研究人员正在开发一种由核废料制成的钻石提供动力的电池。

2018年夏天，一架业余无人机在斯特龙博利(Stromboli)的嘴唇附近投下了一个小包裹。斯特龙博里是西西里岛海岸外的一座火山，在过去的一个世纪里几乎一直在喷发。作为地球上最活跃的火山之一，斯特龙博利火山令地质学家着迷，但在翻滚的喷口附近收集数据充满了危险。因此，布里斯托尔大学(University Of Bristol)的一组研究人员建造了一个机器人火山学家，并使用无人机将其运送到火山顶部，在那里它可以被动地监测它的每一次地震，并颤抖，直到它不可避免地被火山喷发摧毁。该机器人是一个垒球大小的传感器吊舱，由一块巧克力大小的放射性电池提供的微量核能提供动力。研究人员称他们的创造为龙蛋。

龙蛋可以帮助科学家以前所未有的细节研究暴力的自然过程，但对布里斯托尔的材料科学家汤姆·斯科特(Tom Scott)来说，火山只是个开始。在过去的几年里，斯科特和一小群合作者一直在开发一种增强版的龙蛋核电池，这种电池可以持续数千年，而不需要充电或更换。与大多数现代电子产品中的电池不同，布里斯托尔电池通过化学反应产生电力，布里斯托尔电池收集放射性钻石吐出的颗粒，这些颗粒可以从改革后的核废料中制造出来。

本月早些时候，斯科特和他的合作者，布里斯托尔的化学家尼尔·福克斯(Neil Fox)创建了一家名为Arkenlight的公司，将他们的核钻石电池商业化。尽管这种指甲大小的电池仍处于原型阶段，但与现有的核电池相比，它的效率和功率密度已经有所提高。一旦斯科特和Arkenlight团队改进了他们的设计，他们将建立一个试点设施来批量生产它们。该公司计划在2024年之前将其首个商业核电池投放市场-只是不要指望在你的笔记本电脑上能找到它们。

传统的化学电池或“原电池”，如智能手机中的锂离子电池或遥控器中的碱性电池，在短时间内释放大量电力是很棒的。锂离子电池只能在不充电的情况下工作几个小时，几年后它将失去相当一部分的充电能力。相比之下，核电池或Betavoltaic电池都是为了在很长一段时间内产生微量的电力。他们没有提供足够的电力来驱动智能手机，但根据他们使用的核材料，他们可以为小型设备提供数千年的稳定滴电。

“我们能为电动汽车提供动力吗？答案是否定的。“Arkenlight首席执行官摩根·博德曼说。他说，为耗能的东西提供动力意味着“电池的质量将明显大于车辆的质量。”取而代之的是，该公司正在研究不可能或不切实际地定期更换电池的应用，例如位于偏远或危险地点的核废料仓库或卫星上的传感器。博德曼还看到了离家更近的应用，比如将该公司的核电池用于心脏起搏器或可穿戴设备。他设想的未来是，人们保留电池，更换设备，而不是反过来。“在更换电池之前很久，你就会更换火警，”博德曼说。

也许并不令人惊讶的是，许多人不喜欢在他们身边放一些放射性物质。但Betavoltaics的健康风险与出口标志的健康风险相当，出口标志使用一种名为氚的放射性物质来实现其标志性的红色发光。与伽马射线或其他更危险类型的辐射不同，β粒子只需几毫米的屏蔽就可以阻止它们进入轨道。太平洋西北国家实验室的材料科学家兰斯·哈伯德(Lance Hubbard)说：“通常情况下，仅仅是电池壁就足以阻止任何排放。”兰斯·哈伯德与Arkenlight没有关联。“内部几乎没有放射性，这使得它们对人们来说非常安全。”他补充说，当核电池耗尽电力时，它会衰减到稳定状态，这意味着没有剩余的核废料。

第一批Betavoltaics在20世纪70年代问世，但直到最近还没有人对它们有太大的用处。它们最初用于起搏器，在那里有问题的电袋可能意味着生死之别，直到它们最终被更便宜的锂离子替代品取代。今天，低功耗电子产品的激增预示着核电池的新纪元。哈伯德说：“对于非常少量的电力来说，这是一个很好的选择--我们说的是微瓦甚至皮瓦。”“物联网是这些能源复兴的驱动力。”

典型的Betavolta型电池由薄薄的箔状放射性物质层组成，夹在

就像太阳能电池板一样，核电池可以挤压的电量也是有严格限制的。放射源离半导体越远，它们的功率密度就越低。因此，如果电池层的厚度超过几微米，电池的电量就会直线下降。此外，β粒子是随机向各个方向发射的，这意味着它们中只有一小部分会真正击中半导体，而且只有一小部分会被转化为电能。至于核电池能将多少辐射转化为电能，哈伯德说，“大约7%的效率是最先进的。”

这与核电池理论上的最高效率相去甚远，后者约为37%。但这就是一种名为碳-14的放射性同位素可能会有所帮助的地方。它最出名的是它在放射性碳年代测定中的作用，这使得考古学家可以估计古代文物的年龄，它可以为核电池提供助推，因为它既可以作为放射源，也可以作为半导体。它的半衰期为5700年，这意味着，原则上，碳14核电池可以为电子设备提供比人类书面语言更长的供电时间。

斯科特和他在布里斯托尔的同事们通过在一个特殊的反应器中将甲烷排放到氢等离子体中来种植人造碳14钻石。当气体电离时，甲烷分解，碳-14聚集在反应器的衬底上，并开始在钻石晶格中生长。但是，斯科特和他的同事们没有在传统的“三明治”电池配置中使用这种放射性钻石，在这种电池中，核源和半导体是分开的层，斯科特和他的同事们申请了一项专利，可以将碳-14直接注入到实验室培育的香草钻石中，这与在戒指上发现的相似。其结果是具有无缝结构的水晶钻石，它最小化了β粒子必须行驶的距离，并最大限度地提高了核电池的效率。

博德曼说：“到目前为止，放射源一直与接收辐射源并将其转化为电能的二极管是离散的。”“这是开创性的。”

碳-14是宇宙射线撞击大气中的氮原子时自然形成的，但它也是包含核反应堆控制棒的石墨块中的副产品。这些石块最终会变成核废料，博德曼说，仅在英国就有近10万吨这种经过辐射的石墨。英国原子能管理局最近从35吨受辐射的石墨块中回收了氚，这是另一种用于核电池的放射性同位素，Arkenlight团队正在与该机构合作，开发一种从石墨块中回收碳-14的类似工艺。

如果Arkenlight成功，它将为制造核电池提供几乎取之不尽的原材料。英国AEA估计，不到100磅的碳-14将足以制造数百万块核电池。此外，通过从石墨块中去除放射性碳-14，它将把它们从高水平核废物降级为低水平核废物，这使得它们更容易和更安全地长期储存。

Arkenlight还没有使用改造后的核废料制造Betavoltaic电池，博德曼表示，它的核钻石电池在准备投放街头之前，还需要在实验室进行几年的改进。但这项技术已经吸引了太空和核工业的兴趣。博德曼说，Arkenlight最近收到了欧洲航天局的一份合同，将为他所说的“卫星RFID标签”开发钻石电池，这种电池将发出微弱的无线电信号，以识别数千年来的卫星。他们的愿景也不仅仅停留在核电池上。Arkenlight也在开发伽马电池，它将吸收核废料储存库发射的伽马射线，并利用它们发电。

Arkenlight并不是唯一一个致力于研究核电池的组织。像City Lab和Widetronix这样的美国公司几十年来一直在开发商业Betavoltaic电池。这些公司专注于使用氚而不是碳14钻石作为核动力源的更传统的分层核电池。