やさしい物理講座ⅴ62「中国で開発の原子力電池は放射線βで発電か？」
簡単に解説すると、光は可視光を含む電磁波として知られている。（波長の短い）光は光電効果の原理で太陽光発電として活用されている。
翻って、核分裂生成物はごみ扱いとして、半減期などの無害になる期間を相当な期間安全に保管することに苦心しているのが現実である。
発想の転換でごみと言われ忌み嫌われるガンマー線などを光電効果の原理を活用できるのではと思い以前ブログに掲載した。
核分裂生成物の解決法 副題 放射線（α・β・γ）発電の提言｜tsukasa_tamura (note.com)
以前のブログで提言していたことが実現段階にあるようである。今回は中国で研究開発中の「原子力電池、放射線β」の報道記事を紹介する。日本の物性物理の研究者に是非頑張って開発をお願いしたいものである。
皇紀2684年3月26日
さいたま市桜区
理論物理研究者 田村 司
骨子：放射線（α・β・γ）発電の提言
⑴、太陽光発電技術の応用と新技術開発の必要性
光電効果のE=ℎνからわかるようにガンマー線を電気エネルギに変換する技術の開発。
現在、原子力発電というと聞こえがよいが実体の原理は火力発電と変わらない。しかも発生した熱効率も３０％程度のようす。また夜間は発電されても消費されない。
今回の提言は、核反応から発生するガンマー線エネルギーを電気エネルギーに変換する応用技術の開発。
「太陽光発電システム」では、シリコン半導体に光が当たると電気が発生する現象を利用し、太陽の「光エネルギー」（可視光）を直接「電気エネルギー」に変換して活用します。原理は電気的な性質が異なるN型半導体とP型半導体を重ね合わせて光を当てると、接合面を境にN型側に電子（－）、P型側に正孔（＋）が集まるという性質を活用し、それぞれの電極をつなぐことで電気が流れる仕組みを作り出している。
太陽電池モジュールの発電によって生まれる直流電力は、パワーコンディショナによって、一般に利用できる交流電力（電力会社が供給するのと同じ）に変換されます。「太陽光発電システム」には、商用の電力線とつなげる「系統連系システム」と、発電した電気をバッテリーに蓄えたり、そのままで使う「独立電源システム」がある。
⑵、熱電対の原理（ゼーベック効果）と「ペルチェ素子による冷却と発電」
1821年、ドイツ人科学者ゼーベック（T.J.Seebeck）が、2つの異なる金属をつなげて、両方の接点に温度差を与えると、金属の間に電圧が発生し、電流が流れることを発見しました。
この現象を発見者の名前をとって「ゼーベック効果」と言います。この回路に電流を起こさせる電力を熱起電力（Thermoelectromotive force）と呼ばれ、その極性と大きさは2種類の導体の材質と両端の温度差のみによって定まることが確認されています。核分裂による熱反応はこれの方法により電気エネルギーに変換可能である。
熱電対は前述のゼーベック効果により、2種類の金属の接合部（測温接点）T1の温度と計測器側接点（基準接点）T0の温度差Tによる電圧を発生します。
ペルチェ素子は直流電流を流すことにより、一方の面から他方の面に熱を移動させる効果のある熱電変換デバイスで、冷却と加熱及び温度制御をおこなうことができる半導体素子（６００円から２０００円）です。
ペルチェ効果：２つの異なる金属を電気的に直列に結合して直流電流を流すとその結合部分にジュール熱以外の吸熱及び発熱が発生する現象。
原理：ｐ型の熱電半導体とｎ型の熱電半導体を銅電極で接合し、ｎ型から直流電流を流すと上側の接合面から下側の接合面へ熱を運びます。また電源の極性を逆にすることにより、熱の移動方向も逆になるので冷却・加熱を完全に逆転することが可能です。
ペルチェ素子（熱電発電）はペルチェ効果の逆反応であるゼーベック効果を利用して、熱（温度差）を利用して電気をつくることができる。
核反応の熱で高熱の水蒸気でタービンを回すことによる発電方法より、緩やかな発熱による温度差で発電できるのである。核分裂生成物による発熱、ガンマー線、などの放射線は、「核ごみ」として地中に保存（廃棄）することなく、半減期の期間はエネルギーに変換できる資源として、「核ごみ」は取り扱うことが、有効な資源活用であると吾輩は強く思う。
充電不要スマホ実現へ。中国、50年間発電し続ける民生向け「原子力電池」を開発
2024年1月12日 13:42
劉 尭
中国・北京貝塔伏特新能科技有限公司は8日(現地時間)、民生向けとしては初めて実用化できるレベルの小型化/モジュール化/低価格化を実現した「原子力電池(中国語では原子能電池)」の開発に成功したと発表した。この原子力電池は50年間の安定した発電が可能としており、充電、メンテナンスが一切不要。既にテスト段階に入っており、もうまもなく市場向けに投入できる。
原子力電池は放射性電池などとも呼ばれ、半減期の長い放射性元素が放出するエネルギーを半導体変換器を用いて電気に変換する。米国やロシアなどでは開発が進んでいるのだが、宇宙開発などに使われている程度だった。
同社の原子力電池は初の民生向けとなっており、放射性同位体ニッケル63から発せられるベータ粒子を用いている。
2枚の厚さ10μmの単結晶ダイヤモンド半導体でそのニッケル63を挟み込むモジュール構造を採用。モジュールとなっているため、数個もしくは数百個でユニットを作成し、直列または並列でつなぐことで、異なるサイズ、異なる出力を持つ電池を作成できるという。
最初の製品は「BV100」という名前で、世界初のコンシューマ向け原子力電池となる。電圧は3V、出力は100μWと小さいが、本体サイズはわずか15×15×5mmでコイン1枚よりも小さい。常に電気を発しており、毎日8.64J(ジュール)、毎年3,143Jのエネルギーを発することができる。
2025年には1Wの製品を予定しており、法律および政策的に問題がなければ、「(事実上)永遠に充電する必要がないスマートフォン」や「(事実上)永遠に飛び続けられるドローン」も実現できるとしている。
原子力電池は物理電池でも化学電池でもないため、リチウムイオン電池の10倍以上の容量密度を実現できる。1gの中に3,300mWhの容量を凝縮でき、発火しない、爆発しない、充電サイクルを持たないといった特性も持つ。さらに、周囲の環境や負荷による劣化も少なく、-60～120℃の環境で正常に動作し、自己放電も発生しないといった特性を持つ。
また、外部に対して放射性物質を出すこともないため、人工の心臓や渦巻管といった医療機器にも応用可能。ニッケル63は壊変で最終的に銅の安定した同位体となり、一切の放射性を持たず、自然や環境への脅威にもならないとしている。
今回の製品は原子力電池ならびにダイヤモンド半導体の2つの分野でブレイクスルーで実現したとして、欧米企業を「遥遥領先(圧倒的にリードの意、HuaweiのMate 60 Proの発表会で使われ、中国では一躍トレンドワードとなった)」したと謳う。PCT国際特許の取得を進めているほか、ストロンチウム90、プロメチウム147、重水素といった同位体を用いた電池の開発も進め、より高効率だが寿命が2～30年程度の原子力電池の開発も進めるとしている。【17時14分訂正】記事初出時、半減期についての記述に誤りがございました。お詫びして訂正します。
中国、充電なしで5年持続 新興企業が電池を開発
アジアＢｉｚ 2020年9月8日 2:00
電池の持続時間を伸ばすことは、電池の技術開発における難しい課題の一つである。通常、電池は繰り返し充電しなければならず、充電できる回数に上限がある。では、充電不要な電池を作り出すことは可能だろうか。
その解決策の候補の一つがトリチウム電池であり、中国の「紫電能源（ZIDIAN NENGYUAN）」がその開発を手がけている。同社のトリチウム電池は電圧12V、電流1A、寿命は約5年間で、この間の充電は不要である。リチウム電池と比べれば、トリチウム電池の汚染と放射線はともに少なく、より性能が安定している、爆発の恐れがない、悪環境下でも通常通り稼働できる、コスト・パフォーマンスが良いといった利点がある。
実用化が期待されている（紫電能源提供）
同社の創業者によると、同社はトリチウム電池の開発を2008年から行っており、2013年に初代の製品見本を製造した。当時、熱核反応によって生じたエネルギーを電気に変えようとしたが、仕事率が3～4Wしかなかった。その後同社は開発方針を光電変換で電気を作り出すことに変更し、実用化可能なトリチウム電池の開発に成功したのである。
この電池のメカニズムは、トリチウムガスが出す微量のβ線が薄い膜材料にぶつかり、膜材料から飽和電子が放たれ、紫外線との光電変換で電気エネルギーが生じるというものである。トリチウムガスの半減期は約12年であるため、その間安定的に電子が放出されることになり、長期にわたり安定した電力供給が可能である。実際に使用できるのは約5年間だという。安全性においても、リチウム電池と比べると、発火、爆発の恐れがないのが強みだ。
トリチウムガスの放射線が飛ぶことのできる距離は2～3cmしかなく、電磁波の強さも同等のリチウム電池より弱い。トリチウムガスが漏れ出さないように、紫電能源は電池の外殻にカーボンファイバーを使用し、電池の内部には放射線防護材を入れている。
これらの特徴から、紫電能源のトリチウム電池は、軍事設備、アウトドア用品、モバイルバッテリー、ドローンなど、持ち時間、安全性、安定性へのニーズが高い分野での実用化が期待される。
現在トリチウム電池を研究・製造している企業は少なく、米国の「CityLab」は2013年に電圧3V前後のトリチウム電池を開発した。しかし、この電池はトリチウムガスが直接電子を放出することによって生じた電気エネルギーを利用するもので、電流は約30μAしかなく、ペースメーカーやセンサーなどにしか使えず、しかもコストが非常に高い。
目下、紫電能源の製品は小ロット生産し、試験的に使用されている段階である。量産を実現できれば、コストはさらに下がるだろう。同社はコンシューマーエレクトロニクス向けでの実用化を目指しており、年内に高性能なモバイルバッテリーを発表し、来年から量産にこぎつけたいとしている。
同社の中心メンバーは、リチウム電池業界で開発、生産管理などの経験がある。現在同社はともに製品のテスト、量産、セールスを行ってくれるパートナーを探している。
・「36Kr ジャパン」のサイトはこちら（https://36kr.jp/）
・中国語原文はこちら（https://36kr.com/p/842049967261701）
日本経済新聞社は、中国をはじめアジアの新興企業の情報に強みをもつスタートアップ情報サイト「36Kr」を運営する36Krホールディングスに出資しています。同社の発行するスタートアップやテクノロジーに関する日本語の記事を、日経電子版に週2回掲載します。
日本経済新聞社は9月30日、36Krと共同でウェブセミナー「中国発VRが変えるコロナ後のビジネス」を開催します。3D画像などVR（仮想現実）技術を提供する中国系スタートアップ企業と、3Dを応用する日本企業の幹部が登壇し、ビジネスにおけるVRの可能性について議論します。
同日午後1時半から、オンライン方式で開きます。参加は無料です。公式サイト（https://eventregist.com/e/china-vr）からお申し込みください。
原子力電池
『ウィキペディア（Wikipedia）』
原子力電池は、放射性同位体が発する熱などを利用する電池である。放射線電池、RI電池、ラジオアイソトープ電池、アイソトープ電池(en)、またはラジオアイソトープ発電器、RI発電器とも呼ばれる。
原子力電池は、半減期の長い放射性元素の原子核崩壊の際に発する熱などを利用し、熱電変換素子などにより、その熱を電力に変換する物理電池である。
長い半減期をもつ同位体を用いることで寿命の長い電源が得られる。長寿命を活かして宇宙探査機の電源として利用されている。1960年代には心臓ペースメーカーの電源としても利用された。
熱電変換方式
この方式の原子力電池は、放射性同位体熱電気転換器(RTG)とも呼ばれる。放射性核種の原子核崩壊の際に発生するエネルギーを熱として利用し、熱電変換素子により電力に変換する。実用される原子力電池にはアルファ崩壊を起こす核種であるプルトニウム238やポロニウム210、ストロンチウム90などが用いられ、放射されたアルファ線が物質に吸収されて生じた熱を利用している。現在主に使用されているプルトニウム238は生産量が少なく、今後安定的に確保できなくなる懸念があり、代替としてアメリシウム241（半減期432.6年）が検討されている。
熱イオン変換方式
このタイプは実用化されていない。
アルカリ金属熱変換方式
ソビエトの人工衛星に搭載され、ナトリウムが漏れる事故を起こしている。
圧電式変換方式
このタイプは実用化されていない。
光電変換方式
放射性同位体によって励起された蛍光体から発せられる光を光電変換素子（太陽電池）によって電気に変換する。プロメチウム147などが用いられる。
宇宙
生物への影響がほとんど懸念されず、少量の燃料で超長期間動作する原子力電池は、人工衛星に1960年代から使用されてきた。しかし打ち上げ時のトラブルによって放射性物質が周囲に拡散されるリスクがある。現在ではソーラーパネルの性能が向上したために地球軌道周辺では太陽電池を使うのが一般的であるが、惑星間探査機などでは引き続き採用されている。
宇宙探査機については小惑星帯までは太陽光放射量も十分なため、小惑星帯よりも内側でのみ活動する探査機の電源には太陽電池が使われてきた。一方で、それよりも外側で活動する探査機の場合は、太陽からの光が弱い上に目標到達に長い時間がかかるので、原子力電池が優先的に採用されてきた。しかし太陽電池の性能向上により、木星軌道程度であれば原子力電池を太陽電池に置き換えることも可能となっている。
原子力電池はパイオニア10号・11号とボイジャー1号・2号の他、木星探査機ガリレオや土星探査機カッシーニなどに使われた。2006年1月に打ち上げられたNASAの冥王星探査機ニュー・ホライズンズにも原子力電池が搭載されている。これらの外惑星探査機だけでなく、太陽探査機のユリシーズも太陽の極軌道（地球などの公転面に対して垂直に近い軌道）に投入するためには木星を利用したスイングバイを行う必要があったため、木星付近での活動に支障が無いように、また太陽接近のための超高温による影響を回避するため原子力電池を搭載した。
NASAの火星探査機はかつては太陽電池を搭載していたが、長期間運用していると砂ぼこりの付着によって発電量が低下し動かなくなってしまうことがあったため、2011年に打ち上げられたキュリオシティ以降は原子力電池を搭載している。
2011年に打ち上げられた木星探査機ジュノーは、木星以遠を目指す探査機として初めて原子力電池を使用せず、代わりに大型の太陽電池を搭載した。その後打ち上げられたルーシーやJUICEも軒並み太陽電池を備えている。他に計画されている木星圏探査機OKEANOSも同様で、詳細は各項目を参照。
原子力電池は寿命が長いため、打ち上げから40年以上経つボイジャー1号とボイジャー2号は太陽圏の外へと向かっている現在もなお星間空間の探査・観測ミッションを続行している（パイオニア10号は2003年に、パイオニア11号は1995年に通信途絶）。
他に原子力電池を搭載した衛星は、火星探査機バイキング1号ランダーとバイキング2号ランダー、マーズ・サイエンス・ラボラトリーがある。月探査を行ったアポロ12号からアポロ17号の月着陸船には、月面に設置してきたアポロ月面実験パッケージ (ALSEP)用の電源としてRTGが搭載されていた。なお、アポロ13号は事故により月着陸を断念して地球へ帰還したが、そのさい月着陸船を伴ったまま地球大気圏に突入することとなったため、搭載していたRTG（3.8kgのプルトニウム238を封入したSNAP-27）は南太平洋のトンガ海溝の水深約6,500mの海底に沈んだ。周辺から放射線は検出されなかったため、RTGは破損せずに沈んでいると考えられる。 地球軌道を周回する人工衛星に搭載された例としては、1961年6月のTransit-4Aが初めての搭載例で、SNAP(Systems for Nuclear Auxiliary Power)-3Bを搭載した。その他、Transit-5BN1/2、気象衛星ニンバス B-1、LES-8号、LES-9号（LES-8,9は静止衛星）にも搭載された[5]。
Transit-5BN1/2は、1964年4月21日に打上げられたが、軌道投入に失敗してマダガスカルの北側で大気圏に再突入してRTGも破壊され、大気圏上層に拡散した。数カ月後には放出されたプルトニウム238が検出された。ニンバス B-1は1968年5月21日の打上げ時に飛行軌跡から逸脱したため指令破壊されたが、搭載していたRTGは5ヶ月後に無事海底から回収された。このような初期の失敗を教訓に、現在の惑星探査機では打上げに失敗して大気圏に突入してもプルトニウムが放出されないような設計が行われている。
民生向け電源
発電所から遠い僻地の電源として利用されていた例がある。シベリアの北極海周辺では推定900個の原子力電池が使用されていたが、1997年ごろには十分な管理がされないまま放置されている。
2023年には中国の北京貝塔伏特新能科技有限公司が、大きさ15mm×15mm×5mm、電圧3V、出力100μW、寿命50年の原子力電池モジュールを発表した。民生品への搭載を想定した製品としている。 今回掲載の報道記事はこれである。
医療
実験的にプルトニウム238を用いた原子力電池はその長寿命を生かして一時期埋め込み型心臓ペースメーカーの電源として利用された。この用途には現在、リチウム電池が用いられている。また、体内埋め込み利用を念頭に、ニッケル63をエネルギー源としMEMS技術を利用した新世代のマイクロ原子力電池の開発が行われている。ただし、プルトニウムを民需用に使うことに対しては技術的・政治的制約があり、現実的な実用化の目処はついていない。いずれの方式でも、仮に体内埋め込み後に破損した場合には内部被曝の危険、重金属による金属中毒の危険なども考えられる。
2018年12月14日、ロシアのTVELにおいて（低電力の用途に適し寿命が50年のコンパクトな新型原子力電池）「ベータボルタ電池」が発表される。「ベータボルタ電池」による人工放射性同位元素の自然崩壊で生じる放射線を電気へ変換する直接発電は「ベータボルタイック」と呼ばれており、（人体に有害なガンマ線ではなくベータ線を発するので）漏洩する放射線は｢シンプルなプラスチック包装｣でシャットアウトできる。
参考文献・参考資料
充電不要スマホ実現へ。中国、50年間発電し続ける民生向け「原子力電池」を開発 - PC Watch (impress.co.jp)
中国、充電なしで5年持続 新興企業が電池を開発 - 日本経済新聞 (nikkei.com)
この記事が気に入ったらサポートをしてみませんか？