La batería de diamante es el nombre de un concepto de batería nuclear propuesto por el Instituto Cabot de la Universidad de Bristol durante su conferencia anual [1] celebrada el 25 de noviembre de 2016 en el Wills Memorial Building . Se propone que esta batería funcione con la radiactividad de los bloques de grafito de desecho (anteriormente utilizados como material moderador de neutrones en reactores moderados por grafito ) y genere pequeñas cantidades de electricidad durante miles de años.
La batería es una celda betavoltaica que utiliza carbono-14 ( 14 C) en forma de carbono tipo diamante (DLC) como fuente de radiación beta y DLC de carbono normal adicional para realizar la unión semiconductora necesaria y encapsular el carbono-14. [2]
Actualmente, no se conoce ningún prototipo que utilice 14 C como fuente. Sin embargo, existen algunos prototipos que utilizan níquel-63 ( 63 Ni) como fuente con no electrolitos/semiconductores de diamante para la conversión de energía, que se consideran un paso adelante hacia un posible prototipo de batería de diamante de 14 C.
En 2016, investigadores de la Universidad de Bristol afirmaron haber construido uno de esos 63 prototipos de Ni. [3] [4]
Según sus preguntas frecuentes (documento de preguntas frecuentes [5] ), la potencia estimada de una pequeña pila C-14 es de 15 J/día durante miles de años. (Como referencia, una pila AA del mismo tamaño tiene unos 10 kJ en total, lo que equivale a 15 J/día durante sólo 2 años). Señalan que no es posible sustituir directamente una pila AA con esta tecnología, porque una pila AA también puede producir ráfagas de potencia mucho mayor. En cambio, la pila de diamante está destinada a aplicaciones en las que se requiere una baja tasa de descarga durante un largo período de tiempo, como la exploración espacial, los dispositivos médicos, las comunicaciones en el fondo del mar, la microelectrónica, etc.
En 2018, investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT), el Instituto Tecnológico de Materiales de Carbono Superduros y Novedosos (TISNCM) y la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología (MISIS) anunciaron un prototipo que utiliza capas de 2 micrones de espesor de lámina de 63 Ni intercaladas entre 200 convertidores de diamante de 10 micrones. Produjo una potencia de salida de aproximadamente 1 μW a una densidad de potencia de 10 μW/cm 3 . En esos valores, su densidad de energía sería de aproximadamente 3,3 Wh/g durante su vida media de 100 años , aproximadamente 10 veces la de las baterías electroquímicas convencionales . [6] Esta investigación se publicó en abril de 2018 en la revista Diamond and Related Materials . [7]
Los investigadores están tratando de mejorar la eficiencia y se están centrando en el uso del 14 C radiactivo , que es un contribuyente menor a la radiactividad de los residuos nucleares . [3]
El 14 C sufre una desintegración beta , en la que emite una partícula beta de baja energía para convertirse en nitrógeno-14 , que es estable (no radiactivo). [8]
Estas partículas beta, que tienen una energía media de 50 keV, sufren colisiones inelásticas con otros átomos de carbono, creando así pares electrón-hueco que luego contribuyen a una corriente eléctrica . Esto se puede reformular en términos de la teoría de bandas diciendo que debido a la alta energía de las partículas beta, los electrones en la banda de valencia del carbono saltan a su banda de conducción , dejando atrás huecos en la banda de valencia donde antes estaban presentes los electrones. [9] [4]
En los reactores moderados por grafito , se colocan barras de uranio fisionable dentro de bloques de grafito . Estos bloques actúan como moderadores de neutrones cuyo propósito es ralentizar los neutrones de movimiento rápido para que puedan ocurrir reacciones nucleares en cadena con neutrones térmicos . [10] Durante su uso, algunos de los isótopos no radiactivos de carbono-12 y carbono-13 en el grafito se convierten en 14 C radiactivo al capturar neutrones . [11] Cuando los bloques de grafito se retiran durante el desmantelamiento de la estación, su radiactividad inducida los califica como desechos de bajo nivel que requieren una eliminación segura .
Los investigadores de la Universidad de Bristol demostraron que una gran cantidad de 14 C radiactivo se concentraba en las paredes internas de los bloques de grafito. Debido a esto, proponen que gran parte de este carbono se puede eliminar de manera eficaz de los bloques. Esto se puede hacer calentándolos hasta el punto de sublimación de 3915 K (3642 °C; 6587 °F), lo que liberará el carbono en forma gaseosa. Después de esto, los bloques serán menos radiactivos y posiblemente sea más fácil desecharlos, ya que se habrá extraído la mayor parte del 14 C radiactivo. [12]
Los investigadores proponen que este gas 14 C podría ser recolectado y utilizado para producir diamantes artificiales mediante un proceso conocido como deposición química de vapor utilizando baja presión y temperatura elevada, y señalan que este diamante sería una lámina delgada y no del corte estereotipado de diamante . El diamante resultante hecho de 14 C radiactivo seguiría produciendo radiación beta que, según los investigadores, permitiría su uso como fuente betavoltaica. Los investigadores también afirman que este diamante estaría intercalado entre diamantes artificiales no radiactivos hechos de 12 C que bloquearían la radiación de la fuente y también se utilizaría para la conversión de energía como un semiconductor de diamante en lugar de semiconductores de silicio convencionales . [12]
Debido a su muy baja densidad de potencia , eficiencia de conversión y alto costo, un dispositivo betavoltaico de 14 C es muy similar a otros dispositivos betavoltaicos existentes que son adecuados para aplicaciones de nicho que necesitan muy poca energía (microvatios) durante varios años en situaciones en las que las baterías convencionales no se pueden reemplazar o recargar utilizando técnicas convencionales de recolección de energía . [13] [14] [15] Debido a su vida media más larga , los betavoltaicos de 14 C pueden tener una ventaja en la vida útil en comparación con otros betavoltaicos que utilizan tritio o níquel . Sin embargo, esto probablemente vendrá a costa de una densidad de potencia aún más reducida.
En septiembre de 2020, Morgan Boardman, miembro industrial y consultor de asesoramiento estratégico del Aspire Diamond Group en el South West Nuclear Hub de la Universidad de Bristol, fue nombrado director ejecutivo de una nueva empresa llamada Arkenlight , que se creó explícitamente para comercializar su tecnología de baterías de diamantes y posiblemente otros dispositivos de radiación nuclear en investigación o desarrollo en la Universidad de Bristol. [16] Arkenlight ha declarado que tienen una batería beta de 14 C en desarrollo, cuyo lanzamiento está previsto para 2026, pero su sitio web ha dejado de funcionar desde entonces. [17]