Energie
Revolutionäre Batterie wandelt nuklearen Abfall in langlebige Energie um
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Viele Wege, Atome zu spalten
Kernenergie wird oft mit riesigen Kraftwerken, gigantischen Kühltürmen und der Angst vor einem nuklearen Schmelzpunkt in Verbindung gebracht. Das ändert sich allmählich dank des Aufkommens von SMRs (Small Modular Reactors) und 4. Generation von Kernkraftwerken (Folgen Sie den Links für detaillierte Investitionsberichte zu beiden).
Sowohl konventionelle als auch neuere Kernkraftwerke beruhen auf demselben Konzept, nukleare Energie zu nutzen, um Wasser zu Dampf zu erwärmen und den Dampf zur Stromerzeugung über Turbinen zu verwenden.
Eine weitere Möglichkeit, die Wärme von Kernreaktionen zu nutzen, ist über radioisotopen‑thermoelektrische Generatoren (RTG), die üblicherweise mit Plutonium betrieben werden und für Missionen im tiefen Weltraum eingesetzt werden.
Es gibt jedoch noch andere Wege, Kernenergie zu nutzen. Einer davon sind Betavoltaik‑Batterien, die Betastrahlung verwenden, um direkt einen Strom zu erzeugen, indem sie Elektronen aus Atomkernen in einem Halbleiterabsorber trennen.
Nun wurde von Forschern der Ohio State University und der University of Toledo (USA) ein neues Konzept zur Stromerzeugung aus Kernreaktionen entwickelt. Es wandelt die Strahlung in Licht um, das dann von einer Solarzelle in Strom umgewandelt wird – ein Prozess, der als Radiovoltaik bezeichnet wird.
Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse1 in *Optical Materials* unter dem Titel “Scintillator based nuclear photovoltaic batteries for power generation at microwatts level”.
Ausnutzung von Kernenergie
Wenn radioaktive Atome gespalten werden, geschehen gleichzeitig mehrere Dinge. Die ursprünglichen Atome spalten sich und emittieren einige ihrer Bestandteile in Form von Neutronen und/oder Alpha‑ & Beta‑Teilchen, wobei die genaue Reaktion vom verwendeten radioaktiven Element abhängt.
Quelle: Britannica
Dies kann unter den richtigen Bedingungen genutzt werden, um eine Kettenreaktion zu erzeugen, die die Leistungsabgabe von Uran in Kernkraftwerken stark erhöht.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass einige Isotope bestimmter Elemente im Laufe der Zeit spontan zerfallen. Wenn die ursprünglichen Uran‑Atome im Kernbrennstoff zerfallen, verwandeln sie sich in neue Elemente und erzeugen ein komplexes Gemisch neuer Elemente, von denen viele stark radioaktiv sind.
Dies bedeutet, dass diese neuen Elemente viel häufiger spontan zerfallen und pro Sekunde viel Energie freisetzen.
Recycling von nuklearem Abfall
Die in Kernreaktoren entstehenden neuen Elemente werden gemeinhin als nuklearer Abfall bezeichnet, da sie in herkömmlichen Reaktoren nicht mehr zur Stromerzeugung genutzt werden können. Ihre höhere spontane Radioaktivität stellt ebenfalls ein Problem dar, weil sie über Jahrhunderte oder Jahrtausende hinweg sehr giftig bleiben.
Eine Möglichkeit, das Problem zu adressieren, besteht darin, den nuklearen Abfall zu vitrifizieren (in Glas zu verwandeln) und zu vergraben, in der Hoffnung, dass dies ausreicht, um ihn in den nächsten 10 000 Jahren nicht zu schädigen.
Eine weitere Option ist die Wiederverwendung eines Teils dieses Abfalls in speziellen Reaktoren, den sogenannten Schnellreaktoren, Brut‑ oder Brennreaktoren.
Solche Reaktoren wurden in Frankreich in den 1970er‑ bis 1990er‑Jahren betrieben. Moderne Versionen von Schnellbrutreaktoren umfassen beispielsweise das entworfene, aber nicht gebaute PRISM von GE‑Hitachi.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die natürliche Hochenergie‑Produktion dieser Elemente zu nutzen und sie in Strom umzuwandeln, ohne spezielle Reaktoren zu benötigen.
Umwandlung von Strahlung in Licht & Strom
Den richtigen Szintillator finden
Gammastrahlung, die von stark radioaktiven Elementen ausgestrahlt wird, lässt sich nur schwer direkt in Elektrizität umwandeln, weil sie so stark ist, dass sie das Halbleitermaterial, das zur Stromerzeugung verwendet werden könnte, beschädigt.
Daher waren die Erträge seit den 1950er‑Jahren extrem niedrig, zwischen 0,4 % und 4,5 %, und es gab zusätzliche Probleme mit der Haltbarkeit des Systems.
Quelle: Optical Material
Was die Forscher aus Ohio änderten, war die Verwendung eines Szintillators, der Licht emittiert, wenn er Strahlung ausgesetzt wird. Dafür war viel Aufwand nötig, das richtige Szintillator‑Material zu finden, das alle Anforderungen erfüllt:
- Starker Absorber von Strahlung, sowohl zur Ertragssteigerung als auch zum Schutz der Solarzelle.
- Das emittierte Licht muss die richtige Wellenlänge besitzen, die zur Absorption der Solarzelle passt.
- Beständigkeit gegen Beschädigung über die Zeit, damit die Lichtproduktion konstant bleibt.
- Genug Dicke, um Strahlung zu absorbieren, aber gleichzeitig dünn und transparent genug, um nicht zu viel des ausgesandten Lichts zu absorbieren.
Ihre Wahl fiel letztlich auf Cer‑dotiertes Gadolinium‑Aluminium‑Gallium‑Garnet mit hoher Lichtausbeute (GAGG:Ce‑HL – Gd3Al2Ga3O12).
Quelle: Optical Material
Strom aus Strahlung erzeugen
Die gewählte Solarzelle war eine Dünnschicht‑Polykristalline CdTe‑Zelle mit Gold‑ und Indium‑Kontakten. Der Hauptgrund für diese Wahl war ihre hohe Strahlungsbeständigkeit im Vergleich zu Silizium‑Solarzellen, bis zu 3 MGy (Megagray).
Quelle: Optical Material
Um das Konzept zu testen, nutzten die Forscher Bestrahlungen von Cäsium‑137 und Kobalt‑60, erzeugt durch Labor‑Bestrahlungsgeräte.
Quelle: Optical Material
Eine überraschende Erkenntnis des Experiments war, dass Form und Größe des Kristalls, der als Szintillator dient, die Effizienz des Prozesses stark beeinflussen können.
Insgesamt ist ein größeres Volumen vorteilhaft, weil es mehr Strahlung einfängt und mehr Energie in Licht umwandelt.
Quelle: Optical Material
Die erzeugte Leistung lag bei bis zu 1,5 µW bei einer Strahlendosis von 10 kRad/h (mit Kobalt), obwohl der Prototyp nur ein Volumen von 4 cm³ hatte.
„Das sind Durchbruch‑Ergebnisse hinsichtlich der Leistungsabgabe. Dieser zweistufige Prozess befindet sich noch in den frühen Phasen, aber der nächste Schritt besteht darin, mit skalierbaren Konstruktionen höhere Wattzahlen zu erzeugen.“
Anwendungen
Batterien dieser Art könnten theoretisch unbegrenzt laufen, ohne Wartung oder Eingriffe. In der Praxis würde ihre Lebensdauer vermutlich an die der Solarzelle gekoppelt sein, während der Rest des Systems wahrscheinlich noch viele Jahrzehnte ohne Intervention funktionieren könnte.
Da es sich noch um ein experimentelles System handelt und aktive Isotope nicht in großen Mengen produziert werden, ist es unwahrscheinlich, dass es bald unsere Smartphones antreibt.
Es könnte jedoch verwendet werden, um Stromquellen für Sensoren und Geräte in Umgebungen zu schaffen, in denen ein Minimum an menschlichem Eingreifen wünschenswert oder sogar unmöglich ist – zum Beispiel in Einrichtungen im tiefen Weltraum, unter dem Meer oder in Kernreaktoren.
Wahrscheinlich wird es mindestens weitere fünf Jahre dauern, bis eine reale Anwendung möglich ist, und einige Jahre mehr, bis die Technologie breiter eingesetzt werden kann.
„Die Skalierung dieser Technologie wäre kostspielig, sofern diese Batterien nicht zuverlässig hergestellt werden können. Weitere Forschung ist nötig, um den Nutzen und die Grenzen der Batterien zu beurteilen, einschließlich ihrer potenziellen Lebensdauer nach sicherer Implementierung.“
Es würde zudem die Wahrnehmung von nuklearen „Abfällen“ radikal verändern. Aus einem unglücklichen Nebenprodukt von Kernreaktoren könnten sie zu einer sehr wertvollen Energiequelle für fortschrittliche Sensoren und Elektronik in kritischen Anwendungen werden.
Und natürlich würde das Recycling von nuklearem Abfall zu Energiequellen das Grundproblem der Abfallentsorgung lösen.
„Das Konzept der Kernbatterie ist sehr vielversprechend. Es gibt noch viel Raum für Verbesserungen, aber ich glaube, dass dieser Ansatz in Zukunft einen wichtigen Platz sowohl in der Energieerzeugung als auch in der Sensorbranche einnehmen wird.“
Nukleares Unternehmen
Cameco – Westinghouse Electric Company
CCJ Preisdiagramm
Im Jahr 2022 entschied sich Cameco, 49 % der Kontrolle an Westinghouse zu übernehmen, dem führenden Bauunternehmen für Kernkraftwerke in den USA, zusammen mit dem Investment‑Giganten Brookfield (51 % Kontrolle).
Das Unternehmen verfügt über eine massive Sparte für erneuerbare/CO₂‑arme Stromerzeugung in Form von $19 Mrd. Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ). Brookfield Corporation (BN ) insgesamt ist ein riesiges Asset‑Management‑Unternehmen mit fast einer Billion Dollar verwaltetem Vermögen.
Das bedeutet, dass Westinghouse nun Zugang zu einem sehr tiefen Kapitalpool hat – ein häufiges Problem für Kernreaktor‑Bauer, da neue Projekte Jahre der Investition benötigen, bevor Einnahmen fließen.
Obwohl die Einnahmen länger brauchen, um zu materialisieren, generiert ein neuer Reaktor, sobald er im Bau ist, Einnahmen für Westinghouse ab dem 6. Jahr nach Design‑ und Ingenieurstudien und wird dies für die gesamte Bauphase über mehr als 10 Jahre hinweg tun.
Quelle: Cameco
Westinghouses Arbeitspferd ist das bewährte AP1000‑Reaktordesign (6 in Betrieb und 6 im Bau), das die CANDU‑Standard‑Technologie des Unternehmens nutzt, eine der weltweit am häufigsten eingesetzten.
Es arbeitet zudem am AP300‑Kleinmodul‑Reaktor, der voraussichtlich in Slowakei, Finnland und Schweden eingesetzt wird, sowie am Microreaktor e‑Vinci, was die kontinuierlichen Innovationen des Unternehmens und seine Anpassung an die neuesten Branchentrends verdeutlicht.
Quelle: Westinghouse
Westinghouse spielt eine zentrale Rolle in einem großen Teil der nuklearen Lieferkette. Aufgrund strenger Vorschriften werden solche Bauteile und Ausrüstungen für jedes neue Kraftwerk, ob traditionell oder SMR, benötigt.
Insgesamt, selbst wenn das Versorgungsproblem rund um Uran gelöst und die Uranpreise einbrechen, sollte das Eigentum an Westinghouse es Cameco ermöglichen, vom anhaltenden nuklearen Aufschwung mindestens mehrere Jahrzehnte zu profitieren.
Der übrige Teil von Cameco ist ein Uranbergbauunternehmen, das ebenfalls vom fortlaufenden Aufschwung der Kernenergie profitieren dürfte. Die wichtigsten Bergbausätze befinden sich in Kanada und Kasachstan.
Historisch litten Uran‑ und Kernreaktor‑Unternehmen unter der Angst vor nuklearen Katastrophen und Bedenken hinsichtlich nuklearer Abfälle. Da neuere und sicherere Designs reifen und nukleare Abfälle zu einer wertvollen Ressource statt zu einem Problem werden, sollte dies kein Hindernis mehr darstellen.
Zusätzlich sollte die Förderung von kohlenstoffarmen Energiequellen, während erneuerbare Energien das Problem der intermittierenden Produktion – besonders im Winter – noch nicht vollständig lösen, dazu beitragen, dass die Kernenergie ein starkes Comeback erlebt.
Neueste Nachrichten zu Cameco
Studienreferenz:
1. Ibrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao. (2025). Optical Material. Band 25, Februar 2025, 100401 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010
