Глава 254. Преобразование энергии излучения •
Передав исходные экспериментальные данные детектора ATLAS Чэнь Чжэнпину для обработки, Сюй Чуань, не останавливаясь, помчался обратно в Шанхай.
Разработка полупроводниковых материалов для второго этапа ядерного проекта достигла критической точки, и ему нужно было вернуться, чтобы возглавить общую ситуацию и ускорить процесс.
Ведь сейчас уже середина двенадцатого месяца по лунному календарю, и через несколько дней наступит Малый Новый год.
После Малого Нового года в лаборатории, скорее всего, начнутся новогодние каникулы.
В Шанхае, в Институте атомного ядра Академии наук, Сюй Чуань, надев белые полиэфирные перчатки, управлял ионно-лучевой установкой, чтобы ввести металлический ионный материал из оборудования в установку осаждения из паровой фазы ALD.
Это очень важный шаг в производстве полупроводниковых материалов - введение примесей в полупроводниковую подложку.
Конечно, эта примесь не является примесью в нашем традиционном понимании, она чем-то похожа на полупроводниковые кремниевые чипы, используемые в наших мобильных телефонах.
Как известно, полупроводники - это материалы, электропроводность которых при комнатной температуре находится между проводниками и изоляторами.
Их электропроводность управляема и легко изменяется под воздействием микропримесей и внешних условий.
Добавление в них фосфора, мышьяка, галлия и других материалов с различным сопротивлением позволяет сформировать np-переходы, которые служат затворами для управления зарядом.
Это основная база полупроводниковых материалов.
Очень известное и легкодоступное в нашей повседневной жизни фотоэлектричество также основано на этом принципе.
Однако оно использует другую часть - уникальный для полупроводников "фотовольтаический эффект".
Фотоэлектричество - это явление, при котором свет вызывает разность потенциалов между различными частями неоднородного полупроводника или соединения полупроводника с металлом.
Сначала фотоэлектрическая панель преобразует фотоны (световые волны) в электроны, преобразуя световую энергию в электрическую, а затем позволяет ей сформировать напряжение.
При наличии напряжения, как будто на реке построена высокая плотина, если между ними есть соединение, образуется контур тока.
Это основной принцип фотоэлектричества, а также один из принципов механизма накопления и преобразования энергии β-излучения в ядерной энергетике.
Однако традиционная технология фотоэлектричества имеет большой недостаток: диапазон длин волн спектрального отклика обычных солнечных элементов в основном находится между 320 и 1100 нм.
То есть только световые волны в этом диапазоне длин волн могут быть использованы солнечными панелями, а световые волны с длиной волны меньше или больше этого диапазона не могут быть использованы.
Этот момент обрекает эффективность обычных солнечных панелей на невозможность качественного скачка, а также на невозможность обработки излучения, испускаемого ядерными отходами.
Поскольку излучение, испускаемое ядерными отходами, за исключением γ-лучей, которые являются электромагнитными волнами, α-, β- и нейтронные потоки не являются электромагнитными волнами.
И даже γ-лучи имеют длину волны менее 0,1 ангстрема (1 ангстрем = 10 в минус 10 степени метра), что делает невозможным их использование традиционными фотоэлектрическими панелями.
Чтобы использовать это излучение, необходимо почти полностью изменить структуру традиционных фотоэлектрических панелей.
В прошлой жизни, чтобы решить эту проблему, Сюй Чуань, можно сказать, сломал голову, консультировался с бесчисленными экспертами по физике и материаловедению, но так и не получил ответа.
И в конечном итоге вдохновение пришло к нему из области, о которой он даже не думал, - "биологии".
Его вдохновила бабочка, известная как "парусник альциной".
Эта бабочка звучит как красная бабочка, но на самом деле большая часть ее тела черная, только брюшко, лицевая часть, бока груди и другие места имеют немного красного цвета, она широко распространена в Восточной Азии.
И у этой бабочки ученые-биологи обнаружили очень любопытное явление.
На ее крыльях случайным образом распределены кристаллические структуры неправильного размера и формы.
Именно эта кристаллическая структура. Она помогает бабочке поглощать больше солнечного света в холодное время года и регулировать температуру тела, чтобы не замерзнуть холодной зимой.
На самом деле, получение научного вдохновения от биологии - не такая уж редкость.
Многие технологии на самом деле происходят от различных живых существ.
Бионические роботы, купальники с плавниками, холодные лампы, радары и другие очень распространенные вещи на самом деле разработаны на основе различных живых существ.
И Сюй Чуань на основе этой кристаллической структуры нашел способ поглощения энергии неэлектромагнитного излучения и преобразования ее в электрическую энергию.
Принцип заключается в том, что существует нечто, называемое "структурной запрещенной зоной".
С помощью нанотехнологий полупроводник, созданный с использованием технологии атомной рециркуляции, обрабатывается в материал со специальными нанозазорами.
Материал с таким специальным зазором способен поглощать и использовать энергию излучения, а в сочетании со свойствами полупроводникового материала может быть дополнительно преобразован в электрическую энергию.
Это еще одна технология, столь же важная, как и "атомная рециркуляция" в технологии механизма накопления и преобразования энергии β-излучения в ядерной энергетике: "радиационная запрещенная зона".
Прождав в лаборатории около шести часов, первая партия полупроводниковых материалов, предназначенных для обработки методом осаждения из паровой фазы, наконец-то завершила заполнение зазоров и ступенчатое покрытие пленкой.
После долгого ожидания Сюй Чуань снова надел перчатки, маску, защитные очки и другое защитное снаряжение, открыл печь осаждения из паровой фазы и достал оттуда обработанный материал.
Первая партия обработанного материала была не очень большой, всего 30*30 см в длину и ширину, но в качестве экспериментального образца этого было достаточно.
Стоит отметить, что, несмотря на небольшую площадь, его толщина была намного больше, чем у обычных материалов, которые необходимо обрабатывать с помощью оборудования для осаждения из паровой фазы, достигая почти двух сантиметров.
В конце концов, он предназначен для обработки ядерных отходов, и если он будет слишком тонким, то не сможет полностью поглотить излучение, испускаемое ядерными отходами.
На самом деле, он уже не в первый раз изготавливал этот полупроводниковый материал.
Ранее он уже изготовил три совершенно разных новых полупроводниковых материала, но результаты испытаний были неудовлетворительными.
Конечно, он сделал это намеренно, ведь успех с первой попытки был бы слишком невероятным.
А три неудачных материала дали ему достаточно данных для корректировки как по результатам испытаний, так и в теории, и завершение разработки материала стало гораздо более логичным.
Хотя по сравнению с процессом разработки материалов в других лабораториях и исследовательских институтах, это все еще намного проще.
Нужно понимать, что многим лабораториям или исследовательским институтам, возможно, придется потерпеть неудачу десятки, сотни или даже тысячи раз, прежде чем они смогут разработать новый материал.
"Ван Юань, возьми часть материала и сначала сделай полное обычное тестирование".
Этот исследователь по имени Ван Юань был тем самым молодым человеком, с которым он столкнулся, когда звонил в Институт Крея.
Хотя он немного любил сплетничать, но был очень внимателен к работе и очень талантлив, к тому же молод, поэтому он взял его с собой, чтобы тот помогал ему. Для обычного исследователя разве называется "помогать" работа с нобелевским лауреатом?
"Хорошо, профессор".
Ван Юань спокойно взял материал из рук Сюй Чуаня, отрезал небольшую часть, а затем быстро покинул лабораторию.
Что касается самого Сюй Чуаня, то он отнес оставшийся материал в радиационную комнату, чтобы лично проверить фактическую способность преобразования этого материала.
Способ тестирования не был сложным: из этого материала изготавливалось устройство, похожее на солнечную панель, а затем проводились испытания с использованием ядерных отходов с различной интенсивностью излучения.
От самой важной способности вырабатывать электроэнергию до разрушения этого полупроводникового материала ионизирующим излучением и эффективности преобразования - проверялось, сможет ли он достичь заданных показателей.
Если сможет, то это означает, что новый материал успешно разработан, если нет, то нужно выяснить, в чем проблема, а затем устранить недостатки.
Но Сюй Чуань был абсолютно уверен в новом материале, который держал в руках.
Этот новый полупроводниковый материал был полностью оптимизирован в прошлой жизни и прошел проверку практическим применением.
Он был полностью надежен с точки зрения производительности и безопасности.
Потратив некоторое время, с помощью других исследователей в лаборатории Сюй Чуань превратил этот новый полупроводниковый материал в грубое устройство.
Различные подключенные к нему измерительные приборы делали его похожим на двигатель старого трактора.
Несмотря на то, что он выглядел немного уродливо, это была, без преувеличения, самая передовая и современная технология.
Ядро всего устройства состояло из полупроводникового материала для преобразования энергии излучения в электрическую + ранее разработанного защитного материала, первый отвечал за преобразование энергии излучения в электрическую, второй служил мерой безопасности для предотвращения утечки ядерного излучения в случае аварии внутри устройства.
Что касается различного испытательного оборудования, подключенного к нему, то все оно должно быть демонтировано позже, после завершения работ.
Одетый в защитный костюм, изготовленный из бессвинцового нанокомпозитного реконструированного защитного материала, сотрудник лаборатории через свинцовое стекло с помощью оборудования доставил порцию ядерных отходов с сильным ядерным излучением в полностью закрытую внутреннюю лабораторию.
В тот момент, когда ядерные отходы были извлечены из закрытого свинцового ящика, различные детекторы излучения, установленные в полностью закрытой лаборатории, завизжали и загудели, непрерывно раздавались всевозможные сигналы тревоги.
А в другой смотровой комнате лаборатории Сюй Чуань, Хань Цзинь и другие наблюдали за всем экспериментом через мониторы.
По показаниям счетчика радиации на дисплее видно, что в радиационной камере, где проводится эксперимент, доза облучения превысила тысячу миллизивертов (мЗв), и это значение постоянно увеличивается под воздействием ядерных отходов.
Если человек попадет в среду с такой интенсивностью излучения без какой-либо защиты, это практически означает смерть.
И это еще обработанные ядерные отходы, интенсивность излучения, доза облучения и другие аспекты которых были обработаны. Если бы это были горящие ядерные топливные стержни на атомной электростанции, их интенсивность была бы намного страшнее.
Излучение в лаборатории не продолжало накапливаться и увеличиваться, после того как ядерные отходы были помещены в специальное оборудование и полностью закрыты, сигнализация на детекторе начала снижаться, а доза облучения, образованная ядерным излучением, начала постепенно ослабевать из-за поглощения другим оборудованием в лаборатории.
Однако для ядерного излучения это ослабление ограничено.
Когда поглощающий материал насыщается, он в определенной степени становится новым источником излучения, непрерывно высвобождая радиационное загрязнение, пока через сотни и тысячи лет переносимое ядерное излучение не рассеется.
Вот почему после аварии на Чернобыльской АЭС, даже несмотря на то, что тогдашний Красный Совет обработал и очистил 21 миллион квадратных метров "грязной земли", до сих пор на Украине все еще остается большая территория, которая непригодна для проживания из-за слишком сильного загрязнения, и пройдет много лет, прежде чем она станет безопасной для ведения сельского хозяйства.
Загрязнение, испускаемое ядерными отходами, требует слишком длительного времени распада.
Однако этот изначальный недостаток для нынешнего Сюй Чуаня является огромным преимуществом.
Длительное время излучения означает, что и время выработки электроэнергии также велико, можно сказать, что никакое топливо не может "гореть" дольше, чем ядерные отходы.
Если бы можно было изготовить из него батарею обычного размера, то, возможно, в будущем мобильные телефоны, компьютеры и прочее больше не нужно было бы заряжать.
Просто на данный момент эта идея - всего лишь фантазия, из-за проблем с безопасностью невозможно сделать его таким маленьким.
Если только защитный изоляционный материал от ядерного излучения не сможет быть еще более усовершенствован.
По мере того как преобразователь, содержащий ядерные отходы, закрывался, развернутые снаружи детекторы также начали передавать различные данные.
В смотровой комнате исследователь, отвечающий за наблюдение за данными, пристально смотрел на текущий экран дисплея, и когда данные на нем начали колебаться, выражение его лица тоже запрыгало.
"Обнаружено возникновение электрического тока!"
Убедившись, что данные на экране дисплея реальны, этот исследователь оттолкнул стул, на котором сидел, резко встал и громко доложил, его голос дрожал от волнения.
Услышав это, все, кто стоял в смотровой комнате, вздрогнули, а академик Пэн Хунси, который стоял рядом с Сюй Чуанем, быстро подбежал к нему.
Этот старик как раз в эти дни был на конференции в Шанхае, и у него возникла спонтанная идея заглянуть сюда, чтобы посмотреть, как обстоят дела, и он как раз успел на этот тестовый эксперимент, поэтому из любопытства последовал за ним.
Отодвинув в сторону первоначального наблюдателя, он уставился мутным взглядом на компьютерный экран, на котором непрерывно колебались и стабильно увеличивались данные о токе.
"4,7c, действительно, действительно получилось!"
Глядя на прыгающие данные на экране, Пэн Хунси больше не мог сдерживать потрясение в своем сердце.
На самом деле, преобразовать энергию излучения в электрическую возможно, будь то использование металлических материалов для создания разности потенциалов или использование многослойных углеродных нанотрубок с золотом и гидридом лития для поглощения энергии излучения.
Но все вышеперечисленные методы имеют очень низкую эффективность преобразования.
Например, электрический ток, преобразованный из разности потенциалов, создаваемой металлическими материалами, составляет даже менее нескольких миллиампер, ток такой силы может только задействовать чувствительный детектор, и его совершенно невозможно использовать для выработки электроэнергии.
А сегодняшнее испытание было подобно чуду, спустившемуся с небес.
Не говоря уже о других проблемах, только с точки зрения коэффициента преобразования энергии излучения в электрическую, судя по текущим данным, он уже сравним с традиционными солнечными панелями.
Эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую у монокристаллических кремниевых солнечных фотоэлектрических элементов с относительно высокой эффективностью составляет всего около 20%,
И, судя по текущему выходному току, коэффициент преобразования внутреннего излучения "устройства преобразования энергии излучения", установленного в закрытой лаборатории, уже достиг около 15%, и это значение продолжает увеличиваться с течением времени.
Коэффициент преобразования в пятнадцать процентов означает, что с точки зрения преобразования энергии излучения в электрическую у него нет никаких проблем, и он вполне может использовать преобразованную электроэнергию.
Если ключевой материал устройства - этот новый тип полупроводника - сможет прослужить достаточно долго перед лицом ядерных отходов и достичь коммерческого стандарта, то этот метод можно будет полностью внедрить, и с сегодняшнего дня ядерные отходы больше не будут отходами, с которыми трудно обращаться, они превратятся в сокровище, которое можно использовать для выработки электроэнергии.