क्रांतिकारी बैटरी जो परमाणु अपशिष्ट को दीर्घकालिक शक्ति में बदलती है

परमाणुओं को विभाजित करने के कई तरीके

परमाणु ऊर्जा अक्सर बड़े पावर प्लांट, विशाल कूलिंग टावर और परमाणु आपदा के डर से जुड़ी होती है। यह धीरे-धीरे बदल रहा है SMRs (छोटे मॉड्यूलर रिएक्टर) और परमाणु ऊर्जा के 4थ पीढ़ी के पावर प्लांट (दोनों के विस्तृत निवेश रिपोर्टों के लिए लिंक देखें).

परम्परागत और नए दोनों परमाणु पावर प्लांट समान सिद्धांत पर निर्भर करते हैं, जिसमें परमाणु ऊर्जा का उपयोग करके पानी को भाप में गर्म किया जाता है और भाप को टरबाइन के माध्यम से बिजली उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है।

परमाणु प्रतिक्रियाओं की गर्मी का उपयोग करने का एक और तरीका रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (RTG) के माध्यम से है, जो आमतौर पर प्लूटोनियम पर चलते हैं और गहरी अंतरिक्ष मिशनों में उपयोग होते हैं।

उनमें से एक है बीटा-वोल्टाइक बैटरियां, जो बीटा विकिरण का उपयोग करके अर्धचालक एब्जॉर्बर में परमाणु नाभिकों से इलेक्ट्रॉनों को अलग करके सीधे धारा उत्पन्न करती हैं।

अब, ओहायो स्टेट यूनिवर्सिटी और यूनिवर्सिटी ऑफ टोलिडो (USA) के शोधकर्ताओं ने परमाणु प्रतिक्रियाओं से शक्ति उत्पन्न करने का एक नया सिद्धांत विकसित किया है। यह विकिरण को प्रकाश में बदलता है, जिसे फिर सौर सेल द्वारा शक्ति में परिवर्तित किया जाता है, इस प्रक्रिया को रेडियोवोल्टाइक कहा जाता है।

उन्होंने अपने परिणाम¹ ऑप्टिकल मैटेरियल्स में प्रकाशित किए, शीर्षक “माइक्रोवॉट स्तर पर शक्ति उत्पादन के लिए स्किंटिलेटर-आधारित परमाणु फोटोवोल्टाइक बैटरियां” के तहत।

परमाणु ऊर्जा का उपयोग

जब रेडियोधर्मी परमाणु विभाजित होते हैं, तो एक साथ कई चीजें होती हैं। मूल परमाणु विभाजित होते हैं और अपने कुछ घटकों को न्यूट्रॉन और/या अल्फा एवं बीटा कणों के रूप में उत्सर्जित करते हैं, सटीक प्रतिक्रिया इस पर निर्भर करती है कि कौन सा रेडियोधर्मी तत्व उपयोग किया गया है।

स्रोत: Britannica

इसे सही परिस्थितियों में एक श्रृंखला प्रतिक्रिया बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है, जो परमाणु पावर प्लांट में यूरेनियम की शक्ति उत्पादन को काफी बढ़ा देता है।

एक अन्य संभावना यह है कि कुछ तत्वों के कुछ समस्थानिक समय के साथ स्वाभाविक रूप से टूट जाएँ। जैसे ही परमाणु ईंधन में मूल यूरेनियम परमाणु टूटते हैं, वे नए तत्वों में परिवर्तित हो जाते हैं, जिससे नए तत्वों का एक जटिल मिश्रण बनता है, जिनमें से कई अत्यधिक रेडियोधर्मी होते हैं।

इसका मतलब है कि ये नए तत्व स्वाभाविक रूप से अधिक बार टूटते हैं और प्रति सेकंड बहुत अधिक ऊर्जा उत्सर्जित करते हैं।

परमाणु अपशिष्ट का पुनर्चक्रण

परमाणु रिएक्टर में निर्मित नए तत्वों को आमतौर पर परमाणु अपशिष्ट कहा जाता है, क्योंकि उन्हें पारंपरिक रिएक्टर में सरलता से अधिक शक्ति उत्पन्न करने के लिए उपयोग नहीं किया जा सकता। उनकी अधिक स्वाभाविक रेडियोधर्मिता भी एक समस्या है, क्योंकि यह उन्हें सदियों या सहस्राब्दियों तक बहुत विषैला बनाती है।

इस समस्या से निपटने का एक तरीका है इसे कांच में बदलना (विट्रिफ़ाई) और दफ़न करना, आशा है कि यह अगले 10,000 वर्षों तक किसी को नुकसान पहुँचाने से रोक सकेगा।

एक अन्य विकल्प है इन अपशिष्टों में से कुछ को विशेष रिएक्टरों में पुनः उपयोग करना, जिन्हें फास्ट रिएक्टर, ब्रीडर या बर्नर रिएक्टर कहा जाता है।

ऐसे रिएक्टर फ्रांस में 1970-1990 के दशकों में संचालित हुए। फास्ट ब्रीडर रिएक्टरों के आधुनिक संस्करणों में, उदाहरण के लिए, डिज़ाइन किया गया लेकिन अभी तक नहीं बना PRISM by GE-Hitachi शामिल है।

एक और विकल्प है इन तत्वों की प्राकृतिक उच्च-ऊर्जा उत्पादन का उपयोग करके उन्हें शक्ति में बदलना, बिना विशेष रिएक्टरों की आवश्यकता के।

विकिरण को प्रकाश और शक्ति में बदलना

सही स्किंटिलेटर खोजना

उच्च रेडियोधर्मी तत्वों द्वारा उत्सर्जित गामा विकिरण को सीधे बिजली में बदलना कठिन है क्योंकि वे इतनी शक्तिशाली होते हैं कि यह उस अर्धचालक सामग्री को नुकसान पहुंचा सकता है जिसका उपयोग शक्ति उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है।

इसलिए, जबकि इस अवधारणा का परीक्षण 1950 के दशक से किया गया है, उत्पादन बहुत कम रहा है, 0.4% से 4.5% के बीच, और प्रणाली की टिकाऊपन से जुड़े अतिरिक्त मुद्दे भी हैं।

स्रोत: Optical Material

ओहायो के शोधकर्ताओं ने जो बदला वह था स्किंटिलेटर का उपयोग करना, जो विकिरण के संपर्क में आने पर प्रकाश उत्सर्जित करता है। यह सही स्किंटिलेटर सामग्री खोजने के लिए बहुत प्रयास की मांग करता था क्योंकि इसे सभी आवश्यकताओं के साथ मेल खाने वाले आदर्श बिंदु में होना चाहिए:

• विकिरण का मजबूत अवशोषक, जिससे उत्पादन बढ़े और सौर सेल की सुरक्षा हो।
• उत्सर्जित प्रकाश को सौर सेल के अवशोषण के अनुकूल सही तरंगदैर्ध्य में होना चाहिए।
• समय के साथ क्षति के प्रतिरोध, जिससे प्रकाश उत्पादन स्थिर रहे।
• विकिरण को अवशोषित करने के लिए पर्याप्त मोटा, लेकिन इतना पतला और पारदर्शी कि उत्सर्जित प्रकाश को अधिक न अवशोषित करे।

अंततः उनका चयन सेरियम-डोप्ड गैडोलिनियम एल्यूमिनियम गैल्युम गार्नेट हाई लाइट-यील्ड (GAGG:Ce-HL – Gd3Al2Ga3O12) पर हुआ।

स्रोत: Optical Material

विकिरण से शक्ति उत्पन्न करना

चुनी गई सौर सेल एक पतली फिल्म पॉलीक्रिस्टलीन CdTe थी, जिसमें सोना और इंडियम संपर्क उपयोग किए गए थे। इस चयन का मुख्य कारण सिलिकॉन-आधारित सौर सेल की तुलना में इसकी उच्च विकिरण प्रतिरोध था, जो 3 MGy (मेगाग्रे) तक था।

स्रोत: Optical Material

इस अवधारणा का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने बेंचटॉप इर्रेडिएटरों द्वारा उत्पन्न सीज़ियम 137 और कोबाल्ट 60 की इर्रेडिएशन का उपयोग किया।

स्रोत: Optical Material

प्रयोगात्मक परीक्षण की एक आश्चर्यजनक खोज यह थी कि स्किंटिलेटर के रूप में उपयोग किए गए क्रिस्टल का आकार और रूप प्रक्रिया की दक्षता को काफी प्रभावित कर सकता है।

समग्र रूप से, बड़ा आयतन एक अच्छा चीज़ है, जो अधिक विकिरण को पकड़ने और अधिक ऊर्जा को प्रकाश में बदलने में मदद करता है।

स्रोत: Optical Material

परिणामी शक्ति 10 kRad/h (कोबाल्ट उपयोग) की विकिरण डोज़ दर पर 1.5 μW तक थी, जबकि प्रोटोटाइप का आकार बहुत छोटा था, केवल 4 घन सेंटीमीटर आयतन।

“शक्ति उत्पादन के संदर्भ में ये अभूतपूर्व परिणाम हैं। यह दो-चरणीय प्रक्रिया अभी अपने प्रारंभिक चरणों में है, लेकिन अगला चरण स्केल-अप संरचनाओं के साथ अधिक वाट उत्पन्न करने से संबंधित है।”

Ibrahim Oksuz – ओहायो स्टेट में मैकेनिकल और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग में रिसर्च एसोसिएट

 अनुप्रयोग

इस प्रकार की बैटरियां सिद्धांततः अनंतकाल तक बिना किसी रखरखाव या हस्तक्षेप के चलती रह सकती हैं। व्यवहार में, यह संभवतः सौर सेल के जितने समय तक चलती रहेगी, उतनी ही देर तक चलेगी, जबकि सिस्टम का बाकी हिस्सा कई दशकों तक बिना किसी हस्तक्षेप के काम करता रहेगा।

क्योंकि यह अभी भी एक प्रयोगात्मक प्रणाली है और सक्रिय समस्थानिक बड़े पैमाने पर उत्पन्न नहीं होते, इसलिए यह जल्द ही हमारे स्मार्टफ़ोन को शक्ति प्रदान करने की संभावना कम है।

हालांकि, इसे उन वातावरण में सेंसर और उपकरणों के लिए शक्ति स्रोत बनाने में उपयोग किया जा सकता है जहाँ न्यूनतम मानवीय हस्तक्षेप वांछनीय या असंभव हो। उदाहरण के लिए, गहरी अंतरिक्ष सुविधाओं में, समुद्र के नीचे, या परमाणु रिएक्टरों में।

संभावना है कि वास्तविक उपयोग से पहले कम से कम 5 और वर्ष लगेंगे, और इस तकनीक के अधिक सामान्यीकृत अनुप्रयोगों के लिए कुछ और वर्ष लगेंगे।

“इस तकनीक को बड़े पैमाने पर लागू करना महंगा होगा जब तक कि इन बैटरियों का विश्वसनीय उत्पादन संभव न हो। बैटरियों की उपयोगिता और सीमाओं का मूल्यांकन करने के लिए आगे शोध आवश्यक है, जिसमें यह भी शामिल है कि सुरक्षित रूप से लागू होने के बाद वे कितने समय तक चल सकती हैं।”

Ibrahim Oksuz – ओहायो स्टेट में मैकेनिकल और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग में रिसर्च एसोसिएट

यह परमाणु “अपशिष्ट” को देखने के तरीके को भी मूल रूप से बदल देगा। परमाणु रिएक्टरों का एक दुर्भाग्यपूर्ण उपउत्पाद होने से, वे महत्वपूर्ण कार्यों में उन्नत सेंसर और इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक बहुत मूल्यवान शक्ति स्रोत बन सकते हैं।

और, बेशक, परमाणु अपशिष्ट को शक्ति स्रोतों में पुनर्चक्रण करने से मूल रूप से परमाणु अपशिष्ट से निपटने की समस्या का समाधान हो जाएगा।

“परमाणु बैटरी अवधारणा बहुत आशाजनक है। अभी भी सुधार की बहुत गुंजाइश है, लेकिन मेरा मानना है कि भविष्य में यह दृष्टिकोण ऊर्जा उत्पादन और सेंसर उद्योग दोनों में अपने लिए एक महत्वपूर्ण स्थान बनाएगा।”

Ibrahim Oksuz – ओहायो स्टेट में मैकेनिकल और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग में रिसर्च एसोसिएट

परमाणु कंपनी

Cameco – Westinghouse Electric Company

2022 में, Cameco ने निर्णय लिया 49% नियंत्रण Westinghouse में, जो यूएस में परमाणु पावर प्लांटों का प्रमुख निर्माता है, साथ ही एक विशाल निवेश फर्म, Brookfield (51% नियंत्रण) के साथ।

कंपनी के पास $19B के रूप में एक विशाल नवीकरणीय/कम कार्बन पावर जेनरेशन डिवीजन है, Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC )  (BEP )। Brookfield Corporation (BN ) कुल मिलाकर लगभग एक ट्रिलियन डॉलर प्रबंधित करने वाली एक विशाल एसेट मैनेजमेंट कंपनी है।

इसका मतलब है कि Westinghouse अब बहुत गहरी पूंजी पूल तक पहुंच सकेगा, जो अक्सर परमाणु रिएक्टर निर्माताओं के लिए समस्या होती है, क्योंकि नए प्रोजेक्ट्स को राजस्व लाने से पहले कई वर्षों का निवेश चाहिए।

हालांकि राजस्व में बदलने में अधिक समय लगता है, निर्माण में प्रवेश करने के बाद, एक नया रिएक्टर डिजाइन और इंजीनियरिंग अध्ययन के 6^th वर्ष से Westinghouse के लिए राजस्व उत्पन्न करता है और यह निर्माण परियोजना के पूरे अवधि के दौरान, जो 10 वर्षों से अधिक है, जारी रहेगा।

स्रोत: Cameco

Westinghouse का मुख्य कार्यकर्ता AP1000 रिएक्टर डिजाइन है (6 संचालन में और 6 निर्माण में), जो कंपनी के CANDU मानक का उपयोग करता है, जो विश्व में सबसे सामान्य में से एक है।

It is also working on the AP300 small modular reactor, which is likely to be deployed स्लोवाकिया में, फ़िनलैंड में, and स्वीडन में, and the microreactor e-Vinci, illustrating the company’s continuous innovations and how it is keeping up with the industry’s latest trends.

स्रोत: Westinghouse

Westinghouse परमाणु आपूर्ति श्रृंखला के बड़े हिस्से में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। कड़े नियमों के कारण, ऐसे भाग और उपकरण किसी भी नए पावर प्लांट, पारम्परिक या SMR, के लिए आवश्यक होंगे।

समग्र रूप से, यदि यूरेनियम की आपूर्ति समस्या हल हो जाए और यूरेनियम की कीमतें गिर जाएँ, तो Westinghouse की स्वामित्व Cameco को कम से कम कई दशकों तक चल रहे परमाणु पुनरुत्थान से लाभ उठाने की अनुमति देगी।

Cameco कंपनी का बाकी हिस्सा एक यूरेनियम खनिक है, जो संभवतः चल रहे परमाणु ऊर्जा पुनरुत्थान से भी लाभान्वित होगा। इसके मुख्य खनन संपत्तियां कनाडा और कज़ाखस्तान में हैं।

ऐतिहासिक रूप से, यूरेनियम और परमाणु रिएक्टर कंपनियों को परमाणु आपदा के डर और परमाणु अपशिष्ट संबंधी चिंताओं से जूझना पड़ा है। जैसे-जैसे नए और सुरक्षित डिज़ाइन परिपक्व होते हैं, और जैसे ही परमाणु अपशिष्ट समस्या के बजाय एक मूल्यवान संसाधन बनते हैं, यह अब समस्या नहीं रहनी चाहिए।

इसके अलावा, अधिक लो-कार्बन पावर स्रोतों की दिशा में धक्का, जबकि नवीकरणीय ऊर्जा अभी भी अंतराल उत्पादन की समस्या को पूरी तरह हल नहीं कर पाई है, विशेष रूप से सर्दियों में, परमाणु ऊर्जा को एक शक्तिशाली वापसी करने में मदद करेगा।

Cameco पर नवीनतम

अध्ययन संदर्भ:

^{1. Ibrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao. (2025). ऑप्टिकल मैटेरियल। वॉल्यूम 25, फ़रवरी 2025, 100401 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010}