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ダイヤモンド電池は、ブリストル大学キャボット研究所が2016年11月25日にウィルズ記念館で開催した年次講演[1]で提案した原子力電池の概念の名称です。この電池は、廃棄されたグラファイトブロック（以前はグラファイト減速炉で中性子減速材として使用されていました）の放射能で動作し、数千年にわたって少量の電気を生成することが提案されています。
この電池は、ベータ線源としてダイヤモンド状炭素（DLC）の形の炭素14（14C ）を使用し、必要な半導体接合を作り炭素14を封じ込めるために通常の炭素DLCを追加したベータボルタ電池です。 [2]
プロトタイプ
現在、14 C をその源として使用するプロトタイプは知られていません。ただし、エネルギー変換にダイヤモンド非電解質/半導体とともにニッケル 63 ( 63 Ni) を源として使用するプロトタイプがいくつかあり、これは14 C ダイヤモンド電池のプロトタイプへの足がかりになると考えられています。
ブリストル大学のプロトタイプ
2016年、ブリストル大学の研究者らは、63個のニッケルのプロトタイプのうちの1つを製作したと主張した。[3] [4]
彼らのよくある質問（FAQ文書[5]）によると、小型のC-14セルの推定電力は、数千年にわたって15 J/日です。（参考までに、同じサイズのAAバッテリーの合計電力は約10 kJで、これはわずか2年間で15 J/日に相当します。）彼らは、AAバッテリーをこの技術で直接置き換えることはできないと述べています。なぜなら、AAバッテリーははるかに高い電力のバーストも生成できるためです。代わりに、ダイヤモンドバッテリーは、宇宙探査、医療機器、海底通信、マイクロエレクトロニクスなど、長期間にわたって低い放電率が求められるアプリケーションを対象としています。
モスクワ物理工科大学のプロトタイプ
2018年、モスクワ物理工科大学（MIPT）、超硬・新炭素材料技術研究所（TISNCM）、国立科学技術大学（MISIS）の研究者らは、厚さ2ミクロンの63Ni箔を200個の10ミクロンダイヤモンドコンバーターで挟んだプロトタイプを発表した。このプロトタイプは、 10μW/cm 3の電力密度で約1μWの出力を生み出した。これらの値では、半減期100年でエネルギー密度は約3.3Wh/gとなり、従来の電気化学電池の約10倍となる。[6]この研究は、2018年4月にDiamond and Related Materials誌に掲載された。[7]
炭素14
研究者たちは効率性の向上に努めており、核廃棄物の放射能にわずかに寄与する放射性14Cの利用に焦点を当てている。[3]
14 Cはベータ崩壊を起こし、低エネルギーのベータ粒子を放出して安定した（放射性ではない）窒素14になります。 [8]
- 14
6Ｃ
→14
7いいえ
+0
−1β
平均エネルギーが50 keVのこれらのベータ粒子は、他の炭素原子と非弾性衝突を起こし、電子正孔対を生成して電流を発生させます。これはバンド理論の観点から言い換えると、ベータ粒子の高エネルギーにより、炭素価電子帯 の電子が伝導帯にジャンプし、電子が存在していた価電子帯に正孔を残すと言えます。 [9] [4]
提案された製造
黒鉛減速炉では、核分裂性ウラン棒が黒鉛ブロック内に配置されます。これらのブロックは中性子減速材として機能し、その目的は高速中性子を減速させて熱中性子による核連鎖反応を起こすことです。[10]使用中、黒鉛内の非放射性炭素12および炭素13同位体の一部は中性子を捕獲して放射性の炭素14に変換されます。[11]発電所の廃止措置中に黒鉛ブロックが除去されると、誘発放射能により、安全な処分を必要とする低レベル廃棄物として分類されます。
ブリストル大学の研究者らは、大量の放射性炭素14がグラファイトブロックの内壁に集中していることを実証した。このことから、研究者らは、その大部分をブロックから効果的に除去できると提案している。これは、ブロックを昇華点の 3,915 K (3,642 °C、6,587 °F) まで加熱することで可能であり、これにより炭素がガス状で放出される。この後、ブロックの放射性は低下し、放射性炭素14の大部分が抽出されるため、処分が容易になる可能性がある。 [12]
研究者らは、この14 Cガスを集めて、低圧・高温を用いた化学蒸着法と呼ばれる方法で人工ダイヤモンドを生産できると提案しているが、このダイヤモンドは薄いシート状になり、典型的なダイヤモンドカットではないと指摘している。放射性14 Cでできたダイヤモンドはベータ線を依然として生成するため、研究者らはこれをベータボルタ電源として使用できると主張している。研究者らはまた、このダイヤモンドを12 Cでできた非放射性人工ダイヤモンドに挟むことで放射線源からの放射線を遮断し、従来のシリコン半導体の代わりにダイヤモンド半導体としてエネルギー変換にも使用できると主張している。[12]
提案されたアプリケーション
14 Cベータボルタイックデバイスは、その非常に低い電力密度、変換効率、および高コストのため、従来のバッテリーが従来のエネルギーハーベスティング技術を使用して交換または再充電できない状況で、数年間非常に少ない電力（マイクロワット）を必要とするニッチなアプリケーションに適した他の既存のベータボルタイックデバイスと非常によく似ています。 [13] [14] [15]半減期が長いため、14 Cベータボルタイックは、トリチウムまたはニッケルを使用する他のベータボルタイックと比較して、耐用年数の点で有利である可能性があります。ただし、これはおそらく電力密度のさらなる低下を犠牲にして得られるでしょう。
商業化
2020年9月、ブリストル大学サウスウェスト原子力ハブのアスパイアダイヤモンドグループの産業フェロー兼戦略顧問コンサルタントであるモーガン・ボードマンが、ブリストル大学で研究開発中のダイヤモンド電池技術やその他の核放射線装置を商業化することを明確に目的として設立されたアーケンライトという新会社のCEOに任命されました。 [16] 2024年9月、アーケンライトは14Cダイヤモンドを作成したと発表しました。[17]
参考文献
- ^ 「2016年度年次講演会：世界を変えるアイデア」ブリストル大学。2020年10月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年12月1日閲覧。
- ^ 「核廃棄物とダイヤモンドで5,000年もつ電池が作れる」Seeker . 2016年11月30日。
- ^ ab DiStaslo, Cat (2016年12月2日). 「科学者が核廃棄物を実質的に永久に持続するダイヤモンド電池に変える」Inhabitat。
- ^ ab 「ダイヤモンド原子力電池は100μWを5,000年間発電可能」。Electronics Weekly。 2016年12月2日。
- ^ 「ダイヤモンド電池に関するFAQ」（PDF）。ブリストル大学。2022年11月20日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF）。2022年11月21日閲覧。
- ^ 「プロトタイプの原子力電池は10倍の電力を蓄える」mipt.ru。
- ^ ボルマショフ、VS;トロシエフ、S.Yu。タレルキン、SA;ボルコフ、AP;テテルク、DV;ゴロバノフ、AV;ミシシッピ州クズネツォフ。ネバダ州コルニーロフ。テレンティエフ、SA;バージニア州ブランク（2018年4月）。 「ダイヤモンドショットキーダイオードをベースにした高出力密度核電池プロトタイプ」。ダイヤモンドおよび関連材料。84：41～47。Bibcode :2018DRM....84...41B。土井：10.1016/j.diamond.2018.03.006。
- ^ 「核反応/ベータ崩壊」. libretexts.org . 2013-11-26.
- ^ 「Flash Physics: 核ダイヤモンド電池、MGKメノン死去、4つの新元素に命名」Physics World 2016年11月30日。
- ^ 「原子力電池の開発による発電の『ダイヤモンド時代』」。YouTube 。ブリストル大学。2016年11月28日。
- ^ 「放射性ダイヤモンド電池：核廃棄物の有効活用」Forbes 2016年12月9日。
- ^ ab 「原子力電池の開発による発電の『ダイヤモンド時代』」ブリストル大学。2016年11月25日。
- ^ “ブリストル大学プレスリリース発行日：2016年11月25日”. 2022年11月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年12月3日閲覧。
- ^ 「ブリストル大学学際的Aspireプロジェクト、2017」。2021年5月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年10月2日閲覧。
- ^ 「トリチウム電池を原子力発電の源として」シティラボ2023年5月25日閲覧。
- ^ “New Atlas (formerly Gizmag) interview with Dr Boardman”. 2020年9月30日. 2022年11月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年10月2日閲覧。
- ^ Arkenlight (2024-09-29). 「Arkenlight – 非常に便利なもののための素晴らしいパワー」. Arkenlight 最新アップデート. 2024-11-07閲覧。
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外部リンク
- バッテリーを提案したスピーチ
- 放射性「ダイヤモンド電池」は本当に存在するのか？