Sikker, kompakt kernebatteri kan revolutionere energilagring

Kernekraft i alt?

Da kerneproduktion blev en praktisk teknologi, gav det håb om, at den energi, der hidtil kun var blevet brugt til at skabe verdensødelæggende bomber, også kunne redde den samme civilisation fra ressourceudtømning.

Som klimaforandring er en voksende bekymring, er kernekraft igang med en renæssance, da det er en tilgængelig, skalerbar og lav-kulstof energikilde, der kunne brokke gapet, indtil fornybare energikilder og batterier er klar til at erstatte fossile brændstoffer. Og nye kernekraftværksdesigner er på vej, der kan gøre det billigere, sikrere og mere fleksibelt, som vi forklarede i “Opdatering på SMR’er (Small Modular Reactor) – Stadig fremtiden for kernekraft” og “4. generation af kernekraft: Billigere, renere, sikrere”.

Men disse store kraftværker er ikke, hvordan science-fiction-forfattere initialt forestillede sig kernekraft. Førende tænkere som Isaac Asimov var meget mere ambitiøse og forestillede sig miniaturiserede kerneproducenter, der kunne være små nok til at være i tog, biler og endda mindre enheder, hvilket gjorde det overflødigt at genopladde eller genbrændstof.

Et skridt i denne retning er ved at tage med præsentationen af kernebatterier, der er små nok til at drive små elektroniske enheder. Og det ville gøre det sikkert.

Dette forskningsarbejde blev præsenteret på forårets møde i American Chemical Society (ACS) af Su-Il In, en professor ved Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (Sydkorea), under titlen “Næste generations batteri: Højeffektiv og stabil C14-dye-sensibiliseret betavoltaisk celle”.

Kilde: Asia Research News

Batteribegrænsning

De fleste elektroniske enheder i dag er begrænsede i deres kapacitet af deres batteri, som normalt bruger lithium-ion-teknologi. Dette gælder for smartphones, droner, sensorer osv.

Derudover er udvinding af lithium en miljøødelæggende proces, og lithium kan blive en forurening i fremtiden.

Så videnskabsfolk har længe overvejet alternativet med at bruge radioaktivt henfald, en proces der tager hundredvis eller endda titusinder af år, som et bedre alternativ, der ikke kræver genoplading af enheder overhovedet.

Men, da sådanne enheder ville være radioaktive, skulle de strengeste sikkerhedsstandarder opfyldes.

Beta-radioaktivitet

Der er mange forskellige former for radioaktivitet. Af disse er gamma-henfald den farligste, da det udsender meget kraftige gamma-stråler, der kan forårsage kræft og andre skader.

Kilde: Compound Chem

Alpha- og beta-henfald er meget mindre farlige, og de radioaktive emissioner kan stoppes med et tyndt lag af aluminium eller endda bare papir.

Kilde: Western Oregon University

Valg af isotop

Hvilken radioaktivitet, der forekommer, afhænger af det radioaktive element og dets isotoper, så nogle strømkilder er meget sikrere end andre. Af denne grund ville materialer som uran ikke være en god match for små kernebatterier.

Men carbon-14, en naturligt forekommende isotop af carbon, der ofte bruges til at fastlægge alderen, ville være en god match.

En ekstra fordel er, at carbon-14 allerede produceres af den eksisterende flåde af kernekraftværker, hvilket gør det billigt, let tilgængeligt og let at genbruge. Endelig,

“Jeg besluttede at bruge en radioaktiv isotop af carbon, fordi det kun genererer beta-stråler. Og fordi radiocarbon henfalder meget langsomt, kunne en radiocarbon-drevet batteri teoretisk set vare i årtusinder.”

Pr. Su-Il In – Professor ved Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology

Betavoltaisk teknologi

At udnytte beta-henfald til strømgenerering er ikke et helt nyt koncept og er kendt som betavoltaisk, hvor en beta-partikel erstatter fotoner, der bruges i klassisk fotovoltaik.

I betavoltaik erstatter en elektron en foton, der rammer en halvleder, hvilket resulterer i produktion af elektricitet.

Denne halvledermateriale er den vigtigste del, da dens effektivitet vil bestemme den samlede energiomdannelseseffektivitetsrate. Indtil nu har betavoltaiske halvledere været meget lav-effektive eller for skrøbelige til at vare så længe som kernefuel.

Titaniumdioxid-halvleder

Prof. In og hans team brugte et materiale, der normalt bruges i solceller, titaniumdioxid, og tilføjede en ruthenium-baseret farve. For at gøre bindingen mellem farven og halvlederen solid nok, brugte de en citronsyrebehandling.

Rutheniumfarven, når den rammes af en beta-partikel (en kraftfuld elektron), skaber en kaskade af elektronoverføringsreaktioner, kaldet en elektron-avalanche. Titaniumdioxiden indsamler herefter de genererede elektroner og omdanner dem til brugbar elektricitet.

Behandling af både elektroder

Forskerne opdagede, at man kunne radikalt forbedre effektiviteten af processen ved at placere rutheniumfarven på både katoden og anoden i kernebatteriet.

I sammenligning med en tidligere design med radiocarbon på kun katoden, førte dette til en meget højere energiomdannelseseffektivitet, der gik fra 0,48% til 2,86%.

Anvendelser

Fordi dette system sandsynligvis vil være dyrere end et almindeligt batteri, vil det først finde sin anvendelse, hvor det ikke er muligt at erstatte eller genoplade strømkilden.

For eksempel kunne pacemakere og andre medicinske implantater være drevet af sådanne beta-voltaiske batterier i løbet af en livstid.

Sensorer i følsomme eller fjendtlige miljøer, som kernereaktorer, fabrikker, dybhavet eller dyb rum, kunne også have stor gavn af dette koncept.

Yderligere forbedring

Denne teknologi og den imponerende stigning i effektivitet slutter sig til andre forskningsprojekter, der søger at udnytte radioaktivt henfald til energiproduktion uden en kernereaktor. For eksempel vi diskuterede nylig idéen om at bruge kernefald til at producere en anden type kernebatteri.

Prof. In foreslår, at yderligere bestræbelser på at optimere formen på beta-strålekilden og udvikle mere effektive beta-stråleabsorberere kunne forbedre batteriets ydelse og øge strømproduktionen.

Samlet set er denne teknologi sandsynligvis ved at forbedre sig, efterhånden som vores forståelse af halvledere og sjældne metaller skrider frem.

Investering i kernekraft

Cameco – Westinghouse Electric Company

I 2022 besluttede Cameco at købe 49% kontrol i Westinghouse, den førende bygger af kernekraftværker i USA, sammen med en stor investeringsfirma, Brookfield (51% kontrol).

Selskabet har en stor afdeling for vedvarende/lav-kulstof energiproduktion i form af $19B Brookfield Renewable Partners (BEP ). Brookfield Corporation som helhed er et stort selskab med næsten en billion dollars under administration.

Dette betyder, at Westinghouse nu vil kunne få adgang til en meget dyb kapitalpøl, noget som ofte er et problem for kernereaktorbyggere, da nye projekter kræver års investering før de genererer indtægter.

Selv om det tager længere tid at realisere indtægter, vil en ny reaktor generere indtægter for Westinghouse fra 6. år efter design- og ingeniørstudier og vil fortsætte med at gøre det i mere end 10 år.

Kilde: Cameco

Westinghouses arbejdshest er den afprøvede AP1000-reaktordesign (6 i drift og 6 under konstruktion), der bruger selskabets CANDU-standard, en af de mest almindelige i verden.

Det arbejder også på AP300 small modular reaktor, der sandsynligvis vil blive udviklet i Slovakiet, Finland og Sverige, og microreaktoren e-Vinci, hvilket illustrerer selskabets kontinuerlige innovationer og hvordan det holder trit med branchens seneste trends.

Kilde: Westinghouse

Westinghouse er instrumental i en stor del af kernestrømkæden. På grund af stramme reguleringer vil sådanne dele og udstyr være nødvendige for ethvert nyt kraftværk, traditionelt eller SMR.

Samlet set vil ejerskab af Westinghouse sandsynligvis give Cameco mulighed for at drage fordel af den igangværende kernereæssance i flere årtier.

Resten af Cameco-selskabet er en uranminer, der sandsynligvis også vil have gavn af den igangværende kernereæssance. Dets vigtigste mineaktiver er i Canada og Kasakhstan.

Historisk set har uran- og kernereaktorselskaber lidt under frygten for kernenedslag og bekymringer om kernefald.

Da nye og sikrere design modnes, og da kernefald bliver en værdifuld ressource i stedet for et problem, burde dette ikke længere være et problem. Dette inkluderer carbon-14-produktion til betavoltaik, der kunne blive en yderligere produktion af Westinghouses kraftværker.

Derudover burde skubben for mere lav-kulstof energi, mens fornybare energikilder stadig ikke fuldt ud kan løse problemet med intermittent produktion, især om vinteren, hjælpe kernekraft med at gøre et kraftfuldt comeback.

(Hvis du er mere interesseret i potentialet for efterspørgslen på de grundstoffer, der bruges i denne undersøgelse, kan du også se vores rapport om investering i titanium)

Seneste nyt om Cameco-Westinghouse Electric Company