Sikker, kompakt nukleart batteri kan revolutionere energilagring

Kerneenergi i alt?

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

Som klimaforandringerne er en voksende bekymring, kernekraft gennemgår en renæssance, da den er en tilgængelig, skalerbar og lav‑kulstof energikilde, der kan bygge bro, indtil vedvarende energikilder og batterier er klar til at erstatte fossile brændstoffer. Og nye kernekraftværksdesigns er på vej, som kan gøre den billigere, sikrere og mere fleksibel, som vi forklarede i “Update on SMRs (Small Modular Reactor) – Still The Future of Nuclear Power” og “The 4th Generation Of Nuclear Power: Cheaper, Cleaner, Safer”.

Dog er disse store kraftværker ikke, hvordan science‑fiction‑forfattere oprindeligt forestillede sig kernekraft. Fremtrædende tænkere som Isaac Asimov var meget mere ambitiøse og forestillede sig miniaturiserede kernekraftgeneratorer, der kunne passe ind i tog, biler og endda mindre enheder, så idéen om at genoplade eller genbrænde dem i praksis blev overflødig.

Et skridt i den retning tages med præsentationen af nukleare batterier, der er små nok til at drive små elektroniske enheder. Og de vil gøre det sikkert.

Denne forskningsarbejde blev præsenteret på forårs‑mødet for American Chemical Society (ACS) af Su‑Il In, professor ved Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (Sydkorea), under titlen “Next generation battery: Highly efficient and stable C14 dye‑sensitized betavoltaic cell”.

Kilde: Asia Research News

Batteribegrænsning

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

Derudover er minedrift efter lithium en miljømæssigt destruktiv proces, og lithium kan i fremtiden blive et forureningsstof.

Derfor har forskere i lang tid overvejet alternativet med at bruge radioaktivt henfald, en proces der kan tage hundreder eller endda titusinder af år, som et bedre alternativ, der ville kræve ingen genopladning af enhederne overhovedet.

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

Beta‑radioaktivitet

Der findes mange forskellige former for radioaktivitet. Af disse er gammastråling den farligste, da den udsender meget kraftige gammastråler, som kan forårsage kræft og anden skade.

Kilde: Compound Chem

Alfa‑ og beta‑henfald er langt mindre farlige, og de radioaktive emissioner kan stoppes med et tyndt lag aluminium eller endda blot papir.

Kilde: Western Oregon University

Valg af den rigtige isotop

Hvilken radioaktiv aktivitet der forekommer, afhænger af det radioaktive grundstof og dets isotoper, så nogle energikilder er meget sikrere end andre. Af den grund ville materialer som uran ikke være et godt match til små nukleare batterier.

Dog ville carbon‑14, en naturligt forekommende isotop af kulstof, som ofte bruges i dateringsteknikker, være et godt match.

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

“Jeg besluttede at bruge en radioaktiv isotop af kulstof, fordi den kun genererer betastråler. Og fordi radiokulstof nedbrydes meget langsomt, kunne et radiokulstof‑drevet batteri teoretisk holde i årtusinder.”

Pr. Su‑Il In – Professor at Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology

Betavoltisk teknologi

Udnyttelse af beta‑henfald til energiproduktion er ikke et helt nyt koncept og er kendt som betavoltisk, hvor en betapartikel erstatter fotoner, der bruges i klassisk fotovoltaik.

I betavoltisk rammer en elektron i stedet for en foton et halvledermateriale, hvilket resulterer i produktion af elektricitet.

Dette halvledermateriale er den afgørende del, da hvor effektivt det er, vil bestemme den samlede energiomdannelseseffektivitet. Hidtil har betavoltiske halvledere haft meget lav effektivitet eller været for skrøbelige til at holde så længe som kernebrændstof.

Titaniumdioxid‑semikonduktor

Prof. In og hans team brugte et materiale, der almindeligt anvendes i solceller, titaniumdioxid, og tilsatte et ruthenium‑baseret farvestof. For at gøre bindingen mellem farvestoffet og halvlederen tilstrækkeligt solid, anvendte de en citronsyrebehandling.

Ruthenium‑farvestoffet, når det rammes af en betapartikel (en kraftig elektron), skaber en kaskade af elektronoverførselsreaktioner, kaldet en elektron‑avalanche. Titaniumdioxid indsamler derefter de genererede elektroner og omdanner dem til brugbar elektricitet.

Behandling af begge elektroder

Forskerne opdagede, at man radikalt kunne øge effektiviteten af processen ved at påføre ruthenium‑farvestoffet på både katoden og anoden i det nukleare batteri.

Sammenlignet med et tidligere design med kun radiokulstof på katoden, førte dette til en meget højere energiomdannelseseffektivitet, fra 0,48 % til 2,86 %.

Anvendelser

Da dette system sandsynligvis for nu er dyrere end et almindeligt batteri, vil det finde sine første anvendelser, hvor udskiftning eller genopladning af strømkilden er mest nyttig.

For eksempel kunne pacemakere og andre medicinske implantater drives i en livstid med sådanne betavoltiske batterier.

Sensorer i følsomme eller fjendtlige miljøer, som kernekraftværker, fabrikker, dybhavet eller det dybe rum, kunne også drage stor fordel af dette koncept.

Yderligere forbedringer

Denne teknologi og den imponerende stigning i effektivitet slutter sig til anden forskning, der søger at udnytte radioaktivt henfald til energiproduktion uden et kernekraftværk. For eksempel diskuterede vi for nylig idéen om at bruge nukleart affald til at producere en anden type nukleart batteri.

Prof. In foreslår, at yderligere bestræbelser på at optimere formen af beta‑stråle‑emitteren og udvikle mere effektive beta‑stråle‑absorberere kunne forbedre batteriets ydeevne og øge energiproduktionen.

Samlet set er det sandsynligt, at denne teknologi vil fortsætte med at forbedre sig, efterhånden som vores forståelse af halvledere og sjældne metaller skrider frem.

Investering i kernekraft

Cameco – Westinghouse Electric Company

I 2022 tog Cameco beslutningen om at erhverve 49 % kontrol i Westinghouse, den førende byggherre af kernekraftværker i USA, sammen med et gigantisk investeringsfirma, Brookfield (51 % kontrol).

Virksomheden har en massiv fornybar/lav‑kulstof energiproduktionsdivision i form af $19 mia Brookfield Renewable Partners  (BEPC ) (BEP ). Brookfield Corporation (BN ) som helhed er et enormt kapitalforvaltningsselskab med næsten en billion dollars under forvaltning.

Dette betyder, at Westinghouse nu vil kunne få adgang til en meget dyb kapitalpulje, noget der ofte er et problem for byggere af kernekraftreaktorer, da nye projekter kræver år med investering, før de begynder at generere indtægter.

Selvom det tager længere tid at omsætte til indtægter, genererer en ny reaktor for Westinghouse indtægter fra det 6.^te år efter design‑ og ingeniørstudier og vil fortsætte med at gøre det gennem hele byggeprojektet i mere end 10 år.

Kilde: Cameco

Westinghouses arbejdshest er det gennemprøvede AP1000‑reaktordesign (6 i drift og 6 under konstruktion), som bruger virksomhedens CANDU‑standard, en af de mest udbredte i verden.

Det arbejder også på AP300‑småmodulære reaktor, som sandsynligvis vil blive implementeret i Slovakiet, Finland og Sverige, samt mikroreaktor e‑Vinci, hvilket illustrerer virksomhedens kontinuerlige innovationer og hvordan den følger branchens nyeste tendenser.

Kilde: Westinghouse

Westinghouse spiller en central rolle i en stor del af den nukleare forsyningskæde. På grund af strenge reguleringer vil sådanne dele og udstyr være nødvendige for ethvert nyt kraftværk, både traditionelle og SMR‑type.

Samlet set, selv hvis forsyningsproblemet omkring uran løses og uranpriserne falder, bør ejerskabet af Westinghouse give Cameco mulighed for at drage fordel af den igangværende kernekraft‑renæssance i mindst flere årtier.

Resten af Cameco‑koncernen er en uranminer, som sandsynligvis også vil drage fordel af den igangværende renæssance inden for kernekraft. Dens vigtigste minedriftsejendomme er i Canada og Kasakhstan.

Historisk set har uran‑ og kernekraftværksvirksomheder lidt under frygten for en kernekatastrofe og bekymringer omkring nukleart affald.

Efterhånden som nyere og sikrere designs modnes, og da nukleart affald bliver en værdifuld ressource i stedet for et problem, bør dette ikke længere være et problem. Dette inkluderer produktion af carbon‑14 til betavoltiske systemer, som kunne blive en ekstra produktion i Westinghouses kraftværker.

Derudover vil presset for flere lav‑kulstof energikilder, mens vedvarende energikilder stadig skal løse problemet med intermitterende produktion fuldt ud, især om vinteren, hjælpe kernekraft med at gøre et kraftfuldt comeback.

(Hvis du er mere interesseret i potentialet for efterspørgslen efter de elementer, der er brugt i denne undersøgelse, kan du også konsultere vores rapport om investering i titanium)

Seneste om Cameco-Westinghouse Electric Company