放射性ダイヤモンド電池は核廃棄物の治療法となるか？

2018年の夏、趣味のドローンがストロンボリ火山の縁近くに小さな荷物を落とした。ストロンボリはシチリア島沖の火山で、過去1世紀にわたってほぼ絶え間なく噴火している。地球上で最も活発な火山の1つであるストロンボリは地質学者を魅了しているが、沸騰する火口付近でデータを収集するのは危険が伴う。そこでブリストル大学の研究チームはロボット火山学者を製作し、ドローンを使って火山の頂上まで運び、噴火で必然的に破壊されるまで、火山のあらゆる揺れや震えを受動的に監視できるようにした。このロボットはソフトボール大のセンサーポッドで、チョコレート1枚分の放射性バッテリーから供給される微量の核エネルギーで稼働する。研究チームはこのロボットを「ドラゴンの卵」と呼んだ。

ドラゴンエッグは、科学者が激しい自然現象をこれまでにないほど詳細に研究するのに役立つ可能性があるが、ブリストル大学の材料科学者トム・スコット氏にとって、火山の研究はほんの始まりに過ぎなかった。ここ数年、スコット氏と少数の共同研究者グループは、ドラゴンエッグの核電池の強化版を開発してきた。この電池は、充電や交換をすることなく数千年も持続する。現代の電子機器の多くに使用されている電池は化学反応で発電するが、ブリストルの電池は、核廃棄物を改質して作られる放射性ダイヤモンドから放出される粒子を収集する。

今月初め、スコット氏と共同研究者であるブリストル大学の化学者ニール・フォックス氏は、核ダイヤモンド電池の商業化を目指してアーケンライト社を設立しました。爪ほどの大きさのこの電池はまだ試作段階ですが、既存の核電池と比較して効率と電力密度が向上していることが既に示されています。スコット氏とアーケンライト社のチームは設計を改良した後、量産のためのパイロット施設を建設する予定です。同社は2024年までに最初の商用核電池を市場に投入する予定ですが、ノートパソコンに搭載されることは期待できません。

スマートフォンのリチウムイオン電池やリモコンのアルカリ電池のような従来の化学電池、あるいは「ガルバニ電池」は、短時間に大量の電力を供給するのに優れています。リチウムイオン電池は充電なしでは数時間しか動作せず、数年後には充電容量のかなりの部分を失います。一方、原子力電池、あるいはベタボルタ電池は、微量の電力を長時間供給することに特化しています。スマートフォンを動かすほどの電力は供給できませんが、使用する核物質によっては、小型機器に数千年にわたって安定した電力を供給することができます。

「電気自動車に電力を供給できるのか？答えはノーだ」と、アーケンライトのCEO、モーガン・ボードマン氏は言う。これほどのエネルギーを消費する機器に電力を供給するには、「バッテリーの質量が車両の質量を大幅に上回ることになる」と彼は言う。同社は代わりに、核廃棄物貯蔵施設や衛星といった遠隔地や危険な場所に設置されたセンサーなど、バッテリーの定期的な交換が不可能、あるいは非現実的な用途に着目している。ボードマン氏はまた、同社の原子力電池をペースメーカーやウェアラブルデバイスに利用するなど、より身近な用途も視野に入れている。彼は、人々がバッテリーを保管したままデバイスを交換するのではなく、デバイスがバッテリーを交換する未来を思い描いている。「バッテリーを交換するよりもずっと前に、火災警報器を交換することになるでしょう」とボードマン氏は言う。

おそらく意外ではないが、多くの人が放射性物質を身近に置くことを好まない。しかし、ベータボルタイク電池の健康リスクは、特徴的な赤い光を出すためにトリチウムと呼ばれる放射性物質を使用している出口標識の健康リスクに匹敵する。ガンマ線やその他のより危険な種類の放射線とは異なり、ベータ粒子はわずか数ミリの遮蔽によってその進路を阻止できる。「通常、放出を止めるには電池の壁だけで十分です」と、アーケンライトと関係のないパシフィック・ノースウエスト国立研究所の材料科学者、ランス・ハバードは言う。「内部はほとんど放射性物質ではないため、人にとって非常に安全です。」さらに彼は、原子力電池の電力がなくなると、安定した状態に崩壊するため、核廃棄物が残らないと付け加える。

最初のベタボルタイック電池は1970年代に登場しましたが、最近までほとんど利用されていませんでした。当初はペースメーカーに使用されていました。ペースメーカーでは、パワーポーチの故障が生死を分けることもありましたが、最終的にはより安価なリチウムイオン電池に置き換えられました。今日、低電力電子機器の普及は、原子力電池の新たな時代の到来を告げています。「ベタボルタイック電池は、マイクロワット、あるいはピコワットといった極めて微量の電力供給に最適な電源です」とハバード氏は言います。「モノのインターネット（IoT）が、これらの電源の復活を促したのです。」

典型的なベタボルタ電池は、薄い箔状の放射性物質の層を半導体で挟んだ構造です。核物質が自然崩壊すると、ベータ粒子と呼ばれる高エネルギーの電子または陽電子が放出され、半導体材料中の電子を叩き出して電流を発生させます。この意味で、原子力電池は太陽電池に似ていますが、半導体が光子ではなくベータ粒子を吸収する点が異なります。

太陽電池と同様に、原子力電池からどれだけの電力を引き出せるかには厳しい限界があります。放射線源が半導体から離れるほど、電力密度は低下します。そのため、電池の層の厚さが数ミクロンを超えると、セルの電力は急激に低下します。さらに、ベータ粒子はあらゆる方向にランダムに放出されるため、実際に半導体に当たるのはごく一部であり、そのうち電力に変換されるのもごく一部です。原子力電池がどれだけの放射線を電力に変換できるかという点において、ハバード氏は「約7%の効率が最先端の技術です」と述べています。

これは、原子力電池の理論上の最大効率である約37%からは程遠い。しかし、ここで炭素14と呼ばれる放射性同位体が役立つかもしれない。炭素14は、考古学者が古代遺物の年代を推定するのに役立つ放射性炭素年代測定法で最もよく知られているが、放射源としても半導体としても機能するため、原子力電池の性能向上に貢献できる可能性がある。また、炭素14の半減期は5,700年であるため、炭素14原子力電池は原理的には、人類が文字を持つようになるよりも長い間、電子機器に電力を供給できる可能性がある。

スコット氏とブリストル大学の同僚たちは、特殊な反応炉内でメタンを水素プラズマに注入することで、人工炭素14ダイヤモンドを合成します。ガスがイオン化するとメタンが分解し、炭素14が反応炉内の基板上に集まり、ダイヤモンド格子を形成し始めます。しかし、この放射性ダイヤモンドを、核源と半導体が別々の層になっている従来の「サンドイッチ」型電池構成で使用するのではなく、スコット氏と同僚たちは、指輪に見られるような、ラボで合成された普通のダイヤモンドに炭素14を直接注入する方法の特許を取得しました。その結果、シームレスな構造を持つ結晶ダイヤモンドが生まれ、ベータ粒子の移動距離が最小限に抑えられ、核電池の効率が最大限に高まります。

「これまで、放射線源と、それを受信して電気に変換するダイオードは別々に存在していました」とボードマン氏は言う。「これは画期的なことです。」

炭素14は、宇宙線が大気中の窒素原子に衝突することで自然に生成されますが、原子炉の制御棒を含むグラファイトブロックの副産物としても生成されます。これらのブロックは最終的に核廃棄物となり、ボードマン氏によると、英国だけでも約10万トンの照射済みグラファイトが存在しているとのことです。英国原子力庁は最近、原子力電池に使用される別の放射性同位体であるトリチウムを35トンの照射済みグラファイトブロックから回収しました。アーケンライトのチームは、同庁と協力して、グラファイトブロックから炭素14を回収する同様のプロセスを開発しています。

アーケンライトが成功すれば、原子力電池製造のための原料が事実上無尽蔵に供給されることになる。英国原子力庁（AEA）は、100ポンド未満の炭素14で数百万個の原子力電池を製造できると推定している。さらに、グラファイトブロックから放射性炭素14を除去することで、高レベル放射性廃棄物から低レベル放射性廃棄物へと格下げされ、長期保管時の取り扱いが容易になり、安全性も向上する。

アーケンライト社は、改質された核廃棄物を用いたベタボルタ電池をまだ開発していない。ボードマン氏によると、同社の核ダイヤモンド電池は、実用化までにはまだ数年間、研究室で改良を重ねる必要があるという。しかし、この技術は既に宇宙産業や原子力産業の関心を集めている。ボードマン氏によると、アーケンライト社は最近、欧州宇宙機関（ESA）からダイヤモンド電池の開発契約を獲得したという。「衛星RFIDタグ」と呼ばれるこのタグは、微弱な無線信号を発信することで数千年にわたり衛星を識別できるという。同社のビジョンは核電池だけにとどまらない。アーケンライト社は、核廃棄物貯蔵庫から放出されるガンマ線を吸収して発電するガンマボルタ電池の開発も進めている。

原子力電池の開発に取り組んでいるのは、アーケンライト社だけではありません。シティ・ラボやワイドトロニクスといったアメリカの企業は、数十年にわたり商用ベータボルタ電池の開発に取り組んできました。これらの企業は、炭素14ダイヤモンドではなくトリチウムを核動力源として用いる、より従来型の積層型原子力電池の開発に注力しています。

コーネル大学の電気工学者であり、Widetronixの共同創業者であるマイケル・スペンサー氏は、放射性物質は用途を考慮して選択する必要があると述べています。例えば、炭素14はトリチウムよりもベータ粒子の放出量が少ないものの、半減期は500倍長いです。これは、何かを永久に持続させたい場合には素晴らしいことですが、同じ量の電力を供給するには、炭素14原子電池はトリチウム電池よりも大幅に大きくする必要があります。「同位体の選択には多くのトレードオフが伴います」とスペンサー氏は言います。

かつては周縁技術だった原子力電池が、今や主流に躍り出ようとしているようだ。すべての電子機器が何千年も持つ必要も、望むこともない。しかし、そうなった時、私たちはずっと動き続ける…ずっと動き続ける電池を手に入れることになるだろう。

2021年1月29日午前11時30分（東部夏時間）更新：このストーリーは、City Labs の名前を修正するために更新されました。

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