Energi

Revolutionært Batteri Omformer Nukleært Affald til Langtidsholdbar Strøm

mm
Udgivet den
Opdateret den
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
Oplysning: Securities.io kan modtage betaling, når du bruger links til produkter, vi anmelder. Det påvirker ikke vores redaktionelle vurderinger. Vi er ikke registreret investeringsrådgiver; dette er ikke investeringsrådgivning. Læs vores affiliateoplysning.

Flere måder at udnytte atomenergi på

Atomkraft forbindes ofte med store kraftværker, køletårne og risikoen for alvorlige ulykker. Sektoren udvikler dog nye design, herunder små modulære reaktorer (SMR’er) og fjerde generation af atomkraftværker (følg linkene for detaljerede investeringsrapporter om begge).

De fleste nuværende og foreslåede fissionskraftværker bruger reaktionsvarmen til at danne damp og drive en turbine, men brændsel, kølemiddel og reaktordesign varierer betydeligt.

En anden anvendelse af radioaktivt henfald er radioisotop-termoelektriske generatorer (RTG’er), som omdanner varme til elektricitet og typisk med plutonium-238 er blevet brugt på missioner i det ydre rum.

Stråling kan også udnyttes på andre måder. Betavoltaiske batterier omdanner energien fra betapartikler til strøm i en halvlederovergang; processen er ikke blot en adskillelse af elektroner fra atomkerner.

Forskere ved Ohio State University og University of Toledo har testet et radiovoltaisk koncept i to trin: En scintillator absorberer stråling og udsender lys, som en solcelle derefter omdanner til elektricitet. Det er et lille laboratorieforsøg, der ikke blev drevet direkte af brugt atombrændsel.

Holdet offentliggjorde resultaterne1 i Optical Materials under titlen “Scintillatorbaserede nukleare fotovoltaiske batterier til strømproduktion på mikrowattniveau”.

Fission og radioaktivt henfald

Fission og radioaktivt henfald er forskellige processer. Ved fission spaltes en tung kerne som uran-235 og frigiver energi, neutroner og fissionsprodukter. Andre isotoper henfalder spontant og udsender alfa- eller betapartikler eller gammastråler afhængigt af isotopen og henfaldskæden.

Kilde: Britannica

Under de rette forhold kan neutronerne fra fission opretholde en kontrolleret kædereaktion i reaktoren, så fissionsenergien først bliver til varme og derefter elektricitet.

Under brug af atombrændsel dannes fissionsprodukter og tungere grundstoffer, mens der også er ufissioneret materiale tilbage. Brugt brændsel er derfor en kompleks blanding med forskellig radioaktivitet, restvarme og halveringstid.

Nogle isotoper afgiver i begyndelsen meget varme og stråling; andre dominerer affaldshåndteringen over langt længere tidsrum.

Håndtering af brugt brændsel og radioaktivt affald

Ikke alt materiale fra en reaktor er værdiløst, og radioaktivt affald består ikke kun af “nye grundstoffer”. Nogle brændselskredsløb genbehandler uran og plutonium, men det øger omkostninger og krav til sikkerhed og ikke-spredning; fissionsprodukter og andet affald skal stadig isoleres sikkert.

En mulighed er at indkapsle højaktivt affald i glas, opbevare det i konstruerede beholdere og anlæg og senere placere det i dybe geologiske depoter. Sikkerheden afhænger af flere tekniske og geologiske barrierer, overvågning og regulering, ikke blot nedgravning og håb.

Nogle brændselskredsløb kan bruge hurtige reaktorer, avls- eller brænderreaktorer til at udnytte fissilt materiale og transmutere visse aktinider. Det fjerner hverken alt affald eller behovet for opbevaring og slutdeponering.

Frankrig har tidligere drevet eksperimentelle og kommercielle hurtige reaktorer. Et moderne foreslået, men endnu ikke bygget design er GE Hitachis natriumkølede hurtigreaktor PRISM.

En anden tilgang omdanner en del af energien fra bestemte radioisotoper til elektricitet uden en kædereaktion. Den undersøgte radiovoltaiske prototype tilhører denne kategori.

Fra stråling til lys og elektricitet

Valg af den rette scintillator

Gammastråler med høj energi er vanskelige at omdanne direkte til elektricitet med god virkningsgrad, og den akkumulerede dosis kan skade halvledere. Resultatet afhænger af energi, dosis, enhedsarkitektur samt afskærmnings- og konverteringsmaterialer.

Radiovoltaisk konvertering er blevet undersøgt i årtier, men prototyper har ofte haft lav virkningsgrad og materialenedbrydning. Procenter fra forskellige systemer er ikke ét fælles mål, der kan overføres direkte til denne enhed.

Ohio-holdet brugte en scintillator, som udsender lys ved bestråling, og ledte lyset til en fotovoltaisk celle. Materialevalget skulle afbalancere flere egenskaber:

  • God strålingsabsorption for at opfange mere energi og reducere solcellens bestråling.
  • Et emissionsspektrum, der så vidt muligt matcher solcellens respons.
  • Modstandsdygtighed over for strålingsskader og stabil lysudsendelse.
  • En geometri og tykkelse, der opfanger stråling uden at genabsorbere for meget lys.

Valget blev en ceriumdoteret gadolinium-aluminium-gallium-granat med højt lysudbytte (GAGG:Ce-HL; Gd3Al2Ga3O12).

Test af elproduktionen

Forskerne brugte en polykrystallinsk tyndfilmssolcelle af cadmiumtellurid (CdTe) med guld- og indiumkontakter. Den blev valgt for større strålingstolerance end mange siliciumceller, med referencer på op til 3 megaray (MGy) under bestemte forhold.

Konceptet blev testet med cesium-137- og kobolt-60-kilder i laboratoriebestrålere. Det var kontrollerede prøvekilder, ikke en virkelig prøve af reaktoraffald.

Forsøget viste, at scintillatorkrystallens form og størrelse påvirker både den opfangede stråling og lysoverførslen til cellen og dermed udgangseffekten.

Et større volumen opfangede mere stråling i den testede geometri, men større størrelse alene garanterer ikke højere virkningsgrad; optiske tab og koblingen mellem scintillator og celle er også vigtige.

Den højeste rapporterede effekt var cirka 1,5 mikrowatt ved en høj dosishastighed på 10 kilorad i timen med kobolt-60; prototypen havde et volumen på omtrent 4 kubikcentimeter. Det er et proof of concept med meget lav effekt, ikke et batteri til forbrugerelektronik.

“Det er gennembrudsresultater med hensyn til udgangseffekt. Processen i to trin er stadig på et tidligt stadie, men næste skridt er at skabe flere watt med konstruktioner i større skala.”

Ibrahim Oksuz – forskningsassistent i maskin- og rumfartsingeniør ved Ohio State.

Anvendelser og begrænsninger

En langlivet radioaktiv kilde kan muliggøre lang drift, men enheden vil ikke fungere “for evigt”. Levetiden afhænger af isotopens halveringstid, nedbrydning af scintillator og celle, elektronik, indkapsling og miljø. Studiet påviste ikke årtiers levetid for hele systemet.

Da prototypen er eksperimentel og leverer mikrowatt, er den langt fra at kunne drive smartphones. Isotoper kræver desuden afskærmning, licenser, forsyningskæde og sikker håndtering efter endt brug.

Teknologien kan måske senere drive lavenergisensorer på svært tilgængelige steder som nukleare anlæg eller undersøiske og rumrelaterede miljøer. Levedygtigheden afhænger af vægt, afskærmning, pålidelighed og pris sammenlignet med betavoltaiske batterier og RTG’er.

Studiet gav ingen pålidelig tidsplan for kommerciel brug. Først skal effekten øges, virkningsgrad, levetid og strålingsskader måles, reproducerbar produktion udvikles og sikkerheds- og myndighedskrav opfyldes.

“Det vil være dyrt at opskalere teknologien, medmindre batterierne kan fremstilles pålideligt. Mere forskning er nødvendig for at vurdere nytte og begrænsninger, herunder hvor længe de kan holde efter sikker implementering.”

Ibrahim Oksuz – forskningsassistent i maskin- og rumfartsingeniør ved Ohio State.

Hvis teknologien viser sig levedygtig, kan egnede isotoper blive strømkilder til sensorer og specialiseret elektronik. Små enheder vil dog kun bruge en meget lille del af beholdningen af brugt brændsel og højaktivt affald.

Radiovoltaiske batterier løser derfor ikke problemet med atomaffald alene. De kan kræve separering, fremstilling, afskærmning og transport og vil til sidst efterlade en radioaktiv kilde, der fortsat skal håndteres sikkert.

“Konceptet med et atombatteri er meget lovende. Der er stadig god plads til forbedringer, men jeg tror, at tilgangen med tiden vil få en vigtig rolle i både energiproduktion og sensorindustrien.”

Ibrahim Oksuz – forskningsassistent i maskin- og rumfartsingeniør ved Ohio State.

En virksomhed med tilknytning til atomsektoren

Cameco og Westinghouse Electric Company

CCJ Prisdiagram

Cameco og Brookfield annoncerede i 2022 købet af Westinghouse. Handlen blev senere afsluttet med 49% til Cameco og 51% til det Brookfield-ledede konsortium. Investeringen giver Cameco eksponering mod brændsel, tjenester og reaktordesign, men også udførelses-, finansierings- og lange projektcyklusrisici.

Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ) forvalter vedvarende energi- og omstillingsaktiver, mens Brookfield Corporation (BN ) er en global kapitalforvalter. Tallene ændrer sig, og koncernens størrelse garanterer ikke finansiering af hvert atomprojekt.

Det fælles ejerskab kan udvide Westinghouses adgang til kapital og partnere, men atomprojekter kræver års udvikling, godkendelse og byggeri. De kan blive forsinket, dyrere end planlagt eller aflyst, før de giver den forventede omsætning.

Westinghouse får indtægter fra teknik, komponenter, brændsel og service på forskellige trin; der findes ikke et fast sjette år, hvor alle reaktorer begynder at give omsætning. Tidspunkt og varighed afhænger af kontrakt, design, land og projektstatus.

 

Kilde: Cameco

AP1000, en trykvandsreaktor, er Westinghouses vigtigste store design og har enheder i drift og under byggeri. Den bruger ikke en “CANDU-standard”: CANDU er et andet tungtvandsdesign, selv om Westinghouse tilbyder produkter og tjenester til CANDU-operatører.

Westinghouse udvikler også den lille modulære reaktor AP300 og har indgået aftaler eller undersøgelser om AP1000 og AP300 i Slovakiet, Finland og Sverige. Det garanterer ikke opførelse. Selskabet arbejder også på mikroreaktoren eVinci, som fortsat er under udvikling og godkendelse.

Kilde: Westinghouse

Westinghouse leverer brændsel, komponenter, tjenester og teknik til en stor del af den nukleare forsyningskæde. Regulatorisk erfaring og certificeringsbarrierer kan være fordele, men sikrer ikke alle nye projekter.

Ejerskabet af Westinghouse kan sprede Camecos eksponering ud over uranprisen. Afkastet afhænger dog af reel efterspørgsel, marginer, udførelse, finansiering og regler; man kan ikke forudsætte årtiers gevinst uanset marked og projekter.

Uranudvinding og -forarbejdning er fortsat centrale Cameco-aktiviteter, med vigtige aktiver i Canada og deltagelse i Kasakhstan. Større efterspørgsel kan hjælpe, men pris-, drifts-, politiske og forsyningsrisici består.

Uran- og reaktorselskaber er historisk blevet påvirket af ulykker, omkostninger, regulering og affaldshåndtering. Nyere design kan forbedre tillid og økonomi, men fjerner ikke risiciene; den radiovoltaiske prototype er langt fra at ændre dette.

Efterspørgsel efter CO2-fattig elektricitet kan støtte atomkraft sammen med vedvarende energi, fleksible net og lagring. Hver investering afhænger dog af omkostninger, tidsplan, elpriser og politik; behovet for stabil energi garanterer ikke samme genopblomstring på alle markeder.

Seneste om Cameco

Studierreferencer:

1. Ibrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao. (2025). Optical Materials. Bind 25, februar 2025, 100401. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010

mm

Jonathan er en tidligere biokemisk forsker, der arbejdede med genetisk analyse og kliniske forsøg. Han er nu aktieanalytiker og finansskribent med fokus på innovation, markedscyklusser og geopolitik i sin publikation 'The Eurasian Century'.