Batteria nucleare sicura e compatta potrebbe rivoluzionare l’accumulo di energia

Energia nucleare in tutto?

Quando la produzione di energia nucleare divenne una tecnologia concretamente utilizzabile, nacque la speranza che l’energia fino ad allora impiegata soltanto per creare bombe capaci di distruggere il mondo potesse anche salvare la stessa civiltà dall’esaurimento delle risorse.

Con la crescente preoccupazione per il cambiamento climatico, l’energia nucleare sta vivendo una rinascita: è una fonte disponibile, scalabile e a basse emissioni di carbonio, capace di colmare il divario finché rinnovabili e batterie non saranno pronte a sostituire i combustibili fossili. Stanno inoltre arrivando nuovi progetti di centrali nucleari in grado di rendere la tecnologia più economica, sicura e flessibile, come spiegato in «Aggiornamento sugli SMR (Small Modular Reactor) – Ancora il futuro dell’energia nucleare» e «La quarta generazione dell’energia nucleare: più economica, più pulita, più sicura».

Tuttavia, queste grandi centrali non corrispondono al modo in cui gli scrittori di fantascienza immaginavano inizialmente l’energia nucleare. Pensatori come Isaac Asimov erano molto più ambiziosi e concepivano generatori nucleari miniaturizzati, adatti a treni, automobili e dispositivi ancora più piccoli, rendendo sostanzialmente superflui la ricarica o il rifornimento.

Un passo in questa direzione è la presentazione di batterie nucleari abbastanza piccole da alimentare in sicurezza dispositivi elettronici di dimensioni ridotte.

La ricerca è stata presentata alla riunione primaverile dell’American Chemical Society (ACS) da Su-Il In, professore presso il Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology in Corea del Sud, con il titolo «Batteria di prossima generazione: cella betavoltaica C14 sensibilizzata con colorante, altamente efficiente e stabile».

Fonte: Asia Research News

La limitazione delle batterie

Oggi la capacità della maggior parte dei dispositivi elettronici è limitata dalla batteria, solitamente basata sulla tecnologia agli ioni di litio. Ciò vale per smartphone, droni, sensori e molti altri dispositivi.

Inoltre, l’estrazione del litio è un processo dannoso per l’ambiente e il litio potrebbe diventare una sostanza inquinante in futuro.

Da tempo gli scienziati considerano quindi l’impiego del decadimento radioattivo, un processo che dura centinaia o persino decine di migliaia di anni, come un’alternativa migliore che eliminerebbe del tutto la necessità di ricaricare i dispositivi.

Poiché tali dispositivi sarebbero radioattivi, dovrebbero però rispettare i più rigorosi standard di sicurezza.

Beta-radioattività

Esistono molte forme diverse di radioattività. Tra queste, il decadimento gamma è il più pericoloso, perché emette raggi gamma molto potenti che possono causare tumori e altri danni.

Fonte: Compound Chem

I decadimenti alfa e beta sono molto meno pericolosi e le loro emissioni radioattive possono essere bloccate da un sottile strato di alluminio o perfino da un foglio di carta.

Fonte: Western Oregon University

Scegliere l’isotopo giusto

Il tipo di attività radioattiva dipende dall’elemento e dai suoi isotopi, quindi alcune fonti di energia sono molto più sicure di altre. Per questo motivo, materiali come l’uranio non sarebbero adatti alle piccole batterie nucleari.

Il carbonio-14, isotopo naturale del carbonio spesso utilizzato nelle tecniche di datazione, sarebbe invece una buona soluzione.

Un ulteriore vantaggio è che il carbonio-14 viene già prodotto dall’attuale parco di centrali nucleari, risultando economico, facilmente disponibile e semplice da riciclare. Infine,

«Ho deciso di utilizzare un isotopo radioattivo del carbonio perché genera soltanto raggi beta. Inoltre, poiché il radiocarbonio decade molto lentamente, una batteria alimentata a radiocarbonio potrebbe teoricamente durare millenni.»

Prof. Su-Il In – Professore presso il Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology

Tecnologia betavoltaica

Sfruttare il decadimento beta per produrre energia non è un concetto del tutto nuovo ed è noto come tecnologia betavoltaica, nella quale una particella beta sostituisce i fotoni impiegati nel fotovoltaico tradizionale.

Nel betavoltaico, un elettrone anziché un fotone colpisce un semiconduttore, producendo elettricità.

Il materiale semiconduttore è l’elemento fondamentale, perché la sua efficienza determina il rendimento complessivo della conversione energetica. Finora i semiconduttori betavoltaici hanno mostrato un’efficienza molto bassa oppure si sono rivelati troppo fragili per durare quanto il combustibile nucleare.

Semiconduttore a biossido di titanio

Il professor In e il suo team hanno utilizzato biossido di titanio, un materiale comune nelle celle solari, aggiungendo un colorante a base di rutenio. Per rendere sufficientemente solido il legame tra colorante e semiconduttore hanno impiegato un trattamento con acido citrico.

Quando viene colpito da una particella beta, cioè un elettrone ad alta energia, il colorante al rutenio crea una cascata di reazioni di trasferimento elettronico chiamata valanga di elettroni. Il biossido di titanio raccoglie quindi gli elettroni generati e li trasforma in elettricità utilizzabile.

Trattare entrambi gli elettrodi

I ricercatori hanno scoperto che l’efficienza del processo può aumentare radicalmente applicando il colorante al rutenio sia sul catodo sia sull’anodo della batteria nucleare.

Rispetto a un precedente progetto con radiocarbonio soltanto sul catodo, l’efficienza di conversione energetica è aumentata notevolmente, passando dallo 0,48% al 2,86%.

Applicazioni

Poiché almeno inizialmente il sistema sarà probabilmente più costoso di una batteria tradizionale, le prime applicazioni saranno quelle in cui evitare la sostituzione o la ricarica della fonte di energia offre il maggiore vantaggio.

Per esempio, pacemaker e altri impianti medici potrebbero essere alimentati per tutta la loro vita utile da queste batterie betavoltaiche.

Anche i sensori utilizzati in ambienti sensibili o ostili, come reattori nucleari, fabbriche, fondali oceanici o spazio profondo, potrebbero trarre grandi vantaggi da questo concetto.

Miglioramenti futuri

Questa tecnologia e il notevole aumento dell’efficienza si affiancano ad altre ricerche che cercano di utilizzare il decadimento radioattivo per produrre energia senza un reattore nucleare. Per esempio, abbiamo recentemente esaminato l’idea di usare i rifiuti nucleari per produrre un altro tipo di batteria nucleare.

Secondo il professor In, ulteriori sforzi per ottimizzare la forma dell’emettitore di raggi beta e sviluppare assorbitori più efficienti potrebbero migliorare le prestazioni della batteria e aumentare la produzione di energia.

Nel complesso, questa tecnologia continuerà probabilmente a migliorare con il progredire delle nostre conoscenze sui semiconduttori e sui metalli rari.

Investire nel nucleare

Cameco – Westinghouse Electric Company

Nel 2022, Cameco ha deciso di acquisire il 49% di Westinghouse, il principale costruttore di centrali nucleari negli Stati Uniti, insieme al colosso degli investimenti Brookfield, che ne controlla il 51%.

La società dispone di una vastissima divisione per la produzione di energia rinnovabile e a basse emissioni attraverso Brookfield Renewable Partners , valutata 19 miliardi di dollari (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ). Nel complesso, Brookfield Corporation (BN ) è un colosso della gestione patrimoniale con quasi mille miliardi di dollari in gestione.

Ciò significa che Westinghouse potrà accedere a un bacino di capitali molto ampio, un aspetto spesso problematico per i costruttori di reattori nucleari, poiché i nuovi progetti richiedono anni di investimenti prima di generare ricavi.

Sebbene i ricavi richiedano più tempo per concretizzarsi, una volta avviata la costruzione un nuovo reattore genera ricavi per Westinghouse dal 6^° anno successivo agli studi di progettazione e ingegneria, continuando per l’intera durata del progetto, superiore a 10 anni.

Fonte: Cameco

Il prodotto di punta di Westinghouse è il collaudato reattore AP1000, con 6 unità operative e 6 in costruzione, oltre allo standard CANDU dell’azienda, tra i più diffusi al mondo.

L’azienda lavora anche al piccolo reattore modulare AP300, che probabilmente verrà installato in Slovacchia, Finlandia e Svezia, nonché al microreattore e-Vinci, a conferma della continua innovazione e dell’attenzione alle ultime tendenze del settore.

Fonte: Westinghouse

Westinghouse svolge un ruolo essenziale in gran parte della filiera nucleare. A causa delle rigide normative, questi componenti e apparecchiature saranno necessari per qualsiasi nuova centrale, tradizionale o SMR.

Nel complesso, anche se il problema dell’offerta di uranio venisse risolto e i prezzi crollassero, la partecipazione in Westinghouse dovrebbe consentire a Cameco di beneficiare della rinascita nucleare per almeno diversi decenni.

Il resto delle attività di Cameco riguarda l’estrazione di uranio e probabilmente beneficerà anch’esso della rinascita dell’energia nucleare. Le principali attività minerarie si trovano in Canada e Kazakistan.

Storicamente, le società attive nell’uranio e nei reattori nucleari hanno risentito del timore di disastri nucleari e delle preoccupazioni relative alle scorie.

Con la maturazione di progetti più nuovi e sicuri e la trasformazione delle scorie nucleari da problema a risorsa preziosa, queste preoccupazioni dovrebbero attenuarsi. Ciò include la produzione di carbonio-14 per applicazioni betavoltaiche, che potrebbe diventare un prodotto aggiuntivo delle centrali Westinghouse.

Inoltre, la spinta verso un maggior numero di fonti energetiche a basse emissioni, mentre le rinnovabili non hanno ancora risolto del tutto il problema della produzione intermittente, soprattutto in inverno, dovrebbe favorire un forte ritorno dell’energia nucleare.

(Se sei più interessato al potenziale della domanda degli elementi utilizzati in questo studio, puoi anche consultare il nostro rapporto sull’investimento in titanio)

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