Energia
Batteria rivoluzionaria converte i rifiuti nucleari in energia a lunga durata
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Diversi modi di sfruttare l’energia nucleare
L’energia nucleare è spesso associata a grandi centrali, torri di raffreddamento e al rischio di incidenti gravi. Il settore sta però introducendo nuovi progetti, tra cui gli SMR (piccoli reattori modulari) e le centrali nucleari di quarta generazione (seguire i link per i relativi rapporti di investimento).
La maggior parte delle centrali a fissione attuali e proposte usa il calore della reazione per produrre vapore e azionare una turbina, pur con notevoli differenze di combustibile, refrigerante e progetto.
Un altro impiego del decadimento radioattivo sono i generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG), che convertono calore in elettricità e sono stati usati, di solito con plutonio-238, nelle missioni nello spazio profondo.
Esistono anche altri modi per sfruttare la radiazione. Le batterie betavoltaiche convertono l’energia delle particelle beta in corrente in una giunzione semiconduttrice; il processo non consiste semplicemente nel separare elettroni dai nuclei.
Ricercatori della Ohio State University e dell’Università di Toledo hanno testato un concetto radiovoltaico in due fasi: uno scintillatore assorbe radiazione ed emette luce, poi una cella solare converte la luce in elettricità. È un piccolo esperimento di laboratorio e non ha funzionato direttamente con combustibile nucleare esaurito.
Il gruppo ha pubblicato i risultati1 su Optical Materials con il titolo “Batterie fotovoltaiche nucleari basate su scintillatori per la generazione di potenza nell’ordine dei microwatt”.
Fissione e decadimento radioattivo
Fissione e decadimento radioattivo sono processi diversi. Nella fissione un nucleo pesante, come l’uranio-235, si divide liberando energia, neutroni e prodotti di fissione. Altri isotopi decadono spontaneamente ed emettono particelle alfa o beta, oppure raggi gamma, secondo l’isotopo e la catena di decadimento.
Fonte: Britannica
In condizioni adatte, i neutroni della fissione possono sostenere una reazione a catena controllata nel reattore, trasformando l’energia di fissione in calore e poi in elettricità.
Durante l’uso del combustibile nucleare si formano prodotti di fissione ed elementi più pesanti, mentre resta anche materiale non fissionato. Il combustibile esaurito è quindi una miscela complessa i cui componenti hanno radioattività, calore residuo ed emivite differenti.
Alcuni isotopi emettono inizialmente molto calore e radiazione; altri dominano i problemi di gestione dei rifiuti per periodi molto più lunghi.
Gestione del combustibile esaurito e dei rifiuti nucleari
Non tutto il materiale estratto da un reattore è inutilizzabile e i rifiuti nucleari non sono soltanto “nuovi elementi”. Alcuni cicli riprocessano uranio e plutonio, ma ciò aggiunge costi e requisiti di sicurezza e non proliferazione; prodotti di fissione e altri rifiuti devono comunque essere isolati.
Una possibilità è immobilizzare i rifiuti ad alta attività nel vetro, conservarli in contenitori e impianti progettati e infine destinarli a depositi geologici profondi. La sicurezza dipende da più barriere ingegneristiche e geologiche, monitoraggio e regolamentazione, non dal semplice seppellimento.
Alcuni cicli possono usare reattori veloci, autofertilizzanti o bruciatori per utilizzare materiale fissile e trasmutare parte degli attinidi. Questi sistemi non eliminano tutti i rifiuti né la necessità di stoccaggio e smaltimento.
La Francia ha gestito reattori veloci sperimentali e commerciali in passato. Tra i progetti moderni proposti, ma non ancora costruiti, figura il PRISM veloce raffreddato a sodio di GE Hitachi.
Un approccio diverso converte una parte dell’energia emessa da determinati radioisotopi in elettricità senza mantenere una reazione a catena. Il prototipo radiovoltaico studiato rientra in questa categoria.
Dalla radiazione alla luce e all’elettricità
Scelta dello scintillatore
I raggi gamma ad alta energia sono difficili da convertire direttamente in elettricità con buona efficienza e la dose accumulata può danneggiare i semiconduttori. Il risultato dipende da energia, dose, architettura del dispositivo e materiali di schermatura e conversione.
La conversione radiovoltaica è studiata da decenni, ma i prototipi hanno spesso mostrato bassa efficienza e degradazione dei materiali. Le percentuali ottenute in sistemi differenti non costituiscono un unico parametro applicabile direttamente a questo dispositivo.
Fonte: Optical Material
Il gruppo dell’Ohio ha usato uno scintillatore che emette luce quando riceve radiazione e ha diretto quella luce verso una cella fotovoltaica. La scelta del materiale ha richiesto di bilanciare diverse proprietà:
- Buon assorbimento della radiazione per catturare più energia e ridurre l’esposizione della cella solare.
- Uno spettro di emissione il più possibile compatibile con la risposta della cella.
- Resistenza al danno da radiazione e stabilità dell’emissione luminosa.
- Geometria e spessore capaci di catturare radiazione senza riassorbire troppa luce.
La scelta finale è stata un granato di gadolinio, alluminio e gallio ad alta resa luminosa drogato con cerio (GAGG:Ce-HL; Gd3Al2Ga3O12).
Fonte: Optical Material
Prova di generazione elettrica
I ricercatori hanno usato una cella solare policristallina a film sottile in tellururo di cadmio (CdTe), con contatti in oro e indio. È stata scelta per la maggiore tolleranza alla radiazione rispetto a molte celle al silicio, con riferimenti fino a 3 megaray (MGy) in condizioni specifiche.
Fonte: Optical Material
Per testare il concetto hanno esposto il dispositivo a sorgenti di cesio-137 e cobalto-60 in irradiatori da laboratorio. Erano sorgenti di prova controllate, non un campione reale di rifiuti di reattore.
Fonte: Optical Material
L’esperimento ha mostrato che forma e dimensioni del cristallo scintillatore influenzano molto la radiazione catturata e il trasferimento di luce alla cella, quindi la potenza ottenuta.
Un volume maggiore ha aiutato a catturare più radiazione nella geometria testata, ma aumentare le dimensioni non garantisce più efficienza: contano anche perdite ottiche e accoppiamento tra scintillatore e cella.
Fonte: Optical Material
La potenza massima riportata è stata di circa 1,5 microwatt con un elevato rateo di dose di 10 kilorad l’ora usando cobalto-60; il prototipo aveva un volume di circa 4 centimetri cubi. È una prova di concetto a bassissima potenza, non una batteria per elettronica di consumo.
«Sono risultati decisivi in termini di potenza prodotta. Questo processo in due fasi è ancora preliminare, ma il prossimo passo consiste nel generare più watt con strutture su scala maggiore».
Applicazioni e limiti
Una sorgente radioattiva longeva può consentire un funzionamento prolungato, ma il dispositivo non opererebbe “per sempre”. La durata dipende dall’emivita dell’isotopo, dal degrado di scintillatore e cella, dall’elettronica, dall’incapsulamento e dall’ambiente. Lo studio non ha dimostrato decenni di vita per l’intero sistema.
Poiché il prototipo è sperimentale e produce microwatt, è molto lontano dall’alimentare smartphone. L’uso di isotopi richiede inoltre schermatura, licenze, catena di approvvigionamento e gestione sicura a fine vita.
In futuro la tecnologia potrebbe alimentare sensori a basso consumo in luoghi difficili da raggiungere, come impianti nucleari o ambienti sottomarini e spaziali. La fattibilità dipenderà da peso, schermatura, affidabilità e costo rispetto a batterie betavoltaiche e RTG.
Lo studio non ha fornito un calendario commerciale affidabile. Occorre prima aumentare la potenza, misurare efficienza, durata e danno da radiazione, sviluppare una produzione ripetibile e soddisfare requisiti di sicurezza e regolamentazione.
«Portare questa tecnologia su scala più ampia sarebbe costoso se le batterie non potessero essere prodotte in modo affidabile. Servono altre ricerche per valutarne utilità e limiti, compresa la durata dopo un impiego sicuro».
Se la tecnologia dimostrerà la propria validità, alcuni isotopi adatti potrebbero alimentare sensori ed elettronica specializzata. Dispositivi piccoli userebbero però solo una frazione minuscola delle scorte di combustibile esaurito e rifiuti ad alta attività.
Le batterie radiovoltaiche non risolverebbero quindi da sole il problema dei rifiuti nucleari. Possono richiedere separazione, fabbricazione, schermatura e trasporto e lascerebbero infine una sorgente radioattiva da gestire in sicurezza.
«Il concetto di batteria nucleare è molto promettente. C’è ancora ampio margine di miglioramento, ma credo che in futuro questo approccio troverà un ruolo importante nella produzione di energia e nel settore dei sensori».
Un’azienda legata al settore nucleare
Cameco e Westinghouse Electric Company
CCJ Grafico dei prezzi
Cameco e Brookfield hanno annunciato nel 2022 l’acquisizione di Westinghouse. L’operazione si è poi conclusa con il 49% a Cameco e il 51% al consorzio guidato da Brookfield. L’investimento espone Cameco a combustibile, servizi e progetti di reattori, ma anche a rischi di esecuzione, finanziamento e cicli lunghi.
Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ) gestisce asset rinnovabili e di transizione, mentre Brookfield Corporation (BN ) opera globalmente nella gestione patrimoniale. I valori cambiano e le dimensioni del gruppo non garantiscono il finanziamento di ogni progetto nucleare.
La proprietà condivisa può ampliare l’accesso di Westinghouse a capitali e partner, ma i progetti nucleari richiedono anni di sviluppo, licenze e costruzione e possono subire ritardi, extracosti o cancellazioni.
Westinghouse ricava entrate da ingegneria, componenti, combustibile e servizi in fasi diverse; non esiste un sesto anno fisso in cui ogni reattore inizia a produrre ricavi. Tempi e durata dipendono da contratto, progetto, paese e stato dei lavori.
Fonte: Cameco
L’AP1000, un reattore ad acqua pressurizzata, è il principale grande progetto di Westinghouse e ha unità operative e in costruzione. Non usa uno “standard CANDU”: CANDU è un diverso progetto ad acqua pesante, anche se Westinghouse offre prodotti e servizi agli operatori CANDU.
Westinghouse sviluppa anche il piccolo reattore modulare AP300 e ha firmato accordi o studi su AP1000 e AP300 in Slovacchia, Finlandia e Svezia. Ciò non garantisce l’installazione. Lavora inoltre al microreattore eVinci, ancora in sviluppo e licenza.
Fonte: Westinghouse
Westinghouse fornisce combustibile, componenti, servizi e ingegneria a una parte ampia della filiera nucleare. Esperienza normativa e barriere di certificazione possono essere vantaggi, ma non assicurano ogni nuovo progetto.
La partecipazione in Westinghouse può diversificare Cameco oltre il prezzo dell’uranio. Il rendimento dipende però da domanda, margini, esecuzione, finanziamento e norme; non si possono presumere benefici per decenni indipendentemente dal mercato.
Estrazione e lavorazione dell’uranio restano centrali per Cameco, con asset principali in Canada e partecipazioni in Kazakistan. Una domanda maggiore può aiutarla, ma restano rischi di prezzo, operativi, politici e di approvvigionamento.
Le aziende di uranio e reattori sono state condizionate da incidenti, costi, norme e gestione dei rifiuti. Progetti più recenti possono migliorare fiducia ed economia, ma non eliminano tali rischi; il prototipo radiovoltaico è lontano dal cambiare questo quadro.
La domanda di elettricità a basse emissioni può sostenere il nucleare accanto a rinnovabili, reti e accumulo più flessibili. Ogni investimento dipende però da costi, tempi, prezzi e politiche; il bisogno di energia continua non garantisce una rinascita uniforme.
Ultime notizie su Cameco
Riferimento allo studio:
1. Ibrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao. (2025). Optical Materials. Volume 25, febbraio 2025, 100401. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010
