Energie

Revolutionaire batterij zet nucleair afval om in langdurige energie

mm
Gepubliceerd op
Bijgewerkt op
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Toelichting: Securities.io kan een vergoeding ontvangen wanneer u links naar beoordeelde producten gebruikt. Dit beïnvloedt onze redactionele beoordelingen niet. Wij zijn geen geregistreerd beleggingsadviseur; dit is geen beleggingsadvies. Lees onze affiliateverklaring.

Veel manieren om atomen te splitsen

Nucleaire energie wordt vaak geassocieerd met enorme energiecentrales, gigantische koeltorens en de angst voor een nucleaire ramp. Dit verandert geleidelijk dankzij de opkomst van SMR’s (kleine modulaire reactoren) en 4e generatie kerncentrales (volg de links voor gedetailleerde investeringsrapporten over beide).

Zowel conventionele als nieuwere kerncentrales baseren zich op hetzelfde concept: nucleaire energie gebruiken om water op te warmen tot stoom en die stoom gebruiken om elektriciteit op te wekken via turbines.

Een andere manier om de warmte van nucleaire reacties te benutten is via radio‑isotoop thermische generatoren (RTG), meestal werkend op plutonium en gebruikt voor missies in de diepe ruimte.

Er zijn echter ook andere manieren om nucleaire energie te benutten. Een daarvan zijn betavoltaïsche batterijen, die bètastraling gebruiken om direct een stroom te genereren door elektronen van atoomkernen te scheiden in een halfgeleiderabsorber.

Nu is er een nieuw concept ontwikkeld door onderzoekers van de Ohio State University en de University of Toledo (VS) om energie uit nucleaire reacties te genereren. Het zet straling om in licht, dat vervolgens wordt omgezet in stroom door een zonnecel, een proces dat radiovoltaïcs wordt genoemd.

Ze publiceerden hun resultaten1 in Optical Materials, onder de titel “Scintillator based nuclear photovoltaic batteries for power generation at microwatts level”.

Benutting van nucleaire energie

Wanneer radioactieve atomen worden gesplitst, gebeuren er tegelijk een aantal dingen. De oorspronkelijke atomen splijten en zenden enkele van hun componenten uit, in de vorm van neutronen en/of alfa‑ en bètadeeltjes, waarbij de exacte reactie afhangt van het gebruikte radioactieve element.

Dit kan worden gebruikt om onder de juiste omstandigheden een kettingreactie te creëren, waardoor de energieopbrengst van uranium in kerncentrales sterk toeneemt.

Een andere mogelijkheid is dat sommige isotopen van bepaalde elementen spontaan in de loop van de tijd uiteenvallen. Terwijl de oorspronkelijke uraniumatomen in kernbrandstof uiteenvallen, transformeren ze in nieuwe elementen, waardoor een complexe mix van nieuwe elementen ontstaat, waarvan vele sterk radioactief zijn.

Dit betekent dat deze nieuwe elementen veel vaker spontaan uiteenvallen en per seconde veel energie uitstralen.

Recycling van nucleair afval

De nieuwe elementen die in kernreactoren worden gecreëerd, worden meestal nucleair afval genoemd, omdat ze niet eenvoudig in traditionele reactoren kunnen worden gebruikt om meer energie op te wekken. Hun hogere spontane radioactiviteit is ook een probleem, omdat ze daardoor eeuwen of millennia zeer giftig zijn.

Een manier om het probleem aan te pakken is het vitrificeren (omzetten in glas) en begraven van het nucleaire afval, in de hoop dat dit voldoende is om het de komende 10.000 jaar niemand te laten schaden.

Een andere optie is om een deel van dit afval te hergebruiken in speciale reactoren die fast reactors, breeder‑ of burner‑reactoren worden genoemd.

Dergelijke reactoren werkten in Frankrijk in de jaren 70‑90. Moderne versies van fast breeder‑reactoren omvatten bijvoorbeeld de ontworpen maar niet gebouwde PRISM van GE‑Hitachi.

Een andere optie is om de natuurlijke hoog‑energiaproductie van deze elementen te gebruiken en ze om te zetten in stroom zonder speciale reactoren.

Straling omzetten in licht en energie

Het juiste scintillatiemateriaal vinden

Gammastraling die door sterk radioactieve elementen wordt uitgezonden, is moeilijk direct om te zetten in elektriciteit omdat ze zo krachtig is dat ze het halfgeleidermateriaal dat voor stroomopwekking zou kunnen worden gebruikt, kan beschadigen.

Hoewel het concept sinds de jaren 50 is getest, zijn de opbrengsten extreem laag geweest, variërend van 0,4 % tot 4,5 %, met bijkomende problemen rond de duurzaamheid van het systeem.

Wat de onderzoekers uit Ohio veranderden, is het gebruik van een scintillator die licht uitgeeft wanneer hij wordt blootgesteld aan straling. Dit vergde veel inspanning om het juiste scintillatiemateriaal te vinden, omdat het in de juiste balans moest passen bij alle eisen:

  • Sterke absorber van straling, zowel om de opbrengst te verhogen als de zonnecel te beschermen.
  • Het uitgezonden licht moest de juiste golflengte hebben die overeenkomt met de absorptie van de zonnecel.
  • Weerstand tegen schade in de loop van de tijd, waardoor de lichtproductie constant blijft.
  • Dik genoeg om straling te absorberen, maar dun en transparant genoeg om niet te veel van het uitgezonden licht te absorberen.

Uiteindelijk kozen ze voor Cerium‑gedoopte Gadolinium‑aluminium‑gallium‑garnet met hoge lichtopbrengst (GAGG:Ce‑HL – Gd3Al2Ga3O12).

Energie produceren uit straling

De gekozen zonnecel was een dunne film polycristallijn CdTe, met goud‑ en indiumcontacten. De belangrijkste reden voor deze keuze was de hoge stralingsbestendigheid in vergelijking met op silicium gebaseerde zonnecellen, tot 3 MGy (Megagray).

Om het concept te testen, gebruikten de onderzoekers bestraling van Cesium‑137 en Kobalt‑60, geproduceerd door tafel‑irradiatoren.

Een verrassende bevinding van de experimentele test was dat de vorm en grootte van het kristal dat als scintillator werd gebruikt, de efficiëntie van het proces sterk kon beïnvloeden.

Over het algemeen is een groter volume gunstig, omdat het meer straling kan opvangen en meer energie in licht kan omzetten.

Het resulterende vermogen bereikte tot 1,5 μW bij een stralingsdosis van 10 kRad/h (met kobalt), ondanks de zeer kleine omvang van het prototype, slechts 4 cm³.

“Dit zijn baanbrekende resultaten wat betreft vermogensoutput. Dit twee‑stappenproces bevindt zich nog in de beginfase, maar de volgende stap omvat het genereren van meer watt met opgeschaalde constructies.”

Ibrahim Oksuz – onderzoeksassistent in werktuigbouw- en lucht- en ruimtevaarttechniek aan Ohio State.

Toepassingen

Batterijen van dit type zouden theoretisch voor altijd kunnen blijven werken zonder onderhoud of tussenkomst. In de praktijk zou ze waarschijnlijk net zo lang meegaan als de zonnecel, terwijl de rest van het systeem waarschijnlijk nog vele decennia zonder tussenkomst kan functioneren.

Omdat het nog een experimenteel systeem is en actieve isotopen niet in grote hoeveelheden worden geproduceerd, is het onwaarschijnlijk dat het binnenkort onze smartphones van stroom zal voorzien.

Het zou echter kunnen worden gebruikt om energiebronnen te creëren voor sensoren en apparatuur in omgevingen waar minimale menselijke tussenkomst wenselijk of zelfs onmogelijk is. Bijvoorbeeld in faciliteiten in de diepe ruimte, onder de zee, of in kernreactoren.

Waarschijnlijk zal het minstens nog 5 jaar duren voordat er een praktische toepassing is, en nog enkele jaren voordat de technologie breder kan worden toegepast.

“Het opschalen van deze technologie zou kostbaar zijn tenzij deze batterijen betrouwbaar kunnen worden geproduceerd. Verder onderzoek is nodig om de bruikbaarheid en beperkingen van de batterijen te beoordelen, inclusief hoe lang ze veilig geïmplementeerd kunnen meegaan.”

Het zou ook de perceptie van nucleair “afval” radicaal veranderen. Van een ongelukkig bijproduct van kernreactoren zouden ze een zeer waardevolle energiebron kunnen worden voor geavanceerde sensoren en elektronica in kritieke toepassingen.

En natuurlijk zou het recyclen van nucleair afval tot energiebronnen het probleem van het omgaan met nucleair afval in de eerste plaats oplossen.

“Het concept van een nucleaire batterij is zeer veelbelovend. Er is nog veel ruimte voor verbetering, maar ik geloof dat deze aanpak in de toekomst een belangrijke plaats zal innemen in zowel de energieproductie als de sensorenindustrie.”

Nucleair bedrijf

Cameco – Westinghouse Electric Company

CCJ Prijsgrafiek

Cameco besloot 49 % controle over Westinghouse, de toonaangevende bouwer van kerncentrales in de VS, samen met een gigantisch investeringsbedrijf, Brookfield (51 % controle).

Het bedrijf heeft een enorme divisie voor hernieuwbare/laag‑koolstof energieopwekking in de vorm van $19 B Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ). Brookfield Corporation (BN ) als geheel is een gigantisch vermogensbeheerbedrijf met bijna een biljoen dollar onder beheer.

Dit betekent dat Westinghouse nu toegang krijgt tot een zeer diepe kapitaalpool, iets dat vaak een probleem is voor bouwers van kernreactoren, aangezien nieuwe projecten jaren van investeringen vereisen voordat ze inkomsten genereren.

Hoewel het langer duurt om omzet te genereren, zodra een nieuwe reactor in aanbouw is, genereert deze vanaf het 6e jaar na ontwerp‑ en engineeringstudies inkomsten voor Westinghouse en zal dit gedurende de volledige bouwperiode van meer dan 10 jaar blijven.

 

Bron: Cameco

Het werkpaard van Westinghouse is het beproefde AP1000‑reactordesign (6 in werking en 6 in aanbouw), met gebruik van de CANDU‑standaard van het bedrijf, een van de meest voorkomende ter wereld.

Het werkt ook aan de AP300‑kleine modulaire reactor, die waarschijnlijk zal worden ingezet in Slowakije, Finland en Zweden, en de microreactor e‑Vinci, wat de voortdurende innovaties van het bedrijf en de aansluiting bij de nieuwste trends in de industrie illustreert.

Westinghouse speelt een cruciale rol in een groot deel van de nucleaire toeleveringsketen. Door strenge regelgeving zullen dergelijke onderdelen en apparatuur vereist zijn voor elke nieuwe energiecentrale, zowel traditioneel als SMR.

Al met al, zelfs als het leveringsprobleem rond uranium wordt opgelost en de uraniummarkten kelderen, zou het eigendom van Westinghouse Cameco in staat moeten stellen om minstens enkele decennia te profiteren van de aanhoudende nucleaire renaissance.

De rest van het Cameco‑bedrijf is een uraniummijnwerker, die waarschijnlijk ook zal profiteren van de aanhoudende renaissance van nucleaire energie. De belangrijkste mijnactiva bevinden zich in Canada en Kazachstan.

Historisch gezien hebben uranium‑ en kernreactorbedrijven geleden onder de angst voor nucleaire rampen en zorgen over nucleair afval. Naarmate nieuwere en veiligere ontwerpen volwassen worden en nucleair afval een waardevolle hulpbron in plaats van een probleem wordt, zou dit geen probleem meer moeten zijn.

Bovendien zal de drang naar meer koolstofarme energiebronnen, terwijl hernieuwbare energiebronnen nog niet volledig het probleem van intermitterende productie, vooral in de winter, oplossen, de nucleaire energie helpen een krachtige comeback te maken.

Laatste over Cameco

Studieverwijzing:

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

mm

Jonathan is een voormalig biochemisch onderzoeker die werkzaam was in genetische analyse en klinische proeven. Hij is nu een aandelenanalist en financieel schrijver met een focus op innovatie, marktcycli en geopolitiek in zijn publicatie 'The Eurasian Century'.