Серьезной проблемой современной ядерной энергетики является утилизация радиоактивных отходов, которые остаются опасными для здоровья человека и окружающей среды в течение длительного времени. Исследователи из Университета штата Огайо разработали прототип батареи, способной преобразовывать энергию радиоактивного распада в электричество, что потенциально может стать способом переработки этих опасных материалов и снижения антропогенного воздействия на окружающую среду.
Команда ученых продемонстрировала, как гамма-излучение, испускаемое ядерными отходами, можно использовать для питания микроэлектроники. Принцип действия основан на применении сцинтилляционных кристаллов, которые излучают свет при воздействии радиации, и фотоэлементов, преобразующих этот свет в электричество. Директор Лаборатории ядерных реакторов Университета штата Огайо, Cao, сообщил, что исследователи, по сути, собираются превратить отходы, загрязняющие окружающую среду, в полезный продукт.
Созданный прототип батареи объемом около 4 кубических сантиметров был протестирован с двумя радиоактивными источниками – цезием-137 и кобальтом-60, являющимися значительными побочными продуктами отработавшего ядерного топлива. Испытания проводились в Лаборатории ядерных реакторов Университета штата Огайо, которая занимается научными исследованиями и образовательными программами, но не производит электроэнергию для коммерческого использования.
При воздействии цезия-137 батарея вырабатывала 288 нановатт электроэнергии. При использовании более мощного источника – кобальта-60 – выходная мощность возрастала до 1,5 микроватт, чего достаточно для питания небольшого датчика. Хотя потребности в электроэнергии для бытовых и промышленных нужд измеряются в киловаттах, полученные результаты показывают, что при использовании более мощных источников радиации технологию можно масштабировать до уровня ватт и выше. Ведущий автор исследования, профессор кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Университете штата Огайо Раймонд Цао, заявил, что новая технология кардинально отличается от большинства существующих и знаменует собой новую эру, где, например, сердечный клапан сможет регенерировать внутри пациента.
Результаты исследования опубликованы в журнале Optical Materials: X.
Предполагается, что такие батареи найдут применение вблизи хранилищ ядерных отходов или в средах с высоким уровнем радиации, например, при исследовании космоса или морских глубин, но не предназначены для широкого использования. Отмечается, что, хотя гамма-излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, чем рентгеновское излучение или компьютерная томография, сама батарея не содержит радиоактивных материалов и безопасна в обращении.
Исследование показало, что размер и форма сцинтилляционных кристаллов влияют на выходную мощность: более крупные кристаллы поглощают больше радиации, что приводит к более высокой эффективности преобразования энергии. Следующим шагом станет масштабирование технологии для увеличения выработки электроэнергии. Соавтор исследования, научный сотрудник кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Университета штата Огайо, Ибрагим Оксуз, назвал полученные результаты прорывными с точки зрения выходной мощности. Он пояснил, что двухэтапный процесс все еще находится на начальной стадии, но следующий этап включает в себя создание более масштабных конструкций, способных генерировать мощность в ваттах. Подчеркивается, что поскольку эти батареи предназначены для работы в средах с высоким уровнем радиации, они не способствуют дополнительному загрязнению окружающей среды и требуют минимального обслуживания.
Масштабирование производства потребует значительных затрат, и в настоящее время исследователи работают над повышением доступности и эффективности батарей. Оксуз отметил, что концепция ядерной батареи очень многообещающая, и, хотя есть возможности для улучшения, он верит, что в будущем этот подход займет важное место как в производстве энергии, так и в индустрии датчиков.
Также упоминается схожая технология бетавольтаических устройств. Эти батареи генерируют электричество, улавливая бета-частицы, испускаемые радиоактивными материалами. Примером является батарея NanoTritium, разработанная City Labs Inc., которая использует тритий (изотоп водорода) для обеспечения непрерывного низкоуровневого питания в течение более чем 20 лет. Такие батареи особенно полезны для питания датчиков, медицинских имплантатов и коммуникационного оборудования, особенно в средах, где регулярное обслуживание затруднено.