Baterai Revolusioner Mengubah Limbah Nuklir menjadi Daya Tahan Lama

Berbagai Cara Memanfaatkan Energi Nuklir

Tenaga nuklir sering dikaitkan dengan pembangkit besar, menara pendingin, dan risiko kecelakaan serius. Namun, sektor ini terus mengembangkan desain baru, termasuk reaktor modular kecil (SMR) dan pembangkit nuklir generasi keempat (ikuti tautan untuk laporan investasi terperinci tentang keduanya).

Sebagian besar pembangkit fisi saat ini maupun yang diusulkan memakai panas reaksi untuk menghasilkan uap dan menggerakkan turbin, meski bahan bakar, pendingin, dan desain reaktornya sangat beragam.

Pemanfaatan lain dari peluruhan radioaktif adalah generator termoelektrik radioisotop (RTG), yang mengubah panas menjadi listrik dan biasanya menggunakan plutonium-238 untuk misi antariksa jauh.

Radiasi juga dapat dimanfaatkan dengan cara lain. Baterai betavoltaik mengubah energi partikel beta menjadi arus dalam sambungan semikonduktor; prosesnya bukan sekadar memisahkan elektron dari inti atom.

Peneliti Ohio State University dan University of Toledo menguji konsep radiovoltaik dua tahap: sintilator menyerap radiasi dan memancarkan cahaya, lalu sel surya mengubah cahaya itu menjadi listrik. Ini adalah eksperimen laboratorium kecil yang tidak dijalankan langsung dengan bahan bakar nuklir bekas.

Tim menerbitkan hasilnya¹ di Optical Materials dengan judul “Baterai fotovoltaik nuklir berbasis sintilator untuk menghasilkan daya pada tingkat microwatt”.

Fisi dan Peluruhan Radioaktif

Fisi dan peluruhan radioaktif adalah proses berbeda. Dalam fisi, inti berat seperti uranium-235 terbelah dan melepaskan energi, neutron, serta produk fisi. Isotop lain meluruh secara spontan dan memancarkan partikel alfa atau beta, atau sinar gama, tergantung isotop dan rantai peluruhannya.

Sumber: Britannica

Dalam kondisi yang tepat, neutron dari fisi dapat mempertahankan reaksi berantai terkendali di reaktor, sehingga energi fisi diubah menjadi panas lalu listrik.

Selama bahan bakar nuklir digunakan, terbentuk produk fisi dan unsur yang lebih berat, sementara sebagian material tidak mengalami fisi. Bahan bakar bekas adalah campuran kompleks dengan radioaktivitas, panas sisa, dan waktu paruh yang berbeda.

Sebagian isotop mula-mula melepaskan banyak panas dan radiasi; isotop lain mendominasi tantangan pengelolaan limbah dalam jangka jauh lebih panjang.

Pengelolaan Bahan Bakar Bekas dan Limbah Nuklir

Tidak semua material yang dikeluarkan dari reaktor tidak berguna, dan limbah nuklir bukan sekadar “unsur baru”. Beberapa siklus memproses ulang uranium dan plutonium, tetapi hal ini menambah biaya serta persyaratan keamanan dan nonproliferasi; produk fisi dan limbah lain tetap harus diisolasi dengan aman.

Salah satu pilihan adalah mengikat limbah aktivitas tinggi dalam kaca, menyimpannya dalam wadah dan fasilitas yang dirancang khusus, lalu menempatkannya di repositori geologi dalam. Keselamatan bergantung pada beberapa penghalang teknis dan geologis, pemantauan, serta regulasi, bukan sekadar mengubur dan berharap.

Beberapa siklus bahan bakar dapat memakai reaktor cepat, pembiak, atau pembakar untuk memanfaatkan material fisil dan mentransmutasi sebagian aktinida. Sistem ini tidak menghapus semua limbah ataupun kebutuhan penyimpanan dan pembuangan akhir.

Prancis pernah mengoperasikan reaktor cepat eksperimental dan komersial. Salah satu desain modern yang diusulkan tetapi belum dibangun adalah PRISM berpendingin natrium dari GE Hitachi.

Pendekatan lain mengubah sebagian energi yang dipancarkan radioisotop tertentu menjadi listrik tanpa mempertahankan reaksi berantai. Prototipe radiovoltaik yang diteliti termasuk kategori ini.

Mengubah Radiasi Menjadi Cahaya dan Listrik

Memilih Sintilator yang Tepat

Sinar gama berenergi tinggi sulit diubah langsung menjadi listrik dengan efisiensi baik, dan dosis kumulatif dapat merusak semikonduktor. Hasilnya bergantung pada energi, dosis, arsitektur perangkat, serta material pelindung dan konversi.

Konversi radiovoltaik telah diteliti selama puluhan tahun, tetapi prototipe sering memiliki efisiensi rendah dan degradasi material. Persentase dari sistem berbeda bukan satu tolok ukur yang dapat langsung diterapkan pada perangkat ini.

Sumber: Optical Material

Tim Ohio memakai sintilator yang memancarkan cahaya saat menerima radiasi dan mengarahkan cahaya itu ke sel fotovoltaik. Pemilihan material harus menyeimbangkan beberapa sifat:

• Penyerapan radiasi yang baik untuk menangkap lebih banyak energi dan mengurangi paparan sel surya.
• Spektrum emisi yang sedapat mungkin cocok dengan respons sel surya.
• Ketahanan terhadap kerusakan radiasi dan kestabilan keluaran cahaya.
• Geometri dan ketebalan yang menangkap radiasi tanpa menyerap kembali terlalu banyak cahaya.

Pilihan akhirnya adalah garnet gadolinium aluminium galium berdaya cahaya tinggi yang didoping serium (GAGG:Ce-HL; Gd3Al2Ga3O12).

Sumber: Optical Material

Menguji Pembangkitan Listrik

Peneliti menggunakan sel surya film tipis polikristalin kadmium telurida (CdTe) dengan kontak emas dan indium. Material ini dipilih karena toleransi radiasinya lebih tinggi daripada banyak sel silikon, dengan rujukan hingga 3 megaray (MGy) dalam kondisi tertentu.

Sumber: Optical Material

Untuk menguji konsep, perangkat dipaparkan pada sumber sesium-137 dan kobalt-60 dalam iradiator laboratorium. Itu adalah sumber uji terkendali, bukan sampel nyata limbah reaktor.

Sumber: Optical Material

Eksperimen menunjukkan bahwa bentuk dan ukuran kristal sintilator sangat memengaruhi radiasi yang ditangkap dan perpindahan cahaya ke sel, sehingga memengaruhi daya keluaran.

Volume lebih besar membantu menangkap lebih banyak radiasi dalam geometri uji, tetapi ukuran saja tidak menjamin efisiensi lebih tinggi; rugi optik dan kopling antara sintilator dan sel juga penting.

Sumber: Optical Material

Daya maksimum yang dilaporkan sekitar 1,5 microwatt pada laju dosis tinggi 10 kilorad per jam dengan kobalt-60; volume prototipe sekitar 4 sentimeter kubik. Angka ini menggambarkan pembuktian konsep berdaya sangat rendah, bukan baterai untuk elektronik konsumen saat ini.

“Hasil keluaran dayanya merupakan terobosan. Proses dua tahap ini masih pada tahap awal, tetapi langkah berikutnya adalah menghasilkan daya yang lebih besar dengan memperbesar skala perangkat.”

Ibrahim Oksuz – peneliti bidang teknik mesin dan kedirgantaraan di Ohio State University.

Aplikasi dan Keterbatasan

Sumber radioaktif berumur panjang dapat memungkinkan operasi yang lama, tetapi perangkat tidak bekerja “selamanya”. Umurnya bergantung pada waktu paruh isotop, degradasi sintilator dan sel, elektronik, kemasan, serta lingkungan. Studi ini tidak membuktikan masa pakai puluhan tahun untuk sistem lengkap.

Karena prototipe masih eksperimental dan menghasilkan microwatt, teknologi ini sangat jauh dari menyalakan ponsel. Penggunaan isotop juga membutuhkan pelindung, lisensi, rantai pasok, dan pengelolaan aman pada akhir masa pakai.

Kelak teknologi ini mungkin memasok sensor berdaya rendah di lokasi sulit dijangkau, seperti fasilitas nuklir atau lingkungan bawah laut dan antariksa. Kelayakannya bergantung pada berat, pelindung, keandalan, dan biaya dibanding baterai betavoltaik dan RTG.

Studi ini tidak memberikan jadwal komersialisasi yang dapat diandalkan. Daya harus ditingkatkan, efisiensi, umur, dan kerusakan radiasi diukur, manufaktur berulang dikembangkan, serta persyaratan keselamatan dan regulasi dipenuhi.

“Memperbesar skala teknologi ini akan mahal jika baterainya tidak dapat diproduksi secara andal. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menilai kegunaan dan keterbatasannya, termasuk berapa lama baterai dapat bertahan setelah diterapkan dengan aman.”

Ibrahim Oksuz – peneliti bidang teknik mesin dan kedirgantaraan di Ohio State University.

Jika terbukti layak, isotop tertentu dapat menjadi sumber daya bagi sensor dan elektronik khusus. Namun, perangkat kecil hanya memakai sebagian amat kecil dari persediaan bahan bakar bekas dan limbah aktivitas tinggi.

Karena itu, baterai radiovoltaik tidak akan menyelesaikan masalah limbah nuklir sendirian. Teknologi ini mungkin memerlukan pemisahan, manufaktur, pelindung, dan transportasi, lalu tetap meninggalkan sumber radioaktif yang harus dikelola dengan aman.

“Konsep baterai nuklir sangat menjanjikan. Masih banyak ruang untuk perbaikan, tetapi saya yakin pendekatan ini kelak akan memiliki peran penting dalam produksi energi maupun industri sensor.”

Ibrahim Oksuz – peneliti bidang teknik mesin dan kedirgantaraan di Ohio State University.

Perusahaan yang Terkait dengan Sektor Nuklir

Cameco dan Westinghouse Electric Company

Cameco dan Brookfield mengumumkan pembelian Westinghouse pada 2022. Transaksi kemudian ditutup dengan 49% untuk Cameco dan 51% untuk konsorsium pimpinan Brookfield. Investasi ini memberi Cameco eksposur pada bahan bakar, layanan, dan desain reaktor, sekaligus risiko eksekusi, pendanaan, dan siklus proyek panjang.

Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ) mengelola aset energi terbarukan dan transisi, sementara Brookfield Corporation (BN ) beroperasi global dalam manajemen aset. Nilainya berubah dan skala grup tidak menjamin pendanaan setiap proyek nuklir.

Kepemilikan bersama dapat memperluas akses Westinghouse pada modal dan mitra, tetapi proyek nuklir membutuhkan pengembangan, perizinan, dan konstruksi selama bertahun-tahun. Proyek dapat terlambat, melampaui anggaran, atau dibatalkan sebelum menghasilkan pendapatan yang diharapkan.

Westinghouse memperoleh pendapatan dari rekayasa, komponen, bahan bakar, dan layanan pada tahap berbeda; tidak ada tahun keenam yang berlaku tetap untuk setiap reaktor. Waktu dan durasinya bergantung pada kontrak, desain, negara, dan status proyek.

Sumber: Cameco

AP1000, sebuah reaktor air bertekanan, adalah desain besar utama Westinghouse dan memiliki unit yang beroperasi serta dibangun. Desain ini tidak memakai “standar CANDU”: CANDU adalah desain air berat yang berbeda, walaupun Westinghouse menawarkan produk dan layanan bagi operator CANDU.

Westinghouse juga mengembangkan reaktor modular kecil AP300 dan menandatangani perjanjian atau studi mengenai AP1000 dan AP300 di Slowakia, Finlandia, dan Swedia. Langkah itu tidak menjamin pembangunan. Perusahaan juga mengembangkan mikroreaktor eVinci, yang masih memerlukan pengembangan dan perizinan.

Sumber: Westinghouse

Westinghouse memasok bahan bakar, komponen, layanan, dan rekayasa ke bagian luas rantai nuklir. Pengalaman regulasi dan hambatan sertifikasi dapat menjadi keunggulan, tetapi tidak menjamin semua proyek baru.

Kepemilikan Westinghouse dapat mendiversifikasi eksposur Cameco di luar harga uranium. Namun, imbal hasil bergantung pada permintaan, margin, eksekusi, pendanaan, dan regulasi; manfaat puluhan tahun tidak dapat diasumsikan tanpa memandang pasar dan proyek.

Penambangan dan pemrosesan uranium tetap menjadi bisnis inti Cameco, dengan aset utama di Kanada dan partisipasi di Kazakhstan. Permintaan lebih tinggi dapat membantu, tetapi risiko harga, operasi, politik, dan rantai pasok tetap ada.

Perusahaan uranium dan reaktor secara historis dipengaruhi kecelakaan, biaya, regulasi, dan pengelolaan limbah. Desain lebih baru dapat meningkatkan kepercayaan dan keekonomian, tetapi tidak menghapus risiko tersebut; prototipe radiovoltaik masih jauh dari mengubah keadaan ini.

Permintaan listrik rendah karbon dapat mendukung nuklir bersama energi terbarukan, jaringan, dan penyimpanan yang lebih fleksibel. Namun, setiap investasi bergantung pada biaya, jadwal, harga listrik, dan kebijakan; kebutuhan daya stabil tidak menjamin kebangkitan yang seragam di semua pasar.

Berita Terbaru tentang Cameco

Referensi Studi:

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