بطارية نووية آمنة ومدمجة قد تُحدث ثورة في تخزين الطاقة

الطاقة النووية في كل شيء؟

وعندما أصبح توليد الطاقة النووية تكنولوجيا عملية، أعطى ذلك الأمل في أن الطاقة التي كانت تستخدم حتى الآن فقط في صنع القنابل التي قد تقضي على العالم يمكن أن تنقذ الحضارة نفسها من استنزاف الموارد.

وبما أن تغير المناخ يشكل مصدر قلق متزايد، الطاقة النووية تشهد نهضةلأنه مصدر طاقة متاح وقابل للتطوير ومنخفض الكربون، ويمكنه سد الفجوة حتى تصبح مصادر الطاقة المتجددة والبطاريات جاهزة لتحل محل الوقود الأحفوري. وهناك تصاميم جديدة لمحطات الطاقة النووية قادمة، مما يجعلها أرخص وأكثر أمانًا ومرونة، كما أوضحنا في "تحديث بشأن SMRs (المفاعل المعياري الصغير) - لا يزال مستقبل الطاقة النووية"و"الجيل الرابع من الطاقة النووية: أرخص وأنظف وأكثر أمانًا".

مع ذلك، لم تكن محطات الطاقة الضخمة هذه كما تصورها كُتّاب الخيال العلمي في البداية للطاقة النووية. كان مفكرون بارزون، مثل إسحاق أسيموف، أكثر طموحًا بكثير، وتخيلوا مولدات طاقة نووية مصغّرة يمكن تركيبها في القطارات والسيارات، وحتى في الأجهزة الأصغر، مما جعل فكرة إعادة شحنها أو تزويدها بالوقود فكرةً بالية.

تُتخذ خطوة في هذا الاتجاه بعرض بطاريات نووية صغيرة الحجم تكفي لتشغيل أجهزة إلكترونية صغيرة، وهي آمنة تمامًا.

تم تقديم هذا العمل البحثي في ​​الاجتماع الربيعي للجمعية الكيميائية الأمريكية (ACS) بواسطة سو-إيل إن، أستاذ في معهد دايجو جيونجبوك للعلوم والتكنولوجيا (كوريا الجنوبية)، تحت عنوان "بطارية الجيل التالي: خلية بيتا فولتية حساسة للصبغة C14 عالية الكفاءة والمستقرة".

المصدر أخبار الأبحاث في آسيا

حدود البطارية

معظم الأجهزة الإلكترونية اليوم محدودة السعة بسبب بطارياتها، التي عادةً ما تستخدم تقنية أيونات الليثيوم. وهذا ينطبق على الهواتف الذكية، والطائرات بدون طيار، وأجهزة الاستشعار، وغيرها.

علاوة على ذلك، فإن استخراج الليثيوم هو عملية مدمرة للبيئة، وقد يصبح الليثيوم ملوثًا في المستقبل.

ولقد نظر العلماء منذ فترة طويلة إلى البديل المتمثل في استخدام الاضمحلال الإشعاعي، وهي عملية تستغرق مئات أو حتى عشرات الآلاف من السنين، باعتبارها بديلاً أفضل، ولا تتطلب إعادة تحميل الأجهزة على الإطلاق.

ومع ذلك، بما أن هذه الأجهزة ستكون مشعة، فيتعين أن تتوافق مع أعلى معايير السلامة.

النشاط الإشعاعي بيتا

هناك أشكال عديدة ومختلفة من النشاط الإشعاعي. من بينها، يُعدّ اضمحلال غاما أخطرها، إذ يُصدر أشعة غاما قوية جدًا، قد تُسبب السرطان وأضرارًا أخرى.

المصدر الكيمياء المركبة

تعتبر تحللات ألفا وبيتا أقل خطورة بكثير، ويمكن إيقاف الانبعاثات الإشعاعية باستخدام طبقة رقيقة من الألومنيوم أو حتى الورق فقط.

المصدر جامعة ولاية أوريغون الغربية

اختيار النظير الصحيح

يعتمد النشاط الإشعاعي على العنصر المشع ونظائره، لذا تُعدّ بعض مصادر الطاقة أكثر أمانًا من غيرها. لهذا السبب، لا تُناسب مواد مثل اليورانيوم البطاريات النووية الصغيرة.

ومع ذلك، فإن الكربون 14، وهو نظير طبيعي للكربون، يستخدم عادة في تحديد تقنيات تحديد التاريخ، قد يكون خيارا جيدا.

ومن المزايا الإضافية أن الكربون-14 يُنتج في محطات الطاقة النووية الحالية، مما يجعله غير مكلف، ومتوفرًا بسهولة، وسهل إعادة تدويره.

قررتُ استخدام نظير مشع للكربون لأنه يُولّد أشعة بيتا فقط. ولأن الكربون المشع يتحلل ببطء شديد، فإن بطارية تعمل به قد تدوم نظريًا لآلاف السنين.

البروفيسور سو-إيل إن - أستاذ في معهد دايجو جيونجبوك للعلوم والتكنولوجيا

تكنولوجيا بيتا فولتايك

إن الاستفادة من اضمحلال بيتا لتوليد الطاقة ليس مفهومًا جديدًا تمامًا ويُعرف باسم الطاقة الكهروضوئية البيتا، حيث تحل جسيمات بيتا محل الفوتونات المستخدمة في الطاقة الكهروضوئية الكلاسيكية.

في البيتا فولتية، يصطدم إلكترون بدلاً من فوتون بشبه موصل، مما يؤدي إلى إنتاج الكهرباء.

تُعدّ هذه المادة شبه الموصلة العنصر الأساسي، إذ إن كفاءتها تُحدد معدل كفاءة تحويل الطاقة الإجمالي. حتى الآن، كانت أشباه الموصلات البيتا فولتية منخفضة الكفاءة جدًا أو هشة جدًا بحيث لا تدوم طويلًا مثل الوقود النووي.

أشباه موصلات ثاني أكسيد التيتانيوم

استخدم البروفيسور إن وفريقه مادةً شائعة الاستخدام في الخلايا الشمسية، وهي ثاني أكسيد التيتانيوم، وأضافوا إليها صبغةً أساسها الروثينيوم. ولجعل الرابطة بين الصبغة وشبه الموصل صلبةً بما يكفي، استخدموا حمض الستريك.

عند اصطدام صبغة الروثينيوم بجسيم بيتا (إلكترون قوي)، تُحدث سلسلة من تفاعلات نقل الإلكترونات، تُسمى "سيل الإلكترونات". ثم يجمع ثاني أكسيد التيتانيوم الإلكترونات المولدة ويحولها إلى كهرباء قابلة للاستخدام.

معالجة كلا القطبين

اكتشف الباحثون أنه من الممكن تعزيز كفاءة العملية بشكل جذري عن طريق وضع صبغة الروثينيوم على كل من الكاثود والأنود للبطارية النووية.

وبالمقارنة مع التصميم السابق الذي استخدم الكربون المشع على الكاثود فقط، أدى هذا إلى كفاءة تحويل طاقة أعلى بكثير، من 0.48% إلى 2.86%.

الاستخدامات

وبما أن هذا النظام من المرجح أن يكون في الوقت الحالي أكثر تكلفة من البطارية المعتادة، فسوف يجد أن تطبيقاته الأولى لم تكن استبدال أو إعادة شحن مصدر الطاقة هو الأكثر فائدة.

على سبيل المثال، من الممكن تشغيل أجهزة تنظيم ضربات القلب وغيرها من الأجهزة الطبية المزروعة مدى الحياة باستخدام بطاريات بيتا فولتية.

يمكن أن تستفيد أجهزة الاستشعار في البيئات الحساسة أو المعادية، مثل المفاعلات النووية، والمصانع، وأعماق البحار، أو الفضاء العميق، أيضًا بشكل كبير من هذا المفهوم.

تحسينات اضافيه

تنضم هذه التقنية، والزيادة المذهلة في الكفاءة، إلى أبحاث أخرى تسعى إلى الاستفادة من الاضمحلال الإشعاعي لإنتاج الطاقة دون الحاجة إلى مفاعل نووي. على سبيل المثال، لقد ناقشنا مؤخرًا فكرة استخدام النفايات النووية لإنتاج نوع آخر من البطاريات النووية.

ويشير البروفيسور إن إلى أن بذل المزيد من الجهود لتحسين شكل باعث أشعة بيتا وتطوير ممتصات أشعة بيتا أكثر كفاءة من شأنه أن يعزز أداء البطارية ويزيد من توليد الطاقة.

وبشكل عام، من المرجح أن تستمر هذه التكنولوجيا في التحسن مع تقدم فهمنا لأشباه الموصلات والمعادن النادرة.

الاستثمار في الطاقة النووية

كاميكو - شركة ويستنجهاوس للكهرباء

في 2022، اتخذت شركة كاميكو قرارًا بالاستحواذ على حصة 49% في شركة وستنجهاوس، الشركة الرائدة في بناء محطات الطاقة النووية في الولايات المتحدة.، إلى جانب شركة استثمارية عملاقة، بروكفيلد (51٪ سيطرة).

تمتلك الشركة قسمًا ضخمًا لتوليد الطاقة المتجددة/المنخفضة الكربون في هيئة 19 مليار دولار شركاء Brookfield Renewable (BEP )تعتبر شركة بروكفيلد كوربوريشن ككل شركة ضخمة لإدارة الأصول حيث تبلغ قيمة الأصول تحت إدارتها حوالي تريليون دولار.

ويعني هذا أن شركة ويستنجهاوس سوف تكون الآن قادرة على الوصول إلى مجموعة كبيرة للغاية من رأس المال، وهو الأمر الذي يشكل في كثير من الأحيان مشكلة بالنسبة لبناة المفاعلات النووية، حيث تتطلب المشاريع الجديدة سنوات من الاستثمار قبل تحقيق الإيرادات.

في حين أن الأمر يستغرق وقتًا أطول لتحويله إلى إيرادات، بمجرد البدء في البناء، فإن المفاعل الجديد يولد إيرادات لشركة ويستنجهاوس من 6^th سنة بعد دراسات التصميم والهندسة، وسوف تستمر في القيام بذلك طوال مشروع البناء لمدة تزيد عن 10 سنوات.

المصدر كاميكو

إن الحصان الرئيسي لشركة ويستنجهاوس هو تصميم المفاعل AP1000 المجرب والمختبر (6 في التشغيل و6 في البناء)، باستخدام معيار CANDU الخاص بالشركة، واحدة من أكثر الأمراض شيوعاً في العالم.

كما أنها تعمل على مفاعل AP300 الصغير النموذجي، والتي من المرجح أن يتم نشرها في سلوفاكيا, فنلنداو السويد، و  المفاعل الصغير e-Vinci، مما يوضح الابتكارات المستمرة للشركة وكيفية مواكبة أحدث اتجاهات الصناعة.

المصدر وستنجهاوس

تلعب شركة ويستنجهاوس دورًا أساسيًا في جزء كبير من سلسلة توريد المواد النووية. وبسبب اللوائح الصارمة، ستكون مثل هذه الأجزاء والمعدات مطلوبة لأي محطة طاقة جديدة، سواء كانت تقليدية أو مفاعلات نووية صغيرة.

وبشكل عام، حتى لو تم حل مشكلة العرض حول اليورانيوم وانهارت أسعار اليورانيوم، فإن ملكية شركة وستنجهاوس من شأنها أن تسمح لشركة كاميكو بالاستفادة من النهضة النووية الجارية لعدة عقود على الأقل.

أما باقي شركة كاميكو، فهي شركة تعدين يورانيوم، ومن المرجح أن تستفيد أيضًا من النهضة المستمرة للطاقة النووية. وتقع أصولها التعدينية الرئيسية في كندا وكازاخستان.

تاريخيا، عانت شركات اليورانيوم والمفاعلات النووية من الخوف من الكارثة النووية والقلق بشأن النفايات النووية.

مع تطور التصاميم الأحدث والأكثر أمانًا، ومع تحول النفايات النووية إلى مورد ثمين بدلًا من أن تكون مشكلة، لا ينبغي أن يكون هذا الأمر مشكلة. ويشمل ذلك إنتاج الكربون-14 للخلايا البيتافولتية، والذي قد يصبح إنتاجًا إضافيًا لمحطات الطاقة التابعة لشركة ويستنغهاوس.

وعلاوة على ذلك، فإن الدفع نحو المزيد من مصادر الطاقة منخفضة الكربون، في حين لم تتمكن مصادر الطاقة المتجددة بعد من حل مشكلة الإنتاج المتقطع بشكل كامل، وخاصة في فصل الشتاء، من شأنه أن يساعد الطاقة النووية على العودة بقوة.

(إذا كنت مهتمًا أكثر بإمكانية الطلب على العناصر المستخدمة في هذه الدراسة، يمكنك أيضًا استشارة تقريرنا عن الاستثمار في التيتانيوم)

آخر يوم شركة كاميكو-وستنجهاوس للكهرباء