エネルギー
安全でコンパクトな核バッテリーがエネルギー貯蔵を革命的に変える可能性
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すべてに核エネルギー？
原子力発電が実用化されたとき、それまで世界を滅ぼしかねない爆弾を作るためだけに使われてきたエネルギーが、同じ文明を資源の枯渇から救うこともできるという希望が生まれました。
気候変動への懸念が高まるなか、再生可能エネルギーと蓄電池が化石燃料を置き換えられるようになるまでの橋渡しとなる、利用可能で拡張性があり低炭素の電源として、原子力エネルギーは復興の兆しを見せています。さらに、「SMR（小型モジュール炉）の最新動向――なお原子力の未来なのか」と「第4世代原子力：より安く、よりクリーンに、より安全に」で解説したように、原子力をより安価、安全、柔軟にする新しい発電所設計も登場しています。
しかし、こうした大型発電所は、SF作家が当初思い描いた原子力の姿とは異なります。アイザック・アシモフのような先進的な思想家はさらに野心的で、列車や自動車、より小さな機器にも搭載でき、充電や燃料補給を事実上不要にする小型原子力発電機を構想していました。
その方向への一歩として、小型電子機器に安全に電力を供給できるほど小さな原子力電池が発表されました。
この研究は、韓国の大邱慶北科学技術院教授であるSu-Il In氏によって、米国化学会（ACS）の春季大会で「次世代電池：高効率で安定したC14色素増感型ベータボルタ電池」という題名で発表されました。
バッテリーの制限
現在の電子機器の多くは、一般にリチウムイオン技術を使うバッテリーによって容量が制限されています。これはスマートフォン、ドローン、センサーなどにも当てはまります。
さらに、リチウム採掘は環境を損なう工程であり、将来はリチウム自体が汚染物質になる可能性もあります。
そこで科学者たちは、数百年から数万年かけて進む放射性崩壊を利用し、機器を一切充電し直す必要のない方式を、より優れた代替案として長年検討してきました。
ただし、このような機器は放射性物質を含むため、最も厳格な安全基準を満たさなければなりません。
ベータ放射能
放射能にはさまざまな形態があります。そのうちガンマ崩壊は、がんなどの障害を引き起こす非常に強力なガンマ線を放出するため、最も危険です。
出典: Compound Chem
アルファ崩壊とベータ崩壊ははるかに危険性が低く、放射線は薄いアルミニウム層や紙だけでも遮蔽できます。
適切な同位体の選択
生じる放射性崩壊の種類は放射性元素とその同位体によって決まるため、電源としての安全性には大きな差があります。このため、ウランのような物質は小型原子力電池には適していません。
一方、炭素の天然同位体で年代測定によく使われる炭素14は、適した候補です。
炭素14は既存の原子力発電所でもすでに生成されているため、安価で入手しやすく、再利用も容易という利点があります。さらに、
「ベータ線しか発生させないため、炭素の放射性同位体を使うことにしました。放射性炭素は非常にゆっくり崩壊するため、それを動力源とする電池は理論上、数千年持続する可能性があります」
ベータボルタイック技術
ベータ崩壊を発電に利用する考え方はまったく新しいものではなく、従来の太陽電池で使われる光子の代わりにベータ粒子を用いる「ベータボルタ電池」として知られています。
ベータボルタ電池では、光子ではなく電子が半導体に衝突することで電気が生み出されます。
この半導体材料が重要な要素であり、その性能が全体のエネルギー変換効率を左右します。これまでのベータボルタ用半導体は効率が非常に低いか、核燃料と同じ期間は持続できないほど壊れやすいものでした。
二酸化チタン半導体
In教授のチームは、太陽電池で一般的に使われる二酸化チタンにルテニウム系色素を加えました。色素と半導体を十分に強く結合させるため、クエン酸処理を施しています。
ルテニウム色素にベータ粒子、つまり高エネルギーの電子が当たると、「電子なだれ」と呼ばれる電子移動反応の連鎖が起こります。二酸化チタンは生じた電子を集め、利用可能な電気へ変換します。
両電極の処理
研究チームは、原子力電池のカソードとアノードの両方にルテニウム色素を配置すると、工程の効率を大幅に高められることを発見しました。
放射性炭素をカソードだけに配置した従来設計と比べ、エネルギー変換効率は0.48％から2.86％へ大きく向上しました。
応用
このシステムは当面、通常の電池より高価になるとみられるため、電源の交換や再充電を不要にする価値が最も大きい用途から導入されるでしょう。
例えば、ペースメーカーなどの医療用インプラントは、このようなベータボルタ電池で耐用期間を通じて駆動できる可能性があります。
原子炉、工場、深海、深宇宙など、繊細または過酷な環境で使われるセンサーにも、この方式は大きな利点をもたらします。
さらなる改良
この技術と目覚ましい効率向上は、原子炉を使わずに放射性崩壊からエネルギーを得ようとする他の研究にも連なります。例えば、核廃棄物を利用して別種の原子力電池を作る構想を最近取り上げました。
In教授は、ベータ線放出源の形状を最適化し、より効率的なベータ線吸収材を開発することで、電池性能と発電量をさらに高められるとしています。
総じて、半導体と希少金属への理解が深まるにつれ、この技術は今後も改善していくと考えられます。
核エネルギーへの投資
Cameco – Westinghouse Electric Company
CCJ 価格チャート
2022年、Camecoは、米国有数の原子力発電所建設会社Westinghouseの持分49％を取得することを決定しました。投資大手Brookfieldが残る51％を保有しています。
同社は、190億ドル規模のBrookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP )を通じて、再生可能・低炭素電力の巨大部門を展開しています。Brookfield Corporation (BN )全体では、運用資産が約1兆ドルに達する大手資産運用会社です。
これによりWestinghouseは潤沢な資本を利用できます。新規計画は収益を生むまでに何年もの投資を要するため、資金調達は原子炉メーカーにとってしばしば課題となります。
収益化までには時間がかかりますが、新しい原子炉が建設段階に入ると、Westinghouseは設計・工学調査の開始から6年目以降に収益を得始め、10年以上に及ぶ建設期間を通じて収益を得られます。
出典: Cameco
Westinghouseの主力は、すでに6基が稼働し、6基が建設中の実績あるAP1000原子炉設計です。また、世界で最も普及している方式の一つである同社のCANDU規格も扱っています。
同社はAP300小型モジュール炉にも取り組んでおり、スロバキア、フィンランド、スウェーデンへの導入が見込まれています。さらにe-Vinciマイクロリアクターも開発しており、継続的な革新と業界の最新動向への対応を示しています。
出典: Westinghouse
Westinghouseは原子力サプライチェーンの多くの分野で重要な役割を担っています。規制が厳しいため、こうした部品や設備は、従来型でもSMRでも、あらゆる新設発電所に必要となります。
総合すると、ウランの供給問題が解消して価格が急落したとしても、Westinghouseの持分により、Camecoは進行中の原子力復興から少なくとも数十年は恩恵を受けられるでしょう。
Camecoのその他の事業はウラン採掘であり、こちらも原子力エネルギーの復興から恩恵を受けるとみられます。主要な鉱山資産はカナダとカザフスタンにあります。
歴史的に、ウラン企業と原子炉メーカーは、原子力災害への恐れや核廃棄物への懸念によって打撃を受けてきました。
より新しく安全な設計が成熟し、核廃棄物が問題ではなく価値ある資源になれば、こうした懸念は薄れていくはずです。ベータボルタ電池向けの炭素14もその一例で、Westinghouseの発電所にとって追加の生産物となる可能性があります。
さらに、特に冬季の出力変動という問題を再生可能エネルギーがまだ完全に解決できていないなか、低炭素電源を増やす動きは原子力の力強い復活を後押しするでしょう。
(この研究で使用された元素の需要ポテンシャルに興味がある場合は、チタン投資に関するレポートをご参照ください)
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