Επαναστατική Μπαταρία Μετατρέπει Πυρηνικά Απόβλητα σε Μακράς Διάρκειας Ενέργεια

Διαφορετικοί τρόποι αξιοποίησης της πυρηνικής ενέργειας

Η πυρηνική ενέργεια συνδέεται συχνά με μεγάλους σταθμούς, πύργους ψύξης και τον κίνδυνο σοβαρών ατυχημάτων. Ο κλάδος αναπτύσσει όμως νέα σχέδια, όπως μικρούς αρθρωτούς αντιδραστήρες (SMR) και πυρηνικούς σταθμούς τέταρτης γενιάς (ακολουθήστε τους συνδέσμους για αναλυτικές επενδυτικές εκθέσεις).

Οι περισσότεροι σημερινοί και προτεινόμενοι σταθμοί σχάσης χρησιμοποιούν τη θερμότητα της αντίδρασης για να παράγουν ατμό και να κινήσουν μια ηλεκτρογεννήτρια, αν και διαφέρουν σημαντικά ως προς το καύσιμο, το ψυκτικό και τον σχεδιασμό.

Άλλη αξιοποίηση της ραδιενεργού διάσπασης είναι οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων (RTG), οι οποίες μετατρέπουν θερμότητα σε ηλεκτρισμό και έχουν χρησιμοποιηθεί, συνήθως με πλουτώνιο-238, σε αποστολές στο βαθύ διάστημα.

Η ακτινοβολία μπορεί να αξιοποιηθεί και διαφορετικά. Οι μπαταρίες βηταβολταϊκών μετατρέπουν την ενέργεια σωματιδίων βήτα σε ρεύμα μέσα σε μια επαφή ημιαγωγών· δεν πρόκειται απλώς για διαχωρισμό ηλεκτρονίων από ατομικούς πυρήνες.

Ερευνητές του Ohio State University και του University of Toledo δοκίμασαν μια ραδιοβολταϊκή διάταξη δύο σταδίων: ένας σπινθηριστής απορροφά ακτινοβολία και εκπέμπει φως, το οποίο μια ηλιακή κυψέλη μετατρέπει σε ηλεκτρισμό. Είναι ένα μικρό εργαστηριακό πείραμα και δεν τροφοδοτήθηκε απευθείας με χρησιμοποιημένο πυρηνικό καύσιμο.

Η ομάδα δημοσίευσε τα αποτελέσματα¹ στο Optical Materials με τίτλο «Πυρηνικές φωτοβολταϊκές μπαταρίες με σπινθηριστή για παραγωγή ισχύος σε επίπεδο μικροβάτ».

Σχάση και ραδιενεργός διάσπαση

Η σχάση και η ραδιενεργός διάσπαση είναι διαφορετικές διεργασίες. Στη σχάση ένας βαρύς πυρήνας, όπως το ουράνιο-235, διασπάται και απελευθερώνει ενέργεια, νετρόνια και προϊόντα σχάσης. Άλλα ισότοπα διασπώνται αυθόρμητα και εκπέμπουν σωματίδια άλφα ή βήτα ή ακτίνες γάμμα.

Source: Britannica

Υπό κατάλληλες συνθήκες, τα νετρόνια της σχάσης μπορούν να διατηρούν ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση στον αντιδραστήρα, μετατρέποντας την ενέργεια της σχάσης σε θερμότητα και κατόπιν σε ηλεκτρισμό.

Κατά τη χρήση πυρηνικού καυσίμου σχηματίζονται προϊόντα σχάσης και βαρύτερα στοιχεία, ενώ παραμένει και υλικό που δεν υπέστη σχάση. Το χρησιμοποιημένο καύσιμο είναι σύνθετο μείγμα με διαφορετική ραδιενέργεια, υπολειπόμενη θερμότητα και χρόνους ημιζωής.

Ορισμένα ισότοπα εκπέμπουν αρχικά πολλή θερμότητα και ακτινοβολία, ενώ άλλα κυριαρχούν στις δυσκολίες διαχείρισης για πολύ μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα.

Διαχείριση χρησιμοποιημένου καυσίμου και πυρηνικών αποβλήτων

Δεν είναι άχρηστο όλο το υλικό που αφαιρείται από έναν αντιδραστήρα, ούτε τα πυρηνικά απόβλητα είναι μόνο «νέα στοιχεία». Ορισμένοι κύκλοι επανεπεξεργάζονται ουράνιο και πλουτώνιο, αλλά αυξάνουν το κόστος και τις απαιτήσεις ασφάλειας και μη διάδοσης· τα προϊόντα σχάσης και άλλα απόβλητα εξακολουθούν να χρειάζονται ασφαλή απομόνωση.

Μια επιλογή είναι η υαλοποίηση αποβλήτων υψηλής ραδιενέργειας, η αποθήκευσή τους σε σχεδιασμένα δοχεία και εγκαταστάσεις και τελικά η βαθιά γεωλογική διάθεση. Η ασφάλεια βασίζεται σε πολλαπλούς τεχνικούς και γεωλογικούς φραγμούς, παρακολούθηση και ρύθμιση, όχι απλώς στην ταφή.

Ορισμένοι κύκλοι μπορούν να χρησιμοποιούν ταχείς, αναπαραγωγικούς ή καυστήρες αντιδραστήρες για αξιοποίηση σχάσιμου υλικού και μεταστοιχείωση μέρους των ακτινιδών. Δεν εξαλείφουν όλα τα απόβλητα ούτε την ανάγκη αποθήκευσης και τελικής διάθεσης.

Η Γαλλία λειτούργησε στο παρελθόν πειραματικούς και εμπορικούς ταχείς αντιδραστήρες. Ένα σύγχρονο προτεινόμενο αλλά μη κατασκευασμένο σχέδιο είναι ο ταχύς αντιδραστήρας PRISM της GE Hitachi με ψύξη νατρίου.

Μια άλλη προσέγγιση μετατρέπει μέρος της ενέργειας που εκπέμπουν συγκεκριμένα ραδιοϊσότοπα σε ηλεκτρισμό χωρίς αλυσιδωτή αντίδραση. Σε αυτή την κατηγορία ανήκει το ραδιοβολταϊκό πρωτότυπο.

Από την ακτινοβολία στο φως και τον ηλεκτρισμό

Επιλογή του κατάλληλου σπινθηριστή

Οι ακτίνες γάμμα υψηλής ενέργειας είναι δύσκολο να μετατραπούν απευθείας σε ηλεκτρισμό με καλή απόδοση, ενώ η συσσωρευμένη δόση μπορεί να βλάψει τους ημιαγωγούς. Το αποτέλεσμα εξαρτάται από την ενέργεια, τη δόση, την αρχιτεκτονική και τα υλικά θωράκισης και μετατροπής.

Η ραδιοβολταϊκή μετατροπή μελετάται επί δεκαετίες, αλλά τα πρωτότυπα συχνά είχαν χαμηλή απόδοση και υποβάθμιση υλικών. Ποσοστά από διαφορετικά συστήματα δεν αποτελούν ενιαίο μέτρο που εφαρμόζεται απευθείας σε αυτή τη διάταξη.

Source: Optical Material

Η ομάδα του Οχάιο χρησιμοποίησε σπινθηριστή που εκπέμπει φως όταν ακτινοβολείται και οδήγησε το φως σε φωτοβολταϊκή κυψέλη. Η επιλογή υλικού έπρεπε να εξισορροπεί:

• Καλή απορρόφηση ακτινοβολίας για περισσότερη συλλογή ενέργειας και μικρότερη έκθεση της ηλιακής κυψέλης.
• Φάσμα εκπομπής που να ταιριάζει όσο γίνεται με την απόκριση της κυψέλης.
• Αντοχή σε βλάβες από ακτινοβολία και σταθερή φωτεινή απόδοση.
• Γεωμετρία και πάχος που συλλέγουν ακτινοβολία χωρίς υπερβολική επαναπορρόφηση φωτός.

Η τελική επιλογή ήταν γρανάτης γαδολινίου-αλουμινίου-γαλλίου υψηλής φωτεινής απόδοσης, προσμειγμένος με δημήτριο (GAGG:Ce-HL· Gd3Al2Ga3O12).

Source: Optical Material

Δοκιμή παραγωγής ηλεκτρισμού

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πολυκρυσταλλική κυψέλη λεπτού υμενίου από τελλουριούχο κάδμιο (CdTe), με επαφές χρυσού και ινδίου. Επιλέχθηκε για μεγαλύτερη αντοχή στην ακτινοβολία από πολλές κυψέλες πυριτίου, με αναφορές έως 3 μεγκαγκρέι (MGy) υπό συγκεκριμένες συνθήκες.

Source: Optical Material

Για τη δοκιμή, εξέθεσαν τη διάταξη σε πηγές καισίου-137 και κοβαλτίου-60 μέσα σε εργαστηριακούς ακτινοβολητές. Ήταν ελεγχόμενες πηγές δοκιμής, όχι πραγματικό δείγμα αποβλήτων αντιδραστήρα.

Source: Optical Material

Το πείραμα έδειξε ότι το σχήμα και το μέγεθος του κρυστάλλου επηρεάζουν έντονα την ακτινοβολία που συλλέγεται και τη μεταφορά φωτός στην κυψέλη, άρα και την ισχύ εξόδου.

Μεγαλύτερος όγκος βοήθησε στη συγκεκριμένη γεωμετρία, αλλά το μέγεθος μόνο του δεν εγγυάται καλύτερη απόδοση· σημαντικές είναι και οι οπτικές απώλειες και η σύζευξη σπινθηριστή-κυψέλης.

Source: Optical Material

Η μέγιστη αναφερόμενη ισχύς ήταν περίπου 1,5 μικροβάτ με υψηλό ρυθμό δόσης 10 κιλοράντ ανά ώρα από κοβάλτιο-60· ο όγκος του πρωτοτύπου ήταν περίπου 4 κυβικά εκατοστά. Πρόκειται για απόδειξη ιδέας πολύ χαμηλής ισχύος, όχι μπαταρία καταναλωτικών συσκευών.

«Τα αποτελέσματα αποτελούν σημαντική πρόοδο στην ισχύ εξόδου. Η διεργασία δύο σταδίων είναι ακόμη προκαταρκτική, αλλά το επόμενο βήμα είναι η παραγωγή περισσότερων βατ με δομές μεγαλύτερης κλίμακας.»

Ibrahim Oksuz – ερευνητικός συνεργάτης στη μηχανική και αεροδιαστημική μηχανική στο Ohio State.

Εφαρμογές και περιορισμοί

Μια μακρόβια ραδιενεργός πηγή μπορεί να επιτρέψει παρατεταμένη λειτουργία, αλλά η διάταξη δεν λειτουργεί «για πάντα». Η διάρκεια εξαρτάται από τον χρόνο ημιζωής, την υποβάθμιση σπινθηριστή και κυψέλης, τα ηλεκτρονικά, την ενθυλάκωση και το περιβάλλον. Η μελέτη δεν απέδειξε δεκαετίες ζωής για ολόκληρο το σύστημα.

Επειδή το πρωτότυπο είναι πειραματικό και παράγει μικροβάτ, απέχει πολύ από την τροφοδοσία τηλεφώνων. Η χρήση ισοτόπων απαιτεί επίσης θωράκιση, άδειες, εφοδιαστική αλυσίδα και ασφαλή διαχείριση στο τέλος ζωής.

Μελλοντικά μπορεί να τροφοδοτεί αισθητήρες χαμηλής κατανάλωσης σε δυσπρόσιτα σημεία, όπως πυρηνικές εγκαταστάσεις ή υποθαλάσσια και διαστημικά περιβάλλοντα. Η βιωσιμότητα εξαρτάται από βάρος, θωράκιση, αξιοπιστία και κόστος έναντι βηταβολταϊκών και RTG.

Η μελέτη δεν έδωσε αξιόπιστο εμπορικό χρονοδιάγραμμα. Πρέπει πρώτα να αυξηθεί η ισχύς, να μετρηθούν απόδοση, διάρκεια και βλάβες, να αναπτυχθεί επαναλήψιμη παραγωγή και να πληρωθούν απαιτήσεις ασφάλειας και ρύθμισης.

«Η κλιμάκωση θα ήταν ακριβή αν οι μπαταρίες δεν μπορούν να κατασκευαστούν αξιόπιστα. Χρειάζεται περισσότερη έρευνα για τη χρησιμότητα και τους περιορισμούς τους, συμπεριλαμβανομένης της διάρκειας μετά από ασφαλή εφαρμογή.»

Ibrahim Oksuz – ερευνητικός συνεργάτης στη μηχανική και αεροδιαστημική μηχανική στο Ohio State.

Αν η τεχνολογία αποδειχθεί βιώσιμη, κατάλληλα ισότοπα θα μπορούσαν να τροφοδοτούν αισθητήρες και εξειδικευμένα ηλεκτρονικά. Μικρές συσκευές όμως θα χρησιμοποιούσαν μόνο ελάχιστο μέρος του αποθέματος χρησιμοποιημένου καυσίμου και αποβλήτων υψηλής ραδιενέργειας.

Συνεπώς, οι ραδιοβολταϊκές μπαταρίες δεν λύνουν μόνες τους το πρόβλημα των πυρηνικών αποβλήτων. Μπορεί να απαιτούν διαχωρισμό, κατασκευή, θωράκιση και μεταφορά και τελικά αφήνουν ραδιενεργό πηγή που χρειάζεται ασφαλή διαχείριση.

«Η ιδέα της πυρηνικής μπαταρίας είναι πολύ ελπιδοφόρα. Υπάρχει ακόμη μεγάλο περιθώριο βελτίωσης, αλλά πιστεύω ότι στο μέλλον θα αποκτήσει σημαντικό ρόλο στην παραγωγή ενέργειας και στους αισθητήρες.»

Ibrahim Oksuz – ερευνητικός συνεργάτης στη μηχανική και αεροδιαστημική μηχανική στο Ohio State.

Εταιρεία συνδεδεμένη με τον πυρηνικό κλάδο

Cameco και Westinghouse Electric Company

Η Cameco και η Brookfield ανακοίνωσαν το 2022 την αγορά της Westinghouse. Η συναλλαγή ολοκληρώθηκε αργότερα με 49% στην Cameco και 51% στην κοινοπραξία υπό την Brookfield. Η επένδυση προσθέτει έκθεση σε καύσιμα, υπηρεσίες και σχεδιασμό αντιδραστήρων, αλλά και κινδύνους εκτέλεσης, χρηματοδότησης και μακρών κύκλων έργων.

Η Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ) διαχειρίζεται περιουσιακά στοιχεία ανανεώσιμης και μεταβατικής ενέργειας, ενώ η Brookfield Corporation (BN ) δραστηριοποιείται παγκοσμίως στη διαχείριση κεφαλαίων. Τα μεγέθη μεταβάλλονται και δεν εγγυώνται χρηματοδότηση κάθε πυρηνικού έργου.

Η κοινή ιδιοκτησία μπορεί να διευρύνει την πρόσβαση της Westinghouse σε κεφάλαια και εταίρους, αλλά τα πυρηνικά έργα χρειάζονται χρόνια ανάπτυξης, αδειοδότησης και κατασκευής. Μπορούν να καθυστερήσουν, να υπερβούν το κόστος ή να ακυρωθούν.

Η Westinghouse αποκτά έσοδα από μηχανική, εξαρτήματα, καύσιμα και υπηρεσίες σε διαφορετικά στάδια· δεν υπάρχει σταθερό έκτο έτος έναρξης εσόδων για κάθε αντιδραστήρα. Ο χρόνος εξαρτάται από σύμβαση, σχέδιο, χώρα και κατάσταση έργου.

Source: Cameco

Ο AP1000, αντιδραστήρας πεπιεσμένου νερού, είναι το κύριο μεγάλο σχέδιο της Westinghouse και διαθέτει μονάδες σε λειτουργία και κατασκευή. Δεν χρησιμοποιεί «πρότυπο CANDU»: το CANDU είναι διαφορετικό σχέδιο βαρέος ύδατος, αν και η Westinghouse προσφέρει προϊόντα και υπηρεσίες σε φορείς CANDU.

Η Westinghouse αναπτύσσει επίσης τον μικρό αρθρωτό αντιδραστήρα AP300 και έχει συνάψει συμφωνίες ή μελέτες για AP1000 και AP300 στη Σλοβακία, τη Φινλανδία και τη Σουηδία. Αυτά δεν εγγυώνται κατασκευή. Αναπτύσσει επίσης τον μικροαντιδραστήρα eVinci, που χρειάζεται ακόμη ανάπτυξη και αδειοδότηση.

Source: Westinghouse

Η Westinghouse προμηθεύει καύσιμα, εξαρτήματα, υπηρεσίες και τεχνογνωσία σε μεγάλο μέρος της πυρηνικής αλυσίδας. Η ρυθμιστική εμπειρία μπορεί να αποτελεί πλεονέκτημα, αλλά δεν εξασφαλίζει κάθε νέο έργο.

Η συμμετοχή στη Westinghouse μπορεί να διαφοροποιήσει την έκθεση της Cameco πέρα από την τιμή ουρανίου. Η απόδοση όμως εξαρτάται από ζήτηση, περιθώρια, εκτέλεση, χρηματοδότηση και ρύθμιση· δεν μπορούν να θεωρηθούν δεδομένα οφέλη δεκαετιών.

Η εξόρυξη και επεξεργασία ουρανίου παραμένουν βασικές δραστηριότητες της Cameco, με κύρια περιουσιακά στοιχεία στον Καναδά και συμμετοχή στο Καζακστάν. Η μεγαλύτερη ζήτηση μπορεί να βοηθήσει, αλλά παραμένουν κίνδυνοι τιμών, λειτουργίας, πολιτικής και εφοδιασμού.

Οι εταιρείες ουρανίου και αντιδραστήρων έχουν επηρεαστεί από ατυχήματα, κόστος, κανονισμούς και απόβλητα. Νεότερα σχέδια μπορεί να βελτιώσουν εμπιστοσύνη και οικονομικά στοιχεία, αλλά δεν εξαλείφουν τους κινδύνους· το radiovoltaic πρωτότυπο απέχει πολύ από το να αλλάξει αυτή την εικόνα.

Η ζήτηση ηλεκτρισμού χαμηλών εκπομπών μπορεί να στηρίξει την πυρηνική ενέργεια μαζί με ανανεώσιμες πηγές, ευέλικτα δίκτυα και αποθήκευση. Κάθε επένδυση όμως εξαρτάται από κόστος, χρονοδιάγραμμα, τιμές και πολιτική· η ανάγκη σταθερής ισχύος δεν εγγυάται ίδια αναγέννηση παντού.

Τελευταία Ειδήσεις για τη Cameco

Αναφορά Μελέτης:

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