Искусственные алмазы позволят превратить ядерные отходы в источник энергии - «Наука и технологии»

Одной из главных проблем 21-го века является проблема утилизации отходов ядерных электростанций, которые, как правило, отправляются на длительное хранение в специально предназначенные для этого хранилища. Однако, в состав отходов ядерных электростанций входит достаточно большое количество радиоактивных изотопов, которые необходимы для их использования в промышленности и медицине, кроме этого некоторые из изотопов содержат большое количество заключенной в них энергии. И ученые-физики и химики из Бристольского университета нашли способ преобразования тысяч тонн ядерных отходов определенного вида в своего рода алмазные ядерные батареи, которые способны вырабатывать пусть небольшой электрический ток, но делать это на протяжение срока, превышающего срок существования человеческой цивилизации.

Бристольская группа работала над проблемой переработки отходов одного из основных источников этих отходов в Великобритании - устаревших ядерных реакторов типа Magnox, которые, отработав уже по половине столетия, начинают списываться и заменяться более современными реакторами. Эти реакторы первого поколения используют графитовые блоки в качестве регуляторов скорости реакции ядерного расщепления, поглощая и замедляя нейтроны. Десятилетия пребывания в условиях высокой радиации привели к тому, что часть обычного нейтрального углерода в графите превратилась в радиоактивный изотоп углерод-14. И таких графитовых блоков скопилось сейчас в Британии в количестве более 100 тонн.

При распаде углерода-14 вырабатывается низкоэнергетическое бета-излучение, состоящее из электронов, которые не способны "пробить" уже несколько сантиметров воздуха. Тем не менее, большое количество радиоактивных графитовых блоков представляет собой опасность для окружающей среды, и вместо того, чтобы похоронить все это "добро", бристольские ученые нашли способ выделения из него практически всего углерода-14 и превращения этого углерода в искусственный алмаз.

Бристольские исследователи обнаружили, что большая часть углерода-14 сосредоточена внутри графитовых блоков неравномерно, естественно, большая часть радиоактивного изотопа находится в тех частях блоков, которые находились ближе всего к урановым топливным стержням. Поэтому ученые нагрели графитовые блоки с более радиоактивной стороны до температуры, когда радиоактивный углерод покинул графит в виде газа. Это газ был собран, охлажден и под высоким давлением преобразован в искусственный алмаз.

Алмаз является веществом, которое под воздействием определенных видов радиоактивного излучения производит небольшой электрический ток. А в данном случае алмаз, состоящий преимущественно из радиоактивного углерода, сам является источником этой радиации. Поэтому алмазная ядерная батарея не имеет никаких движущихся частей, она поглощает создаваемую ею же радиацию и не требует никакого обслуживания.

Искусственные алмазы, изготовленные из углерода-14 достаточно радиоактивны, поэтому они облачены в слой из обычного нерадиоактивного искусственного алмаза. Этот слой удерживает бета-излучение достаточно хорошо, снижая его интенсивность практически до нуля, а высокая прочность алмаза позволяет ему выступать в роли защиты, обеспечивающей сохранность внутреннего радиоактивного ядра батареи.

Бристольские ученые уже создали первый опытный образец алмазной ядерной батареи с ядром, в составе которого находится радиоактивный изотоп никель-63. А сейчас они приступают к изготовлению такой же батареи с ядром на основе углерода-14, которая будет более эффективна, нежели никелевая батарея. Более того, из-за очень длительного периода полураспада углерода-14, батарея на его основе сможет через 5 730 лет вырабатывать половину от ее изначальной мощности.

"Мы предполагаем, что такие батареи могут быть использованы в ситуациях, когда невозможно произвести подзарядку аккумуляторов из любых внешних источников энергии" - рассказывает профессор Том Скотт (Tom Scott), - "Алмазные ядерные батареи смогут стать источником энергии для малопотребляющих электронных устройств, они смогут снабжать энергией в течение очень длительного времени высотные беспилотные летательные аппараты, космические корабли и многое другое".