Energia
Turvallinen, kompakti ydinparisto voi mullistaa energian varastoinnin
Ydinvoimaa kaikessa?
Kun ydinvoiman tuotanto tuli käytännölliseksi teknologiaksi, se antoi toivoa, että energia, jota tähän mennessä on käytetty vain maailmanlopettavien pommien valmistamiseen, voisi myös pelastaa samaa sivilisaatiota resurssien ehtymiseltä.
Ilmastonmuutoksen kasvaessa huolenaiheena, ydinvoima kokee renessanssia, sillä se on saatavilla oleva, skaalautuva ja vähähiilinen energialähde, joka voi silata kuilua, kunnes uusiutuvat energialähteet ja akut ovat valmiita korvaamaan fossiiliset polttoaineet. Ja uusia ydinvoimalasdesignia on tulossa, jotka voivat tehdä siitä edullisempaa, turvallisempaa ja joustavampaa, kuten selitimme päivityksessä “Päivitys SMR:ihin (Small Modular Reactor) – Ydinvoiman tulevaisuus yhä” ja “Ydinvoiman 4. sukupolvi: Edullisempi, puhtaampi, turvallisempi”.
Kuitenkin nämä suuret voimalaitokset eivät ole sitä, miten tieteiskirjailijat alun perin kuvasivat ydinvoimaa. Johtavat ajattelijat, kuten Isaac Asimov, olivat paljon kunnianhimoisempia ja kuvasivat miniaturisoituja ydinvoimageneraattoreita, jotka mahtuisivat juniin, autoihin ja jopa pienempiin laitteisiin, tehden niiden lataus- tai polttoaineen täydennyksen käytännössä vanhentuneeksi.
Yksi askel tähän suuntaan on esitelty ydinparistoja, jotka ovat riittävän pieniä virittämään pieniä elektronisia laitteita. Ja ne toimivat turvallisesti.
Tämä tutkimustyö esiteltiin American Chemical Societyin (ACS) kevätkokouksessa Su-Il In, Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technologyn (South Korea) professorin, toimesta otsikolla “Seuraavan sukupolven akku: Erittäin tehokas ja vakaa C14‑väriaineherkistys betavoltaic‑solu”.
Lähde: Asia Research News
Pariston rajoitus
Useimmat nykypäivän elektroniset laitteet ovat kapasiteetiltaan rajoitettuja akkujen, yleensä litiumioni‑teknologian, vuoksi. Tämä pätee älypuhelimiin, droneihin, antureihin jne.
Lisäksi litiumin louhinta on ympäristölle haitallinen prosessi, ja litium voi tulevaisuudessa muuttua saasteeksi.
Siksi tiedemiehet ovat pitkään pitäneet radioaktiivisen hajoamisen vaihtoehtona, prosessina, joka kestää satoja tai jopa kymmeniä tuhansia vuosia, parempana ratkaisuna, joka ei vaadi laitteiden uudelleenlataamista lainkaan.
Kuitenkin, koska tällaiset laitteet olisivat radioaktiivisia, on täytettävä tiukimmatkin turvallisuusstandardit.
Beetaradioaktiivisuus
Radioaktiivisuutta on monia erilaisia muotoja. Näistä gammasäteilyn hajoaminen on vaarallisin, sillä se lähettää erittäin voimakkaita gammasäteitä, jotka voivat aiheuttaa syöpää ja muita vaurioita.
Lähde: Compound Chem
Alfa- ja beetasäteilyn hajoamiset ovat paljon vähemmän vaarallisia, ja radioaktiiviset päästöt voidaan pysäyttää ohuella alumiinikerroksella tai jopa pelkällä paperilla.
Lähde: Western Oregon University
Oikean isotoopin valinta
Mikä radioaktiivinen aktiivisuus tapahtuu, riippuu radioaktiivisesta alkuaineesta ja sen isotoopeista, joten jotkut energialähteet ovat paljon turvallisempia kuin toiset. Tästä syystä materiaalit kuten uraani eivät ole sopivia pieniin ydinparistoihin.
Kuitenkin hiili‑14, luonnollisesti esiintyvä hiilen isotooppi, jota käytetään usein ajoitusmenetelmissä, olisi hyvä valinta.
Lisäetu on, että hiili‑14 tuotetaan jo olemassa olevien ydinvoimaloiden toimesta, mikä tekee siitä edullisen, helposti saatavilla olevan ja helpon kierrättää. Lopuksi,
“Päätin käyttää radioaktiivista hiili‑isotooppia, koska se tuottaa vain beetasäteitä. Ja koska radiohiili hajoaa erittäin hitaasti, radiohiilillä toimiva akku voisi teoriassa kestää tuhansia vuosia.”
Prof. Su-Il In – Professori Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology
Betavoltaic-tekniikka
Beetasäteilyn hyödyntäminen energian tuotannossa ei ole täysin uusi käsite, ja sitä kutsutaan betavoltaikseksi, jossa beetasäde korvaa klassisessa fotovoltaisessa tekniikassa käytetyt fotonit.
Betavoltaikissa elektroni, ei fotoni, osuu puolijohteeseen, mikä johtaa sähkön tuotantoon.
Tämä puolijohdemateriaali on avainosa, sillä sen tehokkuus määrää kokonaisenergiamuunnoksen hyötysuhteen. Tähän mennessä betavoltaiksen puolijohteet ovat olleet hyvin alhaisen hyötysuhteen tai liian hauraita kestämään yhtä pitkään kuin ydinpolttoaine.
Titaanidioksidi puolijohde
Prof. In ja hänen tiiminsä käyttivät aurinkokennoissa yleisesti käytettyä materiaalia, titaanidioksidia, ja lisäsivät siihen ruthenium‑pohjaisen väriaineen. Saadakseen väriaineen ja puolijohteen välisen sidoksen tarpeeksi vahvaksi, he käyttivät sitruunahappokäsittelyä.
Ruthenium‑väriaine, kun beetasäde (voimakas elektroni) osuu siihen, luo ketjun elektroninsiirtoreaktioita, jota kutsutaan elektronivyöryksi. Titaanidioksidi kerää sitten syntyneet elektronit ja muuntaa ne käyttökelpoiseksi sähköksi.
Molempien elektrodien käsittely
Tutkijat havaitsivat, että prosessin tehokkuutta voidaan radikaalisti parantaa asettamalla ruthenium‑väriaine sekä katodiin että anodille ydinparistossa.
Vertailun vuoksi aiempaan suunnitteluun, jossa radiohiili oli vain katodissa, tämä johti paljon korkeampaan energiamuunnosasteeseen, 0,48 %:sta 2,86 %:iin.
Sovellukset
Koska tämä järjestelmä on todennäköisesti tällä hetkellä kalliimpi kuin tavallinen akku, sen ensimmäiset sovellukset löytyvät sieltä, missä energialähteen korvaaminen tai uudelleenlataus ei ole hyödyllisintä.
Esimerkiksi sydämentahdistimet ja muut lääketieteelliset implantaatti voivat saada virtansa eliniän ajan tällaisilla beeta‑voltaikparistoilla.
Anturit herkissä tai vihamielisissä ympäristöissä, kuten ydinreaktorit, tehtaat, syvä meri tai avaruus, voisivat myös hyötyä merkittävästi tästä konseptista.
Lisäparannukset
Tämä teknologia ja vaikuttava hyötysuhteen kasvu liittyvät muihin tutkimuksiin, jotka pyrkivät hyödyntämään radioaktiivista hajoamista energian tuotannossa ilman ydinreaktoria. Esimerkiksi keskustelimme äskettäin ideasta käyttää ydinjätettä toisenlaisen ydinpariston tuottamiseen.
Prof. In ehdottaa, että lisäponnistuksia beetasäde‑emitterin muodon optimointiin ja tehokkaampien beetasäde‑absorptioiden kehittämiseen voitaisiin parantaa akun suorituskykyä ja lisätä energian tuotantoa.
Kaiken kaikkiaan tämän teknologian odotetaan kehittyvän edelleen, kun ymmärryksemme puolijohteista ja harvinaismetalleista syvenee.
Sijoittaminen ydinenergiaan
Cameco – Westinghouse Electric Company
(CCJ )
Vuonna 2022 Cameco teki päätöksen hankkia 49 %:n omistusosuuden Westinghouse‑yrityksestä, joka on Yhdysvaltojen johtava ydinvoimaloiden rakentaja, yhdessä suuren sijoitusyrityksen Brookfieldin (51 %:n omistus) kanssa.
Yrityksellä on massiivinen uusiutuva/matalahiilinen energian tuotantoyksikkö, jonka muoto on 19 miljardin dollarin Brookfield Renewable Partners (BEP ). Brookfield Corporation kokonaisuudessaan on valtava varainhoitoyritys, jonka hallinnoima omaisuus on lähes biljoona dollaria.
Tämä tarkoittaa, että Westinghouse pystyy nyt pääsemään käsiksi erittäin syvään pääomapooliin, mikä on usein ongelma ydinreaktorinrakentajille, sillä uudet hankkeet vaativat vuosia investointeja ennen kuin ne tuottavat tuloja.
Vaikka tulojen realisoituminen kestää pidempään, kun reaktori on rakennusvaiheessa, se tuottaa Westinghouse‑yritykselle tuloja kuudennesta vuodesta alkaen suunnittelu- ja insinöörintutkimusten jälkeen ja jatkaa tätä koko rakennusprojektin ajan yli kymmenen vuoden ajan.
Lähde: Cameco
Westinghouse‑yrityksen työhevonen on testattu AP1000‑reaktorisuunnitelma (6 toiminnassa ja 6 rakennusvaiheessa), käyttäen yrityksen CANDU‑standardia, joka on yksi maailman yleisimmistä.
Se työskentelee myös AP300‑pienimodulaarireaktorin parissa, jonka odotetaan otettavan käyttöön Slovakiassa, Suomessa ja Ruotsissa, sekä mikroreaktorin e‑Vinci, mikä havainnollistaa yrityksen jatkuvia innovaatioita ja sen pysymistä alan viimeisimpien trendien mukana.
Lähde: Westinghouse
Westinghouse on keskeinen osa suurta osaa ydinenergia‑alan toimitusketjusta. Tiukkojen säädösten vuoksi tällaiset osat ja laitteet vaaditaan kaikissa uusissa voimalaitoksissa, perinteisissä tai SMR‑tyyppisissä.
Kaiken kaikkiaan, vaikka uraanin toimitusongelma ratkeaisi ja uraanin hinnat romahtaisivat, Westinghouse‑omistus antaa Camecolle mahdollisuuden hyötyä käynnissä olevasta ydinvoiman renessanssista vähintään useiden vuosikymmenten ajan.
Muu Cameco‑yritys on uraanin louhija, joka todennäköisesti hyötyy myös käynnissä olevasta ydinenergia‑renessanssista. Sen tärkeimmät louhintakohteet sijaitsevat Kanadassa ja Kazakstanissa.
Historiallisesti uraani‑ ja ydinreaktoriyritykset ovat kärsineet ydinonnettomuuden pelosta ja ydinjätteen huolista.
Kun uudemmat ja turvallisemmat suunnitelmat kehittyvät ja ydinjätteet muuttuvat arvokkaaksi resurssiksi ongelman sijaan, tämän ei enää pitäisi olla ongelma. Tämä sisältää hiili‑14:n tuotannon betavoltaikseen, mikä voisi muodostua Westinghouse‑voimalaitosten lisätuotannoksi.
Lisäksi ponnistus kohti enemmän vähähiilisiä energialähteitä, kun taas uusiutuvat energialähteet eivät vielä täysin ratkaise keskeytyksien ongelmaa, erityisesti talvella, tulisi auttaa ydinenergiaa tekemään voimakas paluu.
(Jos olet enemmän kiinnostunut tämän tutkimuksen käyttämien alkuaineiden kysynnän potentiaalista, voit myös tutustua raporttiimme titaaniin sijoittamisesta)
Uusimmat tiedot Cameco-Westinghouse Electric Company
