日本核污水排海以来已经引起众多社会经济问题，引发国际社会强烈反响。核污水排海行为会对全球海洋生态环境、全世界人民安全健康造成严重威胁。然而将核污水中的放射性同位素分离浓缩后，可以制成十几年无需充电的金刚石辐射伏特效应同位素电池，从而实现核污水中放射性元素的回收利用、变废为宝。

      2023年8月24日起，日本福岛第一核电站正式向海洋排放核污水，不少日本民众聚集在东京的首都官邸前组织集会活动，向日本政府表达不满。

图片来自央视新闻直播

      实施核污水排海是对全球海洋环境、全世界民众安全健康极不负责任的行为。核污染水是核反应堆外层冷却水直接接触反应堆后带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，通过衰变反应辐射连续能量的β粒子，氚的平均辐射能量约为5.5keV，碳14的平均辐射能量大约在50keV。核污水排入海洋不仅污染环境危害民众健康，而且造成大量核能源的浪费。

核废水与核污水的区别

      实现核污水的循环回收利用，正确处理核污染水才是解决问题的根本之道。如果能将核污水中的主要放射性元素与污水分离，提取出的放射性元素如氚、碳14等有效回收利用，就能实现核污水“变废为宝”，剩余微量辐射核污水的处理成本也将大大降低。核污水中提取的3H、14C进行β衰变恰好适合作为金刚石同位素电池的辐射单元。以3H为例，衰变反应放射的β射线平均能量为5.5keV，每个衰变的电子能量将达到8.8×10-16J。据报道，日本计划17天内向海洋排放7800吨核污水，假定日本实际排放标准达到东京电力公司公布的氚浓度为国家标准（60000Bq/L）的四十分之一，即1500Bq/L，则仅仅17天内向海洋内排放污水中氚的活度就达到了1.17×1013Bq，平均每秒钟向外释放0.01焦耳的能量，将这部分氚收集后制作成金刚石同位素电池可以同时为1000个医用心脏起搏器持续提供能源12年以上。

如何有效分离、浓缩核污水中的氚等放射性元素并应用到同位素电池上是我们需要关注的问题。

      对于14C一般利用湿法氧化法提取。通过酸解洗气、过硫酸盐氧化剂处理水样，后加入磷酸和过硫酸钠加热，由此将水样中所含的放射性碳元素转化为二氧化碳，生成的二氧化碳通过氮气吹扫后用无机碱液或有机碱液吸收。随后可以对吸收二氧化碳的无机/有机碱液进行化学处理得到金刚石生长所需的甲烷。

      对于氚的提取一般采用蒸发浓缩法。利用氚的沸点低于水的沸点的特性，控制温度利用蒸馏原理将氚与废液进行分离，通过冷凝收集凝结的氚，并通过储氚材料如锆、钛、镁、铝等进行收集固化。还有几种收集氚的方法，如离子交换法，含特殊阴离子的树脂放置核污水中，氚会与树脂中的离子发生交换反应，将氚分离出来；再如膜分离法，利用某些膜材料对氚特异性过滤或反渗透的特点，将氚离子筛选出来并进一步富集固化。

      不同类型的辐射源浓缩固化后与金刚石换能结的结合方式也有所区别。常用垂直型金刚石肖特基结同位素电池结构如下图。在换能结一侧通过一定工艺固定同位素材料，固定方式对电池性能的影响很大。如氚与金刚石换能结的结合方式主要为金属吸附、陶瓷吸附，常用储氚金属包括锆、钛、镁、铝等。在金刚石换能结特定面沉积一层储氚金属，放置在核污水分离、浓缩后的高浓度氚辐射气氛中，通过吸附作用进行储存，金刚石换能结与辐射源的紧密结合实现金刚石肖特基结同位素电池更优异的性能输出。再如14C与金刚石换能结结合，核污水中分离获得的14C通过化学处理为CH4的形式，利用微波等离子体化学气相沉积法生长金刚石衬底及外延层，使金刚石本身具有放射性，因此制备的换能结具有自供电功能，再利用12C外延生长一层金刚石包裹住放射性金刚石换能结，可实现辐射屏蔽功能。

金刚石辐射伏特效应肖特基结同位素电池结构示意图

      金刚石辐射伏特效应同位素电池是以金刚石材料和同位素材料为基础，利用辐射伏特效应将核衰变能直接转变为电能的装置。

      金刚石辐射伏特效应同位素电池的发电原理类似于太阳能电池的光生伏特效应，是通过辐射伏特效应进行载流子激发和收集的。由于金属与金刚石功函数的差异，二者接触后会因为载流子在接触区域的迁移形成空间电荷区，空间电荷区有由金属指向金刚石的内建电场。放射源中发出的β射线会穿过金属层进入金刚石中，使金刚石电离，产生电子空穴对，在空间电荷区域的电子和空穴会在内建电场的作用下向两个方向移动，形成电流。

金刚石辐射伏特效应同位素电池原理示意图

      以采用氚源的金刚石肖特基结同位素电池的制备过程为例，首先对微米级厚度的金刚石片精加工并化学腐蚀，获得表面纯净的掺硼金刚石薄片。利用MPCVD法外延生长本征层，通过优化工艺获得高效率的PI双层金刚石结构，表面改性以消除横向导电的二维空穴气，设置不同功能层，如超薄氧化锌增益肖特基势垒高度。利用溅射沉积技术制备电极，在正极沉积一定厚度储氚材料，置于氚放射性气氛中，由此得到氚源的金刚石肖特基结同位素电池。

      金刚石辐射伏特效应同位素电池不仅能够帮助处理核污水，同时在深空深海探测、先进医疗、军事国防等领域都有重要作用。如现代近地球轨道卫星及其探测器件的电源也都使用太阳能电池，而随着深空深海等远离太阳光照射条件下，太阳能电池的应用范围受到极大限制。太阳能帆板积灰问题也将导致发电效率下降，产生巨额的清理和维护成本。金刚石辐射伏特效应同位素电池以其极端环境下保持长时稳定供电的特性将有效解决这些问题。

使用金刚石辐射伏特效应同位素电池的火星车示意图

      哈尔滨工业大学红外薄膜与晶体团队在高性能金刚石同位素电池领域进行了广泛研究，成功制备超薄氧化物增益金刚石肖特基结同位素电池，将单结电池开路电压提升至1.7V，超过了干电池的开路电压。利用Am-241探究了不同活度的α源对金刚石同位素电池的性能影响并基于α源研究了金刚石肖特基二极管的整流特性，优化了掺硼金刚石衬底上本征外延的生长工艺，±7V偏压下获得了高达109的整流比。针对金刚石同位素电池的输出性能进行优化，包括电池能量转换效率、短路电流以及功率密度等，部分性能已经做到世界领先水平。

相关研究发表论文登上期刊封面

      另外，团队基于金刚石肖特基结构制备了超薄氧化镓增益的金刚石同位素电池，获得了高质量的单晶金刚石本征层，晶体质量达到电子级水平，获得高整流比、低漏电流的金刚石换能结构，利用超薄氧化镓调控金刚石表面能带并优化载流子界面运输状态，开路电压达到3V。提出了储能型超级核电池系统集成方案，利用电容器的充放电原理实现核电池对储能器件的不间断涓流充电和储能器件对负载的短时湍流放电效果。制作了基于氚源的核致荧光同位素电池，开路电压达到1.4V，短路电流达到2μA，成功为一个微型计算器供能，器件理论使用寿命达12年以上。团队有关研究成果获得了第十八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校赛暨哈尔滨工业大学第十三届“祖光杯”创意创新创业大赛金奖、第十八届“挑战杯”黑龙江省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖，目前已被黑龙江省共青团推荐至挑战杯国赛。

团队自研核致荧光同位素电池原型样机

      放射性元素并不可怕，不正确的处理方式可能会造成环境污染，甚至生灵涂炭，但利用得当则可以为全人类生产生活带来便利。X光的使用为医疗行业带来革命性的发展；核电站的建立为电力行业缓解了巨大的工业生活用电压力；随着金刚石辐射伏特效应同位素电池乃至各类核电池研究的不断深入，未来将有效推动深空深海探测、医疗民生国防等领域供能设备的飞速发展。

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