科学

核廃棄物の最高のリサイクル法：寿命五千年の「ダイヤモンド電池」が商業化へ

ブリストル大学の物理学者と化学者のチームは4月、放射性粒子と接触すると小さな電流を発生させることができる「ダイヤモンド電池」の人工試作品を開発した。廃炉になった原子力発電所から出た半減期5730年の炭素14を使用することで、この電池はほぼ無限に電力を供給できる可能性がある。

吉田拓史

2020年9月1日 — 7 min read

ブリストル大学の物理学者と化学者のチームは4月、放射性粒子と接触すると小さな電流を発生させることができる「ダイヤモンド電池」の人工試作品を開発した。廃炉になった原子力発電所から出た半減期5730年の炭素14を使用することで、この電池はほぼ無限に電力を供給できる可能性がある。最短で約12.4年、最長で5,000年の寿命があるという。

ワイヤーのコイルを磁石を動かして電流を発生させるエネルギーを利用する大半の発電技術とは異なり、人工ダイヤモンドは放射性物質の近くに置くだけで電荷を発生させることができる。

この電池は、ソーラーパネルで使用される太陽光発電（光を電気に変換する）に似た方法で動作するが、この装置では、光の粒子（光子）を使用するのではなく、ダイヤモンドの構造の中から高速の電子を利用する。

ブリストル大学のトム・スコット教授は、「可動部分がなく、排出物も発生せず、メンテナンスも不要で、ただ直接発電するだけです。放射性物質をダイヤモンドの内部に封入することで、長期的に問題となっていた核廃棄物を原子力発電のバッテリーに変え、クリーンなエネルギーを長期的に供給することができる」と説明する。

研究チームは、ニッケル-63を放射線源として使用した「ダイヤモンド電池」の試作品を実証した。しかし、現在は、原子力発電所で反応を緩和するために使用される黒鉛ブロックで生成される炭素の放射性バージョンである炭素14を利用することで、効率を大幅に向上させようとしている。ブリストル大学の研究者らの研究によると、放射性炭素14は黒鉛ブロックの表面に濃縮されており、これを処理して放射性物質の大部分を除去することが可能であることが明らかになった。抽出された炭素14は、ダイヤモンドに組み込まれ、原子力発電用の電池を製造する。

それぞれの電池は非常に小さいものになると目されている。推定では、50kgの炭素14があれば、何百万個ものユニットに十分な量になると考えられている。

どう役に立つか

英国では現在、約95,000トンの黒鉛ブロックが保管されているが、そこから炭素14を抽出することで放射能が減少し、この核廃棄物を安全に保管するためのコストと課題が軽減される。

ブリストル大学化学学部のニール・フォックス教授は次のように説明する。「炭素14は短距離放射を発し、どんな固体物質にもすぐに吸収されてしまうため、放射源物質として選ばれた。このため、摂取したり、裸の肌で触ったりすると危険だが、ダイヤモンドの中に安全に保持されているため、短距離放射線を逃がすことはない」と説明している。実際、ダイヤモンドは人間に知られている最も硬い物質であり、文字通り、これ以上の保護を提供できるものはない。

現在の電池技術と比較して低消費電力であるにもかかわらず、これらのダイヤモンド電池の寿命は、長い時間スケールでのデバイスの電力供給に革命をもたらす可能性がある。それぞれの電池に含まれる炭素14の実際の量はまだ決定されていないが、1gの炭素14を含む1つの電池で1日あたり15ジュールの電力を供給することができる。これは単三電池よりも少ない。標準的なアルカリ単三電池は、短い時間枠の放電用に設計されている。約20gの電池1本は、700J/gのエネルギー貯蔵定格を持っている。継続的に使用された場合、これは24時間で尽きるだろう。炭素14を使用することで、電池の50％の電力を使うのに、人間の文明が存在していると同じくらいの長さである5,730年かかると見込まれている。

この電池は保護材に封入することで安全に使用できるようになると考えられている。AI、インターフェイス、IoTデバイスなど多くの技術に組み込むことができるセンサーパッケージ内での使用が計画されている。フォックス博士によるとこの電池を実際に宇宙や月面でマイナス173℃の温度で使用することができる。

核廃棄物の積み上げ問題を解決

この政府出資のプロジェクトは、長寿命のマイクロパワーを生み出すことを約束するだけでなく、現在地中に埋もれて何千年も保管されている核廃棄物の有効利用にも役立つように設計されている。

このプロジェクトでは、炭素14に依存しているため、チームの研究では、ある種の原子炉の黒鉛の一部は、他のタイプの原子炉からの黒鉛と比較してガンマ線汚染の痕跡が少ないため、使用に適していることが示されている。

特に、スコット教授によると、英マグノックス社が管理する原子力発電所には、この「クリーンな」種類の黒鉛が豊富に含まれていることが判明しており、彼らはすでに、同社の照射済み核廃棄物を利用するための問い合わせを事業者に持ちかけているという。

英国では、まもなく廃炉になる多くの発電所の黒鉛を貯蔵するのに適した深部地質施設の貯蔵場所が不足しており、このアイデアは非常に重要な時期に来ている。

「ここ数年、私たちは放射性物質の崩壊からエネルギーを取り出す超低消費電力センサーを開発してきた。このプロジェクトは現在、かなり進んだ段階にあり、火山の頂上のような過酷な場所でセンサーの電池をテストしてきた」とスコット教授はブリストル大学のブログ記事で述べている。「従来の電源が容易に交換できない環境で電池を使用するだけでなく、補聴器やペースメーカーなどの医療用途にも応用できる可能性がある。宇宙船や人工衛星に電力を供給して、現在よりもはるかに遠くまで移動することも可能になるかもしれない」。

「英国の原子力発電所の大部分が今後10年から15年で停止することになっており、これは大量の材料をリサイクルして発電し、多くの用途に利用できるようにする大きな機会を提供している」。

ダイヤモンド電池を商業化へ

課題としては、化学電池とは異なり、これらの原子電池は放射性物質を扱っており、製造するということは、一箇所にかなりの量の放射能が集中することを意味すると指摘している。プロセスを安全にする一方で、安全性を確保するためのインフラ整備やそれに伴う政府の許可には大きなコストがかかる。

このような事業を開始するための初期費用は相当なもので、この研究は現在、英国政府の工学・物理科学研究評議会（Engineering and Physical Sciences Research Council）から資金援助を受けており、極限環境や遠隔地での使用に適したマイクロパワーを提供する技術のための資金援助プログラムの一環として行われている。政府資金によるプロジェクトの残り期間は約6ヶ月で、技術の実用的なプロトタイプを作成したことで、チームは現在、政府資金と民間投資を組み合わせて、市場での商業化に向けて技術を開発していきたいと考えている。

8月初め、スコットと共同研究者のフォックスは、核ダイヤモンド電池を商品化するために、アーケンライトという会社を設立した。電池はまだ試作段階だが、既存の核電池に比べて効率と電力密度が向上していることをすでに示している。スコットとアーケンライト社のチームが設計を改良したら、量産するためのパイロット施設を設立する予定だ。同社は、2024年までに最初の商業用原子力電池を市場に投入することを計画している。

ブリストル大学の科学者たちは、英国原子力庁（UKAEA）と協力して、このダイヤモンド構造に重水素を入れることを試みている。分析の後、彼らはトリチウムを使って同じことを試みる予定だ。

UKAEAの水素-3先端技術施設（H3AT）のトリチウム科学者たちは、パイロットプロジェクトの初期段階にあり、最終的にはダイヤモンド電池の生産ラインを確立するためのパートナーとなる可能性がある。

参考文献

"Diamonds could be forever in nuclear-powered battery project". gov.uk. 19 March, 2020.
‘Diamond-age’ of power generation as nuclear batteries developed. University of Bristol.
"Nuclear waste could be recycled for diamond battery power". 20 January 2020. University of Bristol.
DANIEL OBERHAUS. "Are Radioactive Diamond Batteries a Cure for Nuclear Waste?". Aug 31, 2020.
"Nuclear waste removal begins 30 years after power station closure", BBC. 6 Jan, 2020.
"‘Diamond-age’ of power generation as nuclear batteries developed". University of Bristol. 25 November 2016

Photo by Danilo Alvesd on Unsplash

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