باتری هسته ای چیست و چطور کار می کند؟

محمد رمضانی
دسته بندی : مقالات انرژی
One Comment

در سال های اخیر انرژی هسته ای به عنوان منبع انرژی پاک در نظر گرفته می شود زیرا انتشار دی اکسید کربن در آن صفر است. با این حال نیروگاه های هسته ای مقدار زیادی زباله خطرناک و رادیواکتیو تولید می کنند که با ساختن راکتورهای بیشتر در سراسر جهان مقدار این زباله های هسته ای بیشتر شده و دفن آنها به یکی از بزرگترین معظلات سالهای اخیر تبدیل شده است.

کارشناسان راهکارهای متفاوتی را برای این مسئله به منظور مراقبت بیشتر از محیط زیست و حفظ سلامت مردم پیشنهاد کرده اند. با وجود فضای کافی برای دفن ایمن زباله های هسته ای، نکته برجسته در ایده باتری های هسته ای استفاده مجدد از زباله های هسته ای می باشد.

تاریخچه باتری های هسته ای

ریشه تولید باتری های هسته ای را می توان در سال 1913 پیدا کرد زمانی که فیزیکدان انگلیسی هنری موزلی دریافت که تابش ذرات رادیواکتیو می تواند جریان الکتریکی ایجاد کند. در دهه های 1950 و 1960 همزمان با مسابقات فضایی بین شوروی و ایالات متحده صنعت هوافضا در هر دو کشور علاقه زیادی به کشف موزلی داشت، زیرا می توانستند با کمک باتری های هسته ای نیروی مورد نیاز سفینه های فضایی را برای مأموریت های طولانی تامین کنند در آن زمان شرکت RCA Corporation که یکی از بزرگترین شرکت های آمریکایی تجهیزات الکترونیکی در آن زمان بود در مورد کاربرد باتری های هسته ای در گیرنده های رادیویی و سمعک ها تحقیق کرد.

اما برای توسعه این اختراع به فناوریهای دیگری نیاز بود که در آن زمان وجود نداشت. در این رابطه ، استفاده از الماس مصنوعی انقلابی را بوجود آورد بدلیل اینکه ایمنی و پایداری را برای باتری هسته ای فراهم می کند.

باتری الماس رادیواکتیو چیست؟

به نقل از interestingengineering باتری الماس رادیواکتیو برای اولین بار توسط تیمی از فیزیکدانان و شیمی دانان دانشگاه بریستول ساخته شد. این اختراع به عنوان یک دستگاه بتاولتائیک ارائه شد، به این معنی که از تشعشع بتای زباله های هسته ای برای تامین انرژی استفاده می کند.

این باتری ها از ضایعات هسته ای ساخته شده اند و می توانند هزاران سال عمر کنند. باتری های الماس رادیواکتیو برای اولین بار در سال 2016 ساخته شد و بلافاصله مورد استقبال قرار گرفت زیرا آنها نوید روش جدید و مقرون به صرفه ای برای بازیافت زباله های هسته ای را می دادند.

تشعشع بتا نوعی تشعشع رادیواکتیو است که زمانی اتفاق می افتد که هسته اتم دارای ذرات اضافی است و برخی از آنها را آزاد می کند تا به نسبت پایدارتری از پروتون به نوترون بدست آورد. این کار نوعی تابش یونیزه کننده به نام تابش بتا تولید می کند که شامل تعداد زیادی الکترون یا پوزیترون با سرعت بالا و پرانرژی است که به عنوان ذرات بتا شناخته می شوند. ذرات بتا حاوی انرژی هسته ای هستند که می توانند از طریق یک نیمه هادی به انرژی الکتریکی تبدیل شوند.

یک سلول معمولی بتاولتائیک شامل لایه های نازکی از مواد رادیواکتیو است که بین نیمه هادی ها قرار گرفته است. با تجزیه مواد هسته ای ، ذرات بتا از خود ساطع می کند که الکترون ها را در نیمه هادی حرکت داده و جریان الکتریکی ایجاد می کند.

چگالی قدرت منبع رادیواکتیو هر چه از نیمه هادی دورتر باشد، کمتر می شود. علاوه بر این، به دلیل اینکه ذرات بتا به طور تصادفی در همه جهات ساطع می شوند، فقط تعداد کمی از آنها به نیمه رسانا برخورد می کنند و فقط تعداد کمی از آنها به الکتریسیته تبدیل می شوند. این بدان معناست که باتری های هسته ای بازدهی کمتری نسبت به سایر باتری ها دارند. این جایی است که الماس های پلی کریستالی یا (PCD) وارد می شود.

باتری های الماس رادیواکتیو با استفاده از فرایندی به نام رسوب بخار شیمیایی ساخته می شوند که در ساخت الماس مصنوعی استفاده می شود و از مخلوطی از هیدروژن و پلاسمای متان در دمای بسیار بالا برای درست کردن الماس استفاده می کند. محققان با استفاده از متان رادیواکتیو حاوی ایزوتوپ کربن 14 رادیواکتیو، که در بلوک های گرافیت راکتورهای هسته ای یافت می شود ، فرآیند CVD را برای رشد الماس رادیواکتیو تغییر داده اند.

الماس یکی از سخت ترین موادی است که بشر می شناسد و می تواند هم به عنوان یک منبع رادیواکتیو و هم به عنوان یک نیمه هادی عمل کند. فقط کافیست آنرا در معرض تابش بتا قرار دهید تا به یک باتری با عمر طولانی تبدیل شود که نیازی به شارژ مجدد ندارد. زباله های هسته ای در داخل این مدل باتری قرار می گیرند تا سالها انرژی مورد نیاز را فراهم خواهند کرد.

محققان دانشگاه بریستول یادآوری کرده اند که باتری های الماسی رادیواکتیو آنها برای لپ تاپ یا تلفن های هوشمند مناسب نیست، بدلیل اینکه فقط یک گرم کربن 14 دارد، به این معنی که توان بسیار کمی فقط در حد چند میکرو وات تولید می کنند، که کمتر از یک باتری AA معمولی است. بنابراین، کاربرد باتری های هسته ای تولید شده تا کنون محدود به دستگاه های کوچکی مانند سنسورها و ضربان سازها است که باید برای مدت طولانی بدون مراقبت بمانند.

باتری های رادیواکتیو نانو الماس

شرکت NDB Inc در سال 2012 در کالیفرنیا با هدف تولید باتری ای که دارای آلایندگی کمتر باشد و همچنین نسبت به باتری های کنونی بیشتر دوستدار محیط زیست باشد تاسیس شد. این استارتاپ نسخه باتری های مبتنی بر الماس خود را در سال 2016 معرفی کرد و همچنین دو آزمایش موفق در سال 2020 به انجام رساند. این یکی از شرکت هایی است که در حال تلاش برای تجاری سازی باتری های الماس رادیواکتیو است.

باتری های نانو الماس تولید شده توسط شرکت NDB در سه نوع باتری های آلفا، بتا و نوترونی ولتایی معرفی شده اند و طبق مطالب وب سایت آنها چندین ویژگی جدید نیز دارند.

دوام باتری های نانو الماس رادیواکتیو

این شرکت محاسبه کرده است که باتری ها می توانند 28000 سال دوام بیاورند ، به این معنی که می توان از آنها در خودروهای فضایی را در ماموریت های طولانی مدت، ایستگاه های فضایی و ماهواره ها تغذیه کنند. هواپیماهای بدون سرنشین و خودروهای برقی احتیاجی به توقف و شارژ مجدد نخواهند داشت.

ایمنی باتری های نانو الماس رادیواکتیو

الماس نه تنها یکی از سخت ترین مواد است، بلکه یکی از رسانا ترین مواد حرارتی در جهان است که به محافظت در برابر حرارت تولید شده توسط رادیوایزوتوپ هایی که باتری با آن ساخته می شود، کمک می کند تا به سرعت به جریان الکتریکی تبدیل شود.

بازار تجاری باتری های نانو الماس رادیواکتیو

لایه های نازک PCD امکان تولید باتری در اشکال و اندازه های مختلف را می دهد به همین دلیل است که باتری های نانو الماس می توانند چند منظوره باشند و در کاربری های مختلف مورد استفاده قرار گیرند، از کاربردهای فضایی گرفته تا لوازم الکترونیکی در زندگی روزمره. هرچند که در نسخه ای که قابل استفاده در لوازم الکترونیکی همراه مثل موبایل ها بیش از یک دهه دوام نمی آورد.

باتری های نانو الماس قرار است در سال 2023 وارد بازار شوند شرکت انگلیسی Arkenlight که باتری الماس رادیواکتیو دانشگاه بریستول را تجاری می کند، قصد دارد اولین محصول خود را که یک microbattery ( باتری بسیار کوچک ) است ، در نیمه دوم سال 2023 به بازار عرضه کند.

آینده باتری های مبتنی بر الماس رادیواکتیو

قابلیت حمل وسایل الکترونیکی مدرن مثل تلفن های هوشمند، محبوبیت روزافزون خودروهای برقی و مسابقه قرن بیست و یکم برای بردن بشریت در مأموریت های فضایی طولانی به مریخ باعث افزایش علاقه به تحقیقات در مورد فناوری های جدید باتری در چند سال اخیر شده است.

برخی از انواع باتری ها بیشتر برای کاربردهای خاص مناسب هستند و برای موارد دیگر مفید نیستند. اما به طور قطع می توان گفت که باتری های لیتیوم یون معمولی که ما امروز از آنها استفاده می کنیم به زودی با باتری های الماس رادیواکتیو جایگزین نمی شوند. در صورتیکه اطلاعات بیشتری در مورد باتری های لیتیومی نیاز دارید حتما مقاله باتری لیتیومی چیست را مطالعه کنید.

باتری های معمولی مثل باتری های لیتیومی عمر کوتاه تری دارند، اما تولید آنها نیز بسیار ارزان و به صرفه است. با این حال این که مدت کوتاهی دوام می آورند (طول عمر آنها حدود پنج سال است) مشکل ساز است، زیرا آنها مقدار زیادی زباله های الکترونیکی تولید می کنند، که بازیافت آنها نیز چندان آسان نیست.

با توسعه باتری های الماس رادیواکتیو و در صورت ارزان تمام شدن قیمت آنها استفاده از باتری های هسته ای به مراتب راحت تر هستند، زیرا طول عمر آنها بسیار بیشتر از انواع دیگر باتری مثل باتری های سیلد اسید و لیتیوم یونی است. در صورتیکه بتوان باتری هسته ای را مانند کاری که شرکت NDB Inc قصد دارد انجام دهد به یک تکنولوژی روزمره و در دسترس تبدیل کرد می توانیم در وسایل بسیاری از آنها بدون نیاز به شارژ شدن و یا تعویض باتری استفاده کنیم به عنوان مثال در تلفن های هوشمند، باتری بسیار بیشتر از خود دستگاه عمر خواهد کرد و در آینده احتمالا می توانیم به سادگی باتری را از یک گوشی به گوشی دیگر منتقل کنیم مانند کاری که اکنون با سیم کارت انجام می دهیم.

شرکت Arkenlight روی طرح هایی کار می کند که تعداد زیادی از باتری های هسته ای کربن 14 خود را در در کنار یکدیگر جمع کند و برای ارائه قدرت تخلیه الکتریکی بالا، هر سلول را می توان با یک ابرخازن کوچک همراه کرد، تا بتواند قابلیت تخلیه سریع را ارائه دهد.

طول عمر کربن 14 حاصل از راکتور های هسته ای بیش از 5000 سال است. اگر این تابش رادیواکتیو به شکل گاز از باتری خارج شود مشکلاتی را ایجاد خواهد کرد دقیقا این جایی است که الماس وارد عمل می شود. سازمان انرژی اتمی بریتانیا (UKAEA) محاسبه کرد که با 45 کیلوگرم کربن 14 رادیواکتیو می تواند به میلیون ها عدد باتری الماس رادیواکتیو با طول عمر بسیار طولانی تولید کرد، تولید این باتری ها همچنین می تواند هزینه های دفن زباله های هسته ای را کاهش دهد.

پروفسور تام اسکات ، محقق دانشگاه بریستول ، به Nuclear Energy Insider گفت: “با حذف کربن 14 از گرافیت تابش شده مستقیم از راکتور باعث می شود مواد زائد باقی مانده کمتر رادیواکتیو شده و در نتیجه مدیریت و دفع آنها آسان تر شود. برآورد هزینه برای دفع زباله های گرافیتی 46000 پوند (60000 دلار) در متر مکعب برای زباله های سطح متوسط [ILW] و 3000 پوند ($ 4000) در متر مکعب برای زباله های سطح پایین [LLW] است. “

آیا همه این ویژگی ها باتری های هسته ای را به یکی از بهترین گزینه ها برای آینده انرژی پاک و پایداری که به آن نیاز داریم تبدیل نمی کند؟ باید منتظر بمانیم و ببینیم آیا تولیدکنندگان می توانند راهی برای کاهش هزینه های تولید باتری و تبدیل انرژی پیدا کنند و باتری های الماسی خود را به صورت مقرون به صرفه و در دسترس به بازار عرضه کنند.