работать до 28 000 лет, а это означает, что они могут надежно питать космические аппараты в длительных миссиях, космические станции и спутники.Дронам, электромобилям и самолетам на Земле никогда не потребуется делать остановки для подзарядки.

    Планируется, что наноалмазные батареи появятся на рынке в 2023 году.

    Arkenlight, английская фирма, коммерциализирующая бристольскую батарею с радиоактивными алмазами, планирует выпустить на рынок свой первый продукт, микробатарею, во второй половине 2023 года.

    Будущее батарей на основе радиоактивных алмазов

    Портативность современных электронных устройств, растущая популярность электромобилей и гонка 21-го века по отправке человечества в длительные космические полеты на Марс вызвали в последние несколько лет растущий интерес к исследованиям аккумуляторных технологий.

    Некоторые типы батарей больше подходят для одних приложений и менее полезны для других. Но можно сказать, что привычные нам обычные литий-ионные аккумуляторы в ближайшее время не будут заменены радиоактивными алмазными аккумуляторами.

    Обычные батареи служат меньше времени, но они также намного дешевле в производстве. Однако, в то же время, тот факт, что они не служат так долго (у них срок службы около пяти лет), является проблематичным, поскольку они также производят большое количество электронных отходов, которые нелегко перерабатывать.

    Радиоактивные алмазные батареи более удобны, поскольку имеют гораздо больший срок службы, чем обычные батареи. Если их можно превратить в универсальную батарею, как предлагает NDB Inc., мы могли бы получить батареи для смартфонов, срок службы которых намного превышает срок службы смартфона, и мы могли бы просто менять батарею с одного телефона на другой, почти так же, как теперь мы переносим SIM-карту.

    Однако алмазная бета-вольтаика, разработанная Arkenlight, не зайдет так далеко. Компания работает над конструкциями, в которых большое количество бета-батарей с углеродом-14 собирается в ячейки. Чтобы обеспечить разряд высокой мощности, каждая ячейка может сопровождаться небольшим суперконденсатором, который может обеспечить превосходную способность к быстрой разрядке.

    Однако этот радиоактивный материал также имеет срок службы более 5000 лет. Если это излучение выйдет из устройства в газообразном виде, это может стать проблемой. Вот тут-то и появляются алмазы. В алмазной формации С-14 является твердым телом, поэтому его нельзя извлечь и поглотить живое существо.

    Управление по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA) подсчитало, что 100 фунтов (примерно 45 кг) углерода-14 могут позволить изготовить миллионы аккумуляторов на основе алмазов с длительным сроком службы. Эти батареи могли бы также снизить затраты на хранение ядерных отходов.

    Об этом сообщил исследователь Бристольского университета профессор Том Скотт. Инсайдер ядерной энергетики что «удаление углерода-14 из облученного графита непосредственно из реактора сделает оставшиеся отходы менее радиоактивными и, следовательно, с ними будет легче обращаться и утилизировать. Смета затрат на утилизацию графитовых отходов составляет 46 000 фунтов (60 000 долларов США) за кубический метр среднеактивных отходов [ILW] и 3 000 фунтов (4000 долларов США) за кубический метр низкоактивных отходов [LLW]».

    голоса
    Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x