日本核污水排海以來已經引起眾多社會經濟問題，引發(fā)國際社會強烈反響。核污水排海行為會對全球海洋生態(tài)環(huán)境、全世界人民安全健康造成嚴重威脅。然而將核污水中的放射性同位素分離濃縮后，可以制成十幾年無需充電的金剛石輻射伏特效應同位素電池，從而實現核污水中放射性元素的回收利用、變廢為寶。
2023年8月24日起，日本福島第一核電站正式向海洋排放核污水，不少日本民眾聚集在東京的首都官邸前組織集會活動，向日本政府表達不滿。
圖片來自央視新聞直播
實施核污水排海是對全球海洋環(huán)境、全世界民眾安全健康極不負責任的行為。核污染水是核反應堆外層冷卻水直接接觸反應堆后帶有大量放射性元素的污染物，其中含有大量3H、14C等放射性同位素，通過衰變反應輻射連續(xù)能量的β粒子，氚的平均輻射能量約為5.5keV，碳14的平均輻射能量大約在50keV。核污水排入海洋不僅污染環(huán)境危害民眾健康，而且造成大量核能源的浪費。
核廢水與核污水的區(qū)別
實現核污水的循環(huán)回收利用，正確處理核污染水才是解決問題的根本之道。如果能將核污水中的主要放射性元素與污水分離，提取出的放射性元素如氚、碳14等有效回收利用，就能實現核污水“變廢為寶”，剩余微量輻射核污水的處理成本也將大大降低。核污水中提取的3H、14C進行β衰變恰好適合作為金剛石同位素電池的輻射單元。以3H為例，衰變反應放射的β射線平均能量為5.5keV，每個衰變的電子能量將達到8.8×10-16J。據報道，日本計劃17天內向海洋排放7800噸核污水，假定日本實際排放標準達到東京電力公司公布的氚濃度為國家標準（60000Bq/L）的四十分之一，即1500Bq/L，則僅僅17天內向海洋內排放污水中氚的活度就達到了1.17×1013Bq，平均每秒鐘向外釋放0.01焦耳的能量，將這部分氚收集后制作成金剛石同位素電池可以同時為1000個醫(yī)用心臟起搏器持續(xù)提供能源12年以上。
如何有效分離、濃縮核污水中的氚等放射性元素并應用到同位素電池上是我們需要關注的問題。
對于14C一般利用濕法氧化法提取。通過酸解洗氣、過硫酸鹽氧化劑處理水樣，后加入磷酸和過硫酸鈉加熱，由此將水樣中所含的放射性碳元素轉化為二氧化碳，生成的二氧化碳通過氮氣吹掃后用無機堿液或有機堿液吸收。隨后可以對吸收二氧化碳的無機/有機堿液進行化學處理得到金剛石生長所需的甲烷。
對于氚的提取一般采用蒸發(fā)濃縮法。利用氚的沸點低于水的沸點的特性，控制溫度利用蒸餾原理將氚與廢液進行分離，通過冷凝收集凝結的氚，并通過儲氚材料如鋯、鈦、鎂、鋁等進行收集固化。還有幾種收集氚的方法，如離子交換法，含特殊陰離子的樹脂放置核污水中，氚會與樹脂中的離子發(fā)生交換反應，將氚分離出來；再如膜分離法，利用某些膜材料對氚特異性過濾或反滲透的特點，將氚離子篩選出來并進一步富集固化。
不同類型的輻射源濃縮固化后與金剛石換能結的結合方式也有所區(qū)別。常用垂直型金剛石肖特基結同位素電池結構如下圖。在換能結一側通過一定工藝固定同位素材料，固定方式對電池性能的影響很大。如氚與金剛石換能結的結合方式主要為金屬吸附、陶瓷吸附，常用儲氚金屬包括鋯、鈦、鎂、鋁等。在金剛石換能結特定面沉積一層儲氚金屬，放置在核污水分離、濃縮后的高濃度氚輻射氣氛中，通過吸附作用進行儲存，金剛石換能結與輻射源的緊密結合實現金剛石肖特基結同位素電池更優(yōu)異的性能輸出。再如14C與金剛石換能結結合，核污水中分離獲得的14C通過化學處理為CH4的形式，利用微波等離子體化學氣相沉積法生長金剛石襯底及外延層，使金剛石本身具有放射性，因此制備的換能結具有自供電功能，再利用12C外延生長一層金剛石包裹住放射性金剛石換能結，可實現輻射屏蔽功能。
金剛石輻射伏特效應肖特基結同位素電池結構示意圖
金剛石輻射伏特效應同位素電池是以金剛石材料和同位素材料為基礎，利用輻射伏特效應將核衰變能直接轉變?yōu)殡娔艿难b置。
金剛石輻射伏特效應同位素電池的發(fā)電原理類似于太陽能電池的光生伏特效應，是通過輻射伏特效應進行載流子激發(fā)和收集的。由于金屬與金剛石功函數的差異，二者接觸后會因為載流子在接觸區(qū)域的遷移形成空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)有由金屬指向金剛石的內建電場。放射源中發(fā)出的β射線會穿過金屬層進入金剛石中，使金剛石電離，產生電子空穴對，在空間電荷區(qū)域的電子和空穴會在內建電場的作用下向兩個方向移動，形成電流。
金剛石輻射伏特效應同位素電池原理示意圖
以采用氚源的金剛石肖特基結同位素電池的制備過程為例，首先對微米級厚度的金剛石片精加工并化學腐蝕，獲得表面純凈的摻硼金剛石薄片。利用MPCVD法外延生長本征層，通過優(yōu)化工藝獲得高效率的PI雙層金剛石結構，表面改性以消除橫向導電的二維空穴氣，設置不同功能層，如超薄氧化鋅增益肖特基勢壘高度。利用濺射沉積技術制備電極，在正極沉積一定厚度儲氚材料，置于氚放射性氣氛中，由此得到氚源的金剛石肖特基結同位素電池。
金剛石輻射伏特效應同位素電池不僅能夠幫助處理核污水，同時在深空深海探測、先進醫(yī)療、軍事國防等領域都有重要作用。如現代近地球軌道衛(wèi)星及其探測器件的電源也都使用太陽能電池，而隨著深空深海等遠離太陽光照射條件下，太陽能電池的應用范圍受到極大限制。太陽能帆板積灰問題也將導致發(fā)電效率下降，產生巨額的清理和維護成本。金剛石輻射伏特效應同位素電池以其極端環(huán)境下保持長時穩(wěn)定供電的特性將有效解決這些問題。
使用金剛石輻射伏特效應同位素電池的火星車示意圖
哈爾濱工業(yè)大學紅外薄膜與晶體團隊在高性能金剛石同位素電池領域進行了廣泛研究，成功制備超薄氧化物增益金剛石肖特基結同位素電池，將單結電池開路電壓提升至1.7V，超過了干電池的開路電壓。利用Am-241探究了不同活度的α源對金剛石同位素電池的性能影響并基于α源研究了金剛石肖特基二極管的整流特性，優(yōu)化了摻硼金剛石襯底上本征外延的生長工藝，±7V偏壓下獲得了高達109的整流比。針對金剛石同位素電池的輸出性能進行優(yōu)化，包括電池能量轉換效率、短路電流以及功率密度等，部分性能已經做到世界領先水平。
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另外，團隊基于金剛石肖特基結構制備了超薄氧化鎵增益的金剛石同位素電池，獲得了高質量的單晶金剛石本征層，晶體質量達到電子級水平，獲得高整流比、低漏電流的金剛石換能結構，利用超薄氧化鎵調控金剛石表面能帶并優(yōu)化載流子界面運輸狀態(tài)，開路電壓達到3V。提出了儲能型超級核電池系統集成方案，利用電容器的充放電原理實現核電池對儲能器件的不間斷涓流充電和儲能器件對負載的短時湍流放電效果。制作了基于氚源的核致熒光同位素電池，開路電壓達到1.4V，短路電流達到2μA，成功為一個微型計算器供能，器件理論使用壽命達12年以上。團隊有關研究成果獲得了第十八屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽校賽暨哈爾濱工業(yè)大學第十三屆“祖光杯”創(chuàng)意創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎、第十八屆“挑戰(zhàn)杯”黑龍江省大學生課外學術科技作品競賽一等獎，目前已被黑龍江省共青團推薦至挑戰(zhàn)杯國賽。
團隊自研核致熒光同位素電池原型樣機
放射性元素并不可怕，不正確的處理方式可能會造成環(huán)境污染，甚至生靈涂炭，但利用得當則可以為全人類生產生活帶來便利。X光的使用為醫(yī)療行業(yè)帶來革命性的發(fā)展；核電站的建立為電力行業(yè)緩解了巨大的工業(yè)生活用電壓力；隨著金剛石輻射伏特效應同位素電池乃至各類核電池研究的不斷深入，未來將有效推動深空深海探測、醫(yī)療民生國防等領域供能設備的飛速發(fā)展。
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