Международная команда ученых совершила прорыв в области утилизации радиоактивных отходов, разработав уникальную батарею, которая способна преобразовывать энергию, выделяемую ядерными материалами, в электрический ток. В основе этой технологии лежит принцип преобразования гамма-излучения, побочного продукта работы атомных электростанций, в световую, а затем и в электрическую энергию.
Несмотря на то, что атомная энергетика является одним из главных источников чистой энергии, обеспечивая около пятой части электрогенерации во всем мире и минимизируя выбросы парниковых газов, проблема радиоактивных отходов остается серьезным вызовом. Радиоактивные отходы, представляющие опасность для окружающей среды и здоровья человека, требуют длительного и безопасного хранения. Новая разработка предлагает не просто решение проблемы утилизации, а превращение потенциально опасных материалов в ценный энергетический ресурс.
Сердцем новой батареи является комбинация сцинтилляционных кристаллов и фотоэлектрических элементов. Сцинтилляторы, обладающие способностью излучать свет при воздействии радиации, играют роль "радиационных антенн". Поглощая гамма-кванты, они испускают фотоны света, которые, в свою очередь, улавливаются солнечными элементами, преобразуясь в электрический ток. Команда ученых из Университета штата Огайо, возглавившая исследование, экспериментально доказала эффективность этого подхода, продемонстрировав возможность получения стабильного электрического выхода, достаточного для питания маломощных электронных устройств, таких как микрочипы и сенсоры.
Для тестирования прототипа, миниатюрного устройства объемом всего 4 кубических сантиметра, исследователи использовали два распространенных радиоактивных изотопа, цезий-137 и кобальт-60. Эти вещества, являющиеся продуктами деления ядерного топлива, представляют собой значительную часть радиоактивных отходов. Эксперименты проводились в контролируемых условиях Лаборатории ядерных реакторов Университета штата Огайо, специализированном центре, предназначенном для научных исследований и обучения в ядерной сфере, но не для промышленного производства энергии.
Результаты испытаний оказались многообещающими. При использовании цезия-137 батарея генерировала мощность в 288 нановатт. Переход к более мощному изотопу, кобальту-60, позволил увеличить выходную мощность до 1,5 микроватт. Хотя эти значения кажутся скромными в сравнении с бытовыми киловаттами, полученной энергии уже достаточно для питания миниатюрных датчиков и микроэлектроники, что открывает перспективы для применения в специализированных областях.
Ведущий автор исследования, профессор Раймонд Цао, подчеркивает, что, несмотря на текущие показатели мощности, технология обладает потенциалом масштабирования. При оптимизации конструкции и использовании более мощных источников радиации, подобные устройства могут быть доведены до уровня ватт и выше, что позволит расширить спектр их применения. Результаты работы опубликованы в научном журнале Optical Materials: X, что подтверждает их значимость для научного сообщества.
a.) Ядерная гальваническая батарея, где радиоактивные источники возникают из окружающего излучения; b.) Ядерная фотоэлектрическая батарея, которая улавливает внешнее излучение сцинтиллятором.
Разработчики видят будущее этих батарей в нишевых областях, в первую очередь, вблизи источников ядерных отходов. Это могут быть хранилища отработанного ядерного топлива, а также автономные ядерные системы, используемые в космосе или глубоководных исследованиях, где требуется надежный и долговечный источник энергии в условиях ограниченного доступа. Важно отметить, что, несмотря на использование гамма-излучения в процессе работы, сама батарея не содержит радиоактивных материалов и безопасна в обращении. Гамма-излучение, хотя и обладает высокой проникающей способностью, значительно превышающей обычное рентгеновское излучение, используется лишь как внешний источник энергии.
"Мы видим ценность в том, что обычно считается отходами, и стремимся превратить их в полезный ресурс", – отмечает профессор Цао, также возглавляющий Лабораторию ядерных реакторов Университета штата Огайо, подчеркивая экологическую и экономическую значимость разработки.
Исследователи также выявили влияние физических характеристик сцинтилляционных кристаллов на эффективность работы батареи. Размер и форма кристаллов оказались важными параметрами, определяющими объем поглощаемой радиации и, следовательно, количество генерируемого света и электрической энергии. Увеличение объема кристаллов и площади поверхности солнечных элементов способствует повышению общей производительности системы.
Ибрагим Оксуз, соавтор исследования, называет полученные результаты "прорывными" с точки зрения достигнутой мощности. Он отмечает, что двухступенчатый процесс преобразования энергии находится на начальном этапе развития, но дальнейшие исследования направлены на масштабирование технологии и достижение более высоких уровней мощности, измеряемых ваттами.
Ключевым преимуществом ядерных батарей является их потенциальная долговечность и автономность. Предполагается, что они смогут работать в течение длительного времени без необходимости обслуживания или замены, особенно в условиях высокого радиационного фона, где традиционные источники энергии могут быть неэффективны или небезопасны.
Несмотря на многообещающие перспективы, масштабирование производства таких батарей и снижение их стоимости остаются важными задачами. Дальнейшие исследования необходимы для всесторонней оценки эксплуатационных характеристик, ограничений и долговечности новых устройств в реальных условиях применения, подчеркивают ученые, выражая уверенность в том, что ядерные батареи займут важное место в энергетике будущего и в индустрии датчиков, открывая новые горизонты для использования ядерных технологий.
