Energia
Vallankumouksellinen akku muuntaa ydinjätteen pitkäkestoiseksi energiaksi
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Useita tapoja hyödyntää ydinenergiaa
Ydinvoima yhdistetään usein suuriin voimaloihin, jäähdytystorneihin ja vakavien onnettomuuksien riskiin. Ala kehittää kuitenkin uusia ratkaisuja, kuten pieniä modulaarisia reaktoreita (SMR) ja neljännen sukupolven ydinvoimaloita (linkeistä löydät yksityiskohtaiset sijoitusraportit molemmista).
Useimmat nykyiset ja ehdotetut fissiovoimalat tuottavat reaktiolämmöllä höyryä, joka pyörittää sähköä tuottavaa turbiinia, vaikka polttoaine, jäähdyte ja reaktorirakenne vaihtelevat huomattavasti.
Radioaktiivista hajoamista hyödynnetään myös radioisotooppisissa termosähkögeneraattoreissa (RTG), jotka muuttavat lämmön sähköksi ja joita on käytetty tavallisesti plutonium-238:lla syvän avaruuden lennoilla.
Säteilyä voidaan hyödyntää muillakin tavoilla. Betavolttiset paristot muuttavat beetahiukkasten energian virraksi puolijohdeliitoksessa; prosessi ei ole vain elektronien irrottamista atomiytimistä.
Ohio State Universityn ja Toledon yliopiston tutkijat testasivat kaksivaiheista radiovolttista konseptia: tuikeaine absorboi säteilyä ja lähettää valoa, jonka aurinkokenno muuttaa sähköksi. Kyseessä on pieni laboratoriokoe, jota ei käytetty suoraan käytetyllä ydinpolttoaineella.
Ryhmä julkaisi tulokset1 Optical Materials -lehdessä nimellä ”Tuikeaineisiin perustuvat ydinfotovolttiset paristot mikrowattiluokan tehontuotantoon”.
Fissio ja radioaktiivinen hajoaminen
Fissio ja radioaktiivinen hajoaminen ovat eri prosesseja. Fissiossa raskas ydin, kuten uraani-235, halkeaa ja vapauttaa energiaa, neutroneja ja fissiotuotteita. Muut isotoopit hajoavat itsestään ja lähettävät alfa- tai beetahiukkasia tai gammasäteitä isotoopin ja hajoamisketjun mukaan.
Lähde: Britannica
Sopivissa oloissa fission neutronit voivat ylläpitää hallittua ketjureaktiota reaktorissa, jolloin fissioenergia muuttuu lämmöksi ja sitten sähköksi.
Ydinpolttoaineen käytössä syntyy fissiotuotteita ja raskaampia alkuaineita, ja osa materiaalista jää fissioitumatta. Käytetty polttoaine on monimutkainen seos, jonka osilla on erilainen radioaktiivisuus, jälkilämpö ja puoliintumisaika.
Jotkin isotoopit vapauttavat aluksi paljon lämpöä ja säteilyä, kun taas toiset hallitsevat jätehuollon haasteita paljon pidemmillä aikaväleillä.
Käytetyn polttoaineen ja ydinjätteen hallinta
Kaikki reaktorista poistettu materiaali ei ole hyödytöntä, eikä ydinjäte koostu vain ”uusista alkuaineista”. Joissakin polttoainekierroissa uraania ja plutoniumia jälleenkäsitellään, mutta tämä lisää kustannuksia sekä turvallisuus- ja ydinsulkua koskevia vaatimuksia; fissiotuotteet ja muu jäte on silti eristettävä turvallisesti.
Yksi vaihtoehto on sitoa korkea-aktiivinen jäte lasiin, säilyttää se suunnitelluissa säiliöissä ja laitoksissa ja sijoittaa lopulta syvään geologiseen loppusijoitukseen. Turvallisuus perustuu useisiin teknisiin ja geologisiin esteisiin, valvontaan ja sääntelyyn, ei pelkkään hautaamiseen.
Joissakin polttoainekierroissa voidaan käyttää nopeita, hyötö- tai polttoreaktoreita fissioituvan aineen hyödyntämiseen ja osan aktinideista transmutoimiseen. Ne eivät poista kaikkea jätettä eivätkä varastoinnin ja loppusijoituksen tarvetta.
Ranska käytti aiemmin kokeellisia ja kaupallisia nopeita reaktoreita. Nykyaikainen ehdotettu mutta vielä rakentamaton malli on GE Hitachin natriumjäähdytteinen nopea PRISM-reaktori.
Toisessa lähestymistavassa osa tiettyjen radioisotooppien lähettämästä energiasta muutetaan sähköksi ilman ketjureaktiota. Tutkittu radiovolttinen prototyyppi kuuluu tähän ryhmään.
Säteilystä valoksi ja sähköksi
Sopivan tuikeaineen valinta
Suurienergistä gammasäteilyä on vaikea muuttaa suoraan sähköksi hyvällä hyötysuhteella, ja kertynyt annos voi vaurioittaa puolijohteita. Tulos riippuu energiasta, annoksesta, laiterakenteesta sekä suojaus- ja muunnosmateriaaleista.
Radiovolttista muunnosta on tutkittu vuosikymmeniä, mutta prototyyppien hyötysuhde on usein ollut pieni ja materiaalit ovat heikentyneet. Eri järjestelmien prosenttiluvut eivät ole yksi vertailuarvo, jota voisi soveltaa suoraan tähän laitteeseen.
Lähde: Optical Material
Ohion ryhmä käytti säteilyssä valoa lähettävää tuikeainetta ja ohjasi valon aurinkokennolle. Materiaalivalinnassa oli tasapainotettava useita ominaisuuksia:
- Hyvä säteilyn absorptio suuremman energiamäärän talteenottoon ja aurinkokennon suojaamiseen.
- Emissiospektri, joka vastaa mahdollisimman hyvin aurinkokennon herkkyyttä.
- Säteilyvaurioiden kesto ja valontuoton vakaus.
- Geometria ja paksuus, jotka sieppaavat säteilyä mutta eivät absorboi uudelleen liikaa valoa.
Valinnaksi tuli ceriumilla seostettu suuren valontuoton gadolinium-alumiini-galliumgranaatti (GAGG:Ce-HL; Gd3Al2Ga3O12).
Lähde: Optical Material
Sähköntuotannon testaus
Tutkijat käyttivät monikiteistä kadmiumtelluridi(CdTe)-ohutkalvokennoa, jossa oli kulta- ja indiumkontaktit. Se valittiin monia piikennoja paremman säteilynkeston vuoksi; tietyissä oloissa on viitattu jopa 3 megarayn (MGy) annoksiin.
Lähde: Optical Material
Konseptia testattiin cesium-137- ja koboltti-60-lähteillä laboratorion säteilyttimissä. Ne olivat hallittuja testilähteitä, eivät todellista reaktorijätettä.
Lähde: Optical Material
Koe osoitti, että tuikekiteen muoto ja koko vaikuttavat voimakkaasti talteen otettuun säteilyyn ja valon siirtymiseen kennolle ja siten lähtötehoon.
Suurempi tilavuus auttoi sieppaamaan enemmän säteilyä testigeometriassa, mutta koko yksin ei takaa parempaa hyötysuhdetta; myös optiset häviöt ja tuikeaineen ja kennon kytkentä vaikuttavat.
Lähde: Optical Material
Suurin raportoitu teho oli noin 1,5 mikrowattia korkealla 10 kiloradin tuntiannosnopeudella koboltti-60:tä käyttäen; prototyypin tilavuus oli noin 4 kuutiosenttimetriä. Kyseessä on erittäin pienitehoinen konseptitodistus, ei kulutuselektroniikkaa nykyisin syöttävä paristo.
”Tulokset ovat läpimurto lähtötehon kannalta. Kaksivaiheinen prosessi on vielä alkuvaiheessa, mutta seuraava askel on tuottaa enemmän watteja suuremman mittakaavan rakenteilla.”
Sovellukset ja rajoitukset
Pitkäikäinen radioaktiivinen lähde voi mahdollistaa pitkän toiminta-ajan, mutta laite ei toimi ”ikuisesti”. Kesto riippuu isotoopin puoliintumisajasta, tuikeaineen ja kennon kulumisesta, elektroniikasta, kapseloinnista ja ympäristöstä. Tutkimus ei osoittanut koko järjestelmälle vuosikymmenten käyttöikää.
Koska prototyyppi on kokeellinen ja tuottaa mikrowatteja, se on hyvin kaukana älypuhelinten syöttämisestä. Isotooppien käyttö vaatii myös suojausta, lupia, toimitusketjun ja turvallisen käytöstäpoiston.
Teknologia voisi tulevaisuudessa syöttää vähän energiaa kuluttavia antureita vaikeapääsyisissä paikoissa, kuten ydinlaitoksissa tai vedenalaisissa ja avaruusympäristöissä. Käyttökelpoisuus riippuu painosta, suojauksesta, luotettavuudesta ja hinnasta suhteessa betavolttisiin paristoihin ja RTG-laitteisiin.
Tutkimus ei esittänyt luotettavaa kaupallistamisaikataulua. Ensin on lisättävä tehoa, mitattava hyötysuhde, käyttöikä ja säteilyvauriot, kehitettävä toistettava valmistus ja täytettävä turvallisuus- ja viranomaisvaatimukset.
”Teknologian skaalaaminen olisi kallista, ellei paristoja voida valmistaa luotettavasti. Niiden hyötyä ja rajoituksia, myös turvallisesti toteutetun laitteen käyttöikää, on tutkittava lisää.”
Jos teknologia osoittautuu käyttökelpoiseksi, sopivat isotoopit voisivat syöttää antureita ja erikoiselektroniikkaa. Pienet laitteet käyttäisivät kuitenkin vain häviävän pienen osan käytetyn polttoaineen ja korkea-aktiivisen jätteen määrästä.
Radiovolttiset paristot eivät siis ratkaise ydinjäteongelmaa yksin. Ne voivat vaatia erottelua, valmistusta, suojausta ja kuljetusta ja jättävät lopuksi radioaktiivisen lähteen, joka on edelleen käsiteltävä turvallisesti.
”Ydinpariston konsepti on erittäin lupaava. Parannettavaa on vielä paljon, mutta uskon lähestymistavan saavan tulevaisuudessa tärkeän aseman sekä energiantuotannossa että anturiteollisuudessa.”
Ydinenergia-alaan liittyvä yritys
Cameco ja Westinghouse Electric Company
CCJ Hintakaavio
Cameco ja Brookfield ilmoittivat Westinghousen ostosta vuonna 2022. Kauppa saatiin myöhemmin päätökseen siten, että Camecon osuus on 49% ja Brookfieldin johtaman yhteenliittymän 51%. Sijoitus altistaa Camecon polttoaineelle, palveluille ja reaktorisuunnittelulle mutta myös toteutus-, rahoitus- ja pitkien projektisyklien riskeille.
Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ) hallinnoi uusiutuvan energian ja siirtymän omaisuutta, kun taas Brookfield Corporation (BN ) toimii globaalisti varainhoidossa. Luvut muuttuvat, eikä konsernin koko takaa jokaisen ydinprojektin rahoitusta.
Yhteisomistus voi laajentaa Westinghousen pääoman ja kumppanien saatavuutta, mutta ydinprojektit vaativat vuosien kehityksen, luvituksen ja rakentamisen. Ne voivat viivästyä, ylittää budjetin tai peruuntua ennen odotettuja tuloja.
Westinghouse saa tuloja suunnittelusta, komponenteista, polttoaineesta ja palveluista eri vaiheissa; kaikille reaktoreille yhteistä kuudetta tulovuotta ei ole. Ajoitus ja kesto riippuvat sopimuksesta, suunnittelusta, maasta ja projektin tilasta.
Lähde: Cameco
AP1000, painevesireaktori, on Westinghousen tärkein suuri malli, ja sitä on käytössä ja rakenteilla. Se ei käytä ”CANDU-standardia”: CANDU on erilainen raskasvesimalli, vaikka Westinghouse tarjoaa tuotteita ja palveluita CANDU-operaattoreille.
Westinghouse kehittää myös pientä modulaarista AP300-reaktoria ja on tehnyt AP1000- ja AP300-teknologiaa koskevia sopimuksia tai selvityksiä Slovakiassa, Suomessa ja Ruotsissa. Tämä ei takaa rakentamista. Yhtiö kehittää myös eVinci-mikroreaktoria, joka vaatii edelleen kehitystä ja lupia.
Lähde: Westinghouse
Westinghouse toimittaa polttoainetta, komponentteja, palveluita ja suunnittelua laajalle osalle ydinalan toimitusketjua. Sääntelykokemus ja sertifiointikynnykset voivat olla etuja, mutta ne eivät takaa kaikkia uusia projekteja.
Westinghouse-omistus voi hajauttaa Camecon altistusta uraanin hintaa laajemmaksi. Tuotto riippuu silti kysynnästä, marginaaleista, toteutuksesta, rahoituksesta ja sääntelystä; vuosikymmenten hyötyä ei voi olettaa markkinoista riippumatta.
Uraanin louhinta ja jalostus ovat yhä Camecon ydinliiketoimintaa, ja keskeisiä varoja on Kanadassa sekä osakkuuksia Kazakstanissa. Kysynnän kasvu voi auttaa, mutta hinta-, toiminta-, poliittiset ja toimitusketjuriskit säilyvät.
Uraani- ja reaktoriyrityksiin ovat historiallisesti vaikuttaneet onnettomuudet, kustannukset, sääntely ja jätehuolto. Uudemmat mallit voivat parantaa luottamusta ja taloutta, mutta eivät poista riskejä; radiovolttinen prototyyppi on kaukana tämän muuttamisesta.
Vähähiilisen sähkön kysyntä voi tukea ydinvoimaa uusiutuvien, joustavampien verkkojen ja varastoinnin rinnalla. Jokainen sijoitus riippuu kuitenkin kustannuksista, aikataulusta, sähkön hinnasta ja politiikasta; vakaan tehon tarve ei takaa samanlaista nousua kaikilla markkinoilla.
Uusimmat Cameco-uutiset
Tutkimusviite:
1. Ibrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao. (2025). Optical Materials. Nide 25, helmikuu 2025, 100401. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010
