Дослідники розробили батарею, яка може перетворювати ядерну енергію на електрику за допомогою випромінювання світла, йдеться у новому дослідженні, яке було опубліковано в журналі Optical Materials: X.
Атомні електростанції, які виробляють близько 20% усієї електроенергії, що виробляється у Сполучених Штатах, практично не виробляють викидів парникових газів. Однак ці системи створюють радіоактивні відходи, які можуть бути небезпечними для здоров'я людини та навколишнього середовища. Безпечна утилізація цих відходів може бути складною.
Використовуючи комбінацію сцинтиляційних кристалів, матеріалів високої щільності, які випромінюють світло при поглинанні випромінювання, та сонячних елементів, група під керівництвом дослідників з Університету штату Огайо продемонструвала, що навколишнє гамма-випромінювання може бути зібране для отримання достатньо сильного електричного вихідного сигналу для живлення мікроелектроніки.
Для випробування цієї батареї, яка є прототип розміром близько 4 кубічних сантиметрів, дослідники використовували два різних радіоактивних джерела, цезій-137 і кобальт-60, одних з найбільш значущих продуктів поділу, які виходять з відпрацьованого ядерного палива. Батарею було випробувано в Лабораторії ядерного реактора Університету штату Огайо. Лабораторія підтримує дослідження студентів та викладачів, освіту студентів та обслуговування промисловості – вона не виробляє електроенергію.
Їх результати показали, що при використанні цезію-137 батарея виробляла 288 нановатів. Однак з набагато сильнішим ізотопом кобальтом-60 батарея виробляла 1,5 мікровата потужності, що приблизно достатньо для включення крихітного датчика.
Хоча більшість вихідних потужностей для будинків та електроніки вимірюються в кіловатах, це говорить про те, що при правильному джерелі живлення такі пристрої можна масштабувати для цільових додатків на рівні ватів або вище, сказав Реймонд Као, провідний автор дослідження та професор машинобудування та аерокосмічної техніки в Університеті штату Огайо.
Дослідники заявили, що ці батареї призначені для використання поблизу місць виробництва ядерних відходів, наприклад, у басейнах зберігання ядерних відходів або ядерних системах для дослідження космосу та глибоководних районів, вони не призначені для громадського використання. На щастя, хоча гамма-випромінювання, що використовується в цій роботі, приблизно в сто разів більш проникне, ніж звичайне рентгенівське або комп'ютерне сканування, сама батарея не містить радіоактивних матеріалів, що означає, що до неї, як і раніше, безпечно торкатися.
"Ми збираємо те, що за своєю природою вважається відходами, і намагаємося перетворити це на скарб", - сказав Као, який також є директором Лабораторії ядерного реактора Університету штату Огайо.
Згідно з дослідженням, батарея команди також могла отримати збільшення потужності через склад прототипу сцинтиляційного кристала, який команда вирішила використати. Вони виявили, що навіть форма і розмір кристалів можуть впливати на кінцевий електричний вихід, оскільки більший об'єм дозволяє йому поглинати більше випромінювання та перетворювати цю додаткову енергію на більшу кількість світла. Велика площа поверхні допомагає сонячному елементу виробляти більше енергії.
"Це проривні результати з погляду вихідної потужності", - сказав Ібрагім Оксуз, співавтор дослідження та науковий співробітник у галузі машинобудування та аерокосмічної техніки в Університеті штату Огайо. «Цей двоетапний процес все ще знаходиться на попередній стадії, але наступний крок передбачає більшу вихідну генерацію за допомогою конструкцій, що масштабуються».
Оскільки батареї такого типу, швидше за все, опиняться в середовищах, де вже існують високі рівні радіації, і не будуть доступними для населення, ці довговічні пристрої не забруднюють навколишнє середовище. Що ще важливіше, вони можуть працювати без необхідності в плановому обслуговуванні.
Масштабування цієї технології буде дорогим, якщо ці батареї не будуть надійні, сказав Цао. Необхідні подальші дослідження для оцінки корисності та обмежень батарей, включаючи те, як довго вони можуть прослужити після безпечного впровадження, сказав Оксуз.
"Концепція ядерної батареї дуже перспективна", - сказав він. «Ще багато можливостей для вдосконалення, але я вірю, що в майбутньому цей підхід займе важливе місце як у сфері виробництва енергії, так і датчиків».
