Bateria diamant functioneaza mii de ani si este destinata dispozitivelor medicale, microelectronicii, etc.

Foto: https://jurnalfm.ro/bateria-diamant-radioactiva-care-va-functiona-timp-de-28-000-de-ani/

Sursa: https://en.wikipedia.org/wiki/Diamond_battery

Bateria diamant este denumirea unui concept de baterie nucleară propus de Institutul Cabot al Universității din Bristol în cadrul conferinței sale anuale[1], care a avut loc pe 25 noiembrie 2016 la Wills Memorial Building. Se propune ca această baterie să funcționeze pe baza radioactivității blocurilor de deșeuri de grafit (utilizate anterior ca material moderator de neutroni în reactoarele cu grafit-moderat) și ar urma să genereze cantități mici de energie electrică timp de mii de ani.

Bateria este o celulă beta-voltaică care utilizează carbon-14 (14C) sub formă de carbon asemănător cu diamantul (DLC) ca sursă de radiație beta și DLC suplimentar de carbon normal pentru a realiza joncțiunea semiconductoare necesară și a încapsula carbon-14[2].

Prototipuri

În prezent, niciun prototip cunoscut nu utilizează 14C ca sursă. Cu toate acestea, există câteva prototipuri care utilizează nichel-63 (63Ni) ca sursă, cu neelectroliți/semiconductori de diamant pentru conversia energiei, care sunt considerate ca fiind un pas înainte către un posibil prototip de baterie cu diamant 14C.

Prototipul Universității din Bristol

În anul 2016 cercetătorii de la Universitatea din Bristol au afirmat că au construit unul dintre aceste prototipuri de 63Ni[3][4].

Din FAQ (Frequently Asked Questions – Intrebari Puse Frecvent – documentul lor[5]), puterea estimată a unei celule mici de C-14 este de 15 J/zi timp de mii de ani. (Pentru referință, o baterie AA de aceeași mărime are aproximativ 10 kJ în total, ceea ce echivalează cu 15 J/zi timp de doar 2 ani). Aceștia menționează că nu este posibil să se înlocuiască direct o baterie AA cu această tehnologie, deoarece o baterie AA poate produce, de asemenea, rafale de putere mult mai mare. În schimb, bateria cu diamant este destinată aplicațiilor în care este necesară o rată de descărcare redusă pe o perioadă lungă de timp, cum ar fi explorarea spațială, dispozitivele medicale, comunicațiile pe fundul mării, microelectronica etc.

Prototipul Institutului de Fizică și Tehnologie din Moscova

În anul 2018 cercetătorii de la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova (MIPT), de la Institutul Tehnologic pentru Materiale de Carbon Superdure și Noi (TISNCM) și de la Universitatea Națională de Știință și Tehnologie (MISIS) au anunțat un prototip care utilizează straturi de 2 microni de grosime de folie de 63Ni intercalate între 200 de convertoare de diamant de 10 microni. Acesta a produs o putere de ieșire de aproximativ 1 μW la o densitate de putere de 10 μW/cm3. La aceste valori, densitatea sa de energie ar fi de aproximativ 3,3 Wh/g pe durata de înjumătățire de 100 de ani, de aproximativ 10 ori mai mare decât cea a bateriilor electrochimice convenționale[6].[6] Această cercetare a fost publicată în aprilie 2018 în revista Diamond and Related Materials[7].

Carbon-14

Cercetătorii încearcă să îmbunătățească eficiența și se concentrează pe utilizarea 14C radioactiv, care contribuie într-o mică măsură la radioactivitatea deșeurilor nucleare[3].

14C suferă dezintegrare beta, în care emite o particulă beta de energie scăzută pentru a deveni azot-14, care este stabil (nu este radioactiv)[8].

Aceste particule beta, care au o energie medie de 50 keV, suferă coliziuni inelastice cu alți atomi de carbon, creând astfel perechi electron-gaură care contribuie apoi la formarea unui curent electric. Acest lucru poate fi reformulat în termenii teoriei benzilor, spunând că, datorită energiei ridicate a particulelor beta, electronii din banda de valență a carbonului sar în banda de conducție a acestuia, lăsând în urmă găuri în banda de valență, acolo unde anterior erau prezenți electroni[9][4].

Mod de fabricare propus

În cazul reactoarelor moderate cu grafit, barele de uraniu fisionabil sunt plasate în interiorul unor blocuri de grafit. Aceste blocuri acționează ca un moderator de neutroni, al cărui scop este de a încetini neutronii rapizi, astfel încât să se poată produce reacții nucleare în lanț cu neutroni termici[10].[10] În timpul utilizării lor, unii dintre izotopii de carbon-12 și carbon-13, care nu sunt radioactivi, din grafit se transformă în 14C radioactiv prin captarea neutronilor[11].[11] Atunci când blocurile de grafit sunt îndepărtate în timpul dezafectării centralei, radioactivitatea indusă de acestea le califică drept deșeuri de joasă activitate care necesită o eliminare sigură.

Cercetătorii de la Universitatea din Bristol au demonstrat că o cantitate mare de 14C radioactiv era concentrată pe pereții interiori ai blocurilor de grafit. Din acest motiv, ei propun ca o mare parte din această cantitate să poată fi eliminată eficient din blocuri. Acest lucru se poate face prin încălzirea acestora până la punctul de sublimare de 3.915 K (3.642 °C; 6.587 °F), ceea ce va elibera carbonul sub formă gazoasă. După aceasta, blocurile vor fi mai puțin radioactive și, eventual, mai ușor de eliminat, cea mai mare parte a 14C radioactiv fiind extrasă[12].

Acești cercetători propun ca gazul 14C să fie colectat și utilizat pentru a produce diamante artificiale printr-un proces cunoscut sub numele de depunere chimică în stare de vapori, folosind presiune scăzută și temperatură ridicată, menționând că acest diamant ar fi o foaie subțire și nu ar avea tăietura stereotipică a diamantului. Diamantul rezultat din 14C radioactiv ar produce în continuare radiații beta, ceea ce, potrivit cercetătorilor, ar permite utilizarea acestuia ca sursă betavoltaică. De asemenea, cercetătorii susțin că acest diamant ar fi intercalat între diamante artificiale non-radioactive fabricate din 12C, care ar bloca radiațiile de la sursă și ar fi, de asemenea, utilizat pentru conversia energiei ca un semiconductor de diamant în locul semiconductorilor convenționali din siliciu[12].

Aplicații propuse

Având în vedere densitatea de putere foarte scăzută, eficiența de conversie și costul ridicat, un dispozitiv betavoltaic cu 14C este foarte asemănător cu alte dispozitive betavoltaice existente, care sunt potrivite pentru aplicații de nișă care au nevoie de foarte puțină energie (microwați) timp de mai mulți ani, în situații în care bateriile convenționale nu pot fi înlocuite sau reîncărcate cu ajutorul tehnicilor convenționale de recoltare a energiei[13][14][15]. Datorită timpului de înjumătățire mai lung, dispozitivul betavoltaic cu 14C poate avea un avantaj în ceea ce privește durata de viață în comparație cu alte dispozitive betavoltaice care utilizează tritiu sau nichel. Cu toate acestea, acest lucru se va realiza probabil cu prețul unei densități de putere și mai reduse.

Comercializare

În septembrie 2020, Morgan Boardman, bursier industrial și consultant de consultanță strategică în cadrul Aspire Diamond Group de la South West Nuclear Hub al Universității din Bristol, a fost numit director executiv al unei noi companii numite Arkenlight, care a fost creată în mod explicit pentru a comercializa tehnologia lor de baterii diamant și, eventual, alte dispozitive de radiații nucleare aflate în cercetare sau dezvoltare la Universitatea din Bristol[16].

 

Comentariu saccsiv:

Pe același subiect

Bateria diamant radioactivă care va funcționa timp de 28.000 de ani – Jurnal FM

Bateria diamant – Recobat

Ar putea fi realizate baterii de diamant din deșeuri nucleare? Unii susțin că da!

Cititi va rog si:

Pasărea Phoenix – sau cum sistemul se va putea reclădi și după o gigantică pană de curent electric ce va distruge digitalizarea: tehnologia de stocare a datelor „5D” pe cuarț permite salvarea unui volum gigantic de date, dispozitivul rezistă miliarde de ani și pentru citire n-ai nevoie de curent electric, ci de … microscop