是否可以制造核动力电池（核钻石电池是处理核污染与满足电力需求的双重答案吗）

2018年夏天，一架无人机在斯特龙博利火山口附近扔了一个小包裹。斯特龙博利火山位于西西里岛海岸附近，在上个世纪中几乎持续喷发。作为地球上最活跃的火山之一，地质学家们一直对它非常着迷，但在不断翻腾的火山口附近收集数据是极危险的作业。

因此，来自布里斯托尔大学的研究小组制造了一个"火山探测机器人"，并用无人机将其运送到火山顶部，在那里它可以监测火山的每一次地震和颤动，直到它不可避免地被火山喷发摧毁为止。该机器人是一个垒球大小的传感器舱，由巧克力方块大小的放射性电池提供微剂量的核电驱动。研究人员称此机器人为"龙蛋"。

"龙蛋"号机器人可以让科学家们获得前所未有的细节资料，来研究火山喷发这一剧烈的自然过程，但对于布里斯托尔大学的材料科学家汤姆·斯科特来说，火山探测只是一个开端。

在之后的几年里，斯科特教授和合作者一直在开发升级版的"龙蛋"号核能电池，这种电池可以持续使用数千年却无需充电或更换。与大多数当代电器里通过化学反应产生电力的电池不同，布里斯托尔大学所研究的电池通过搜集放射性钻石喷出的粒子来发电，这些钻石可以由经过改造的核废料制成。

在此期间，斯科特和他的合作者——布里斯托尔大学的化学家尼尔·福克斯开办了名为"Arkenlight"的公司，目的是将他们的核钻石电池商业化。虽然这种指甲大小的电池还处于原型阶段，但与现有的竞品相比，它已经显示出功率和电能密度的改进。

一旦斯科特教授和其Arkenlight公司团队完善了其所进行的设计，他们就会建立试验设施、开始大规模生产。该公司计划在2024年之前将第一批商用核电池投放市场——只是客户不要指望在自己的笔记本电脑中找到它们。

传统的化学电池，如智能手机中的锂离子电池或遥控器中的碱性电池，都可以在短时间内释放大量电力。不过锂离子电池在不充电的情况下，只能持续工作几个小时，并且在使用几年后，它的充电能力将大幅下降。

相比之下，核电池或“贝塔伏特电池“（Betavoltaic battery，β原子电池，一种将放射性β辐射转换为电流的电池），则能在极长时间内持续产生微量的电力。它们发出的电量不足以为智能手机供电，但凭借它们使用的核材料，能为微型设备提供长达数千年的稳定电力输出。

"我们能用核电池给电动汽车供电吗？答案是-不能。"Arkenlight公司的CEO摩根·博德曼称，要用核钻石电池为电动汽车这种能耗强烈的设备供电，那就意味着电池的重量会比所驱动的车辆还重"。

该公司正在往几乎不可能或无法定期更换电池的商务应用方向进行开发，例如在诸如核废料储存库、外太空卫星等偏远或危险的地点安置的传感器的电源。博德曼还发现了离用户生活较近的应用，比如将该公司的核电池用于心脏起搏器或可穿戴设备。

Arkenlight公司设想的未来是，用户将保留电池却更换设备，而不是在同一个设备上频繁更换电池。"你会在有必要换电池之前，就已经更换好几个火灾报警器了，因为电池的寿命已经远远超出这些设备。"博德曼如此说。

不足为奇的是，大多数人肯定不会欢迎带放射性的电池。但贝塔伏特电池的健康风险并不比建筑紧急出口的应急标识灯更大，毕竟应急标识灯也要用放射性材料"氚"来发出黑暗环境中醒目的荧光。

与伽马射线或其他更危险的辐射不同，β粒子只需几毫米的遮罩物就可以完全屏蔽。太平洋西北国家实验室的材料科学家兰斯·哈伯德与任何核电池公司没有关联，但他说："通常只用电池壁就足以阻止核钻石电池的任何辐射泄漏。即使核电池的内壁也几乎没有放射性物质，这对人们来说非常安全。"

而且，他还补充道，当核电池耗尽电力时，它会衰变到稳态，这意味着其内部没有剩余的核辐射。

第一代贝塔伏特电池在1970年代就已面世，但直到最近，还没有真正被广泛应用。它们最初被用于心脏起搏器，对这种设备的用户来说，一个会断电的电源包可能意味着生死之别，直到它们最终被更廉价的锂离子电池所取代。

今天，低功耗微型电子产品的普及预示着核电池进入了一个新时代。"对于能耗极小的设备来说，这是一个很好的电源选择——这说的电压功耗是微瓦级别，甚至皮瓦级别。"哈伯德认为："物联网推动了这些电源选项的复兴。"

典型的贝塔伏特电池由薄薄的、类似箔片的放射性材料层夹在半导体之间组成。发电原理是：当核材料自然衰变时，它会放出高能电子或β粒子这种带正电荷的粒子，将半导体材料中的电子打散，从而产生电流。从这个意义上说，核电池与太阳能电池板类似，只是它的半导体吸收的是β粒子而不是光子。

和太阳能电池板一样，核电池也有严格的发电上限。它们的电能密度，会随着放射源离半导体的距离而下降。因此，如果电池各层的厚度超过几微米，电池的功率就会急剧下降。

此外，β粒子是随机向所有方位发射的，这意味着只有一小部分粒子会真正击中半导体，这些粒子中又只有一小部分会转化为电能。至于核电池能够将多少辐射转化为电能，哈伯德表示"当下7%左右的效率是最先进的"。

这与核电池的理论最高效率（约为37%）相去甚远。但是，这正是放射性同位素"碳-14"的能够起作用的地方。"碳-14"在放射性碳年代测定中的作用最为人熟知，这使得考古学家能够估计古代文物的年代，同时它也可以为核电池提供动力，因为它既可以作为放射源，又可以作为半导体。

"碳-14"的半衰期有5700年，这意味着，"碳-14"核电池理论上可以为电子设备供电的时间，比人类拥有书面语言的时间还要长。

斯科特和他的同事们已制造出人工的"碳-14"钻石，办法是将甲烷气体注入特制反应皿中的氢元素等离子电浆。当气体电离时，甲烷被分解，碳-14积聚在反应器中的基底上，以钻石晶格形式结晶。

但是，这种放射性钻石并不被用于既有的"三明治"结构电池，在这种结构中，核放射源层和半导体层是分开的。他们的专利技术是直接"碳-14"人工钻石与普通人工钻石融合，制造出同时在电池中做到辐射与半导体折射层功能的无缝钻石晶体，这样能最大限度减少了β粒子的移动距离，从而最大限度地提高了核电池的效率。

"之前的核电池设计中，放射源与接收辐射并将其转化为电能的二极管一直是分离开来的。"博德曼称："这是一个突破性的进展。"

"碳-14"的自然形成机制是宇宙射线撞击地球大气中的氮原子。不过它也是作为核反应堆控制棒的石墨棒中的副产物。这些石墨棒最终会成为核废料，仅在英国就有近10万吨这种带放射性的石墨。

英国原子能机构已经从35吨带辐射石墨棒中回收了另一种可用于核电池的放射性同位素"氚"，Arkenlight公司团队正在与该机构合作开发类似的工艺，从石墨块中回收碳-14。

如果Arkenlight公司成功的话，这将为核电池生产线提供几乎取之不尽的原材料。据英国原子能机构估计，不到100磅（约为45.36kg）的"碳-14"就足以制造数百万个核电池。此外，通过去除石墨棒中的放射性"碳-14"，将使其从高放射性核废料降级为低放射性核废料，从而更容易处理、能更安全地进行长期储存。

目前，Arkenlight公司还没有使用改造后的核废料制造出成熟的贝塔伏特电池，博德曼称，在准备投入使用之前，该公司的核钻石电池在实验室里还需要几年的改进。但这项技术已经吸引了太空行业和核工业的兴趣。博德曼继续说道，Arkenlight公司最近从欧洲航天局获得了一份合同，为"卫星射频识别标签"（satellite RFID tags）这一项目开发钻石电池，这种标签可以发出微弱的无线电信号，能在数千年内持续地标记卫星。

而且，他们的追求也没有止步于核钻石电池上。Arkenlight公司还在开发伽马伏特电池（Gammavoltaic battery），这种电池可以吸收核废料储存库发出的伽马射线，并利用它们来发电。

Arkenlight公司并不是唯一一家研究核电池的公司。如City Lab、Widetronix等的美国公司近年来一直在开发商用贝塔伏特电池。这些公司专注于更传统的层状核电池，并且它们使用的是"氚"而不是"碳-14"钻石作为核动力源。

康奈尔大学的电气工程师、Widetronix公司的联合创始人迈克尔·斯宾塞表示，在选择放射性材料时必须考虑到它的应用场景。例如，"碳-14"辐射的β粒子比"氚"少，但半衰期长500倍。如果需要永续电源，这确实是其优点，但这也意味着碳-14核电池的体积与重量比氚电池大得多，才能提供同样的电量。"同位素的选择意味着很多利弊权衡。"斯宾塞说。（本文首发：小猎犬APP）