Sikker, kompakt nukleær batteri kan revolusjonere energilagring

Kjerneenergi i alt?

Da kjernekraftproduksjon ble en praktisk teknologi, ga den håp om at energien som hittil bare hadde blitt brukt til å lage verdensødeleggende bomber, også kunne redde den samme sivilisasjonen fra ressursutarming.

Ettersom klimaendringene blir en økende bekymring, kjernekraft gjennomgår en renessanse, da den er en tilgjengelig, skalerbar og lavkarbon energikilde som kan bygge bro til den tiden fornybare energikilder og batterier er klare til å erstatte fossile brensler. Nye design av kjernekraftverk er på vei som kan gjøre den billigere, tryggere og mer fleksibel, som vi forklarte i “Oppdatering om SMR‑er (Small Modular Reactor) – Fortsatt fremtiden for kjernekraft” og “Den fjerde generasjonen av kjernekraft: Billigere, renere, tryggere”.

Imidlertid er disse store kraftverkene ikke slik science‑fiction‑forfattere opprinnelig forestilte seg kjernekraft. Ledende tenkere som Isaac Asimov var mye mer ambisiøse, og forestilte seg miniaturerte kjernekraftgeneratorer som kunne passe inn i tog, biler og enda mindre enheter, noe som gjør ideen om å lade eller fylle dem opp i praksis overflødig.

Et skritt i en slik retning tas med presentasjonen av nukleære batterier som er små nok til å drive små elektroniske enheter. Og de vil gjøre det på en sikker måte.

Dette forskningsarbeidet ble presentert på vårmøtet til American Chemical Society (ACS) av Su‑Il In, professor ved Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (Sør‑Korea), under tittelen “Neste generasjons batteri: Svært effektiv og stabil C14‑fargesensitiv betavoltisk celle”.

Kilde: Asia Research News

Batteribegrensning

De fleste elektroniske enheter i dag er begrenset i kapasitet av batteriet, som vanligvis bruker litium‑ion‑teknologi. Dette gjelder smarttelefoner, droner, sensorer osv.

I tillegg er utvinning av litium en miljøskadelig prosess, og litium kan bli et forurensningsmiddel i fremtiden.

Derfor har forskere lenge vurdert alternativet med å bruke radioaktivt forfall, en prosess som tar hundre eller til og med titusenvis av år, som et bedre alternativ som ikke krever noen etterfylling av enheter.

Imidlertid, siden slike enheter ville være radioaktive, må de strengeste sikkerhetsstandardene oppfylles.

Beta‑radioaktivitet

Det finnes mange ulike former for radioaktivitet. Av disse er gammastråling den farligste, da den sender ut svært kraftige gammastråler som kan forårsake kreft og annen skade.

Kilde: Compound Chem

Alfa‑ og betafordampning er mye mindre farlige, og de radioaktive utslippene kan stoppes med et tynt lag aluminium eller til og med bare papir.

Kilde: Western Oregon University

Velge riktig isotop

Hvilken radioaktiv aktivitet som forekommer avhenger av det radioaktive elementet og dets isotoper, så noen energikilder er mye tryggere enn andre. Av denne grunn vil materialer som uran ikke være en god match for små nukleære batterier.

Imidlertid vil karbon‑14, en naturlig forekommende isotop av karbon, ofte brukt i dateringsteknikker, være en god match.

Et ekstra fordel er at karbon‑14 allerede produseres av den eksisterende flåten av kjernekraftverk, noe som gjør den billig, lett tilgjengelig og enkel å resirkulere. Til slutt,

«Jeg bestemte meg for å bruke en radioaktiv isotop av karbon fordi den kun genererer betastråler. Og fordi radiokarbon brytes ned svært sakte, kunne et radiokarbon‑drevet batteri teoretisk sett vare i årtusener.»

Prof. Su‑Il In – professor ved Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology

Betavoltisk teknologi

Utnyttelse av betafordampning for kraftproduksjon er ikke et helt nytt konsept og er kjent som betavoltisk, med en betapartikkel som erstatter fotoner brukt i klassisk fotovoltaikk.

I betavoltisk treffer et elektron i stedet for et foton et halvledermateriale, noe som resulterer i produksjon av elektrisitet.

Dette halvledermaterialet er den viktigste delen, da hvor effektivt det er vil bestemme den samlede energikonverteringsgraden. Så langt har betavoltiske halvledere vært svært ineffektive eller for skjøre til å vare like lenge som nukleært brensel.

Titaniumdioksid‑halvleder

Prof. In og teamet hans brukte et materiale som vanligvis brukes i solceller, titaniumdioksid, og tilførte et ruthenium‑basert fargestoff. For å gjøre bindingen mellom fargestoffet og halvlederen solid nok, brukte de en sitronsyrebehandling.

Ruthenium‑fargestoffet, når det treffes av en betapartikkel (et kraftig elektron), skaper en kaskade av elektronoverføringsreaksjoner, kalt en elektron‑avalanche. Titaniumdioksidet samler deretter de genererte elektronene og omdanner dem til brukbar elektrisitet.

Behandle begge elektroder

Forskerne oppdaget at man kunne øke prosessens effektivitet radikalt ved å påføre ruthenium‑fargestoffet på både katoden og anoden i det nukleære batteriet.

Sammenlignet med en tidligere design med radiokarbon kun på katoden, førte dette til en mye høyere energikonverteringsgrad, fra 0,48 % til 2,86 %.

Applikasjoner

Fordi dette systemet sannsynligvis for nå er dyrere enn et vanlig batteri, vil det finne sine første anvendelser der det å erstatte eller lade opp strømkilden er mest nyttig.

For eksempel kan pacemakere og andre medisinske implantater drives i en levetid med slike betavoltiske batterier.

Sensorer i følsomme eller fiendtlige miljøer, som kjernekraftverk, fabrikker, dypet havet eller dyprommet, kan også ha stor nytte av dette konseptet.

Videre forbedring

Denne teknologien og den imponerende økningen i effektivitet slutter seg til annen forskning som ser på å utnytte radioaktivt forfall for energiproduksjon uten et kjernekraftverk. For eksempel diskuterte vi nylig ideen om å bruke nukleært avfall til å produsere en annen type nukleært batteri.

Prof. In foreslår at ytterligere innsats for å optimalisere formen på betastråle‑utslipperen og utvikle mer effektive betastråle‑absorberere kan forbedre batteriets ytelse og øke kraftproduksjonen.

Generelt vil denne teknologien sannsynligvis fortsette å forbedres etter hvert som vår forståelse av halvledere og sjeldne metaller utvikles.

Investere i kjernekraft

Cameco – Westinghouse Electric Company

I 2022 tok Cameco tok beslutningen om å erverve 49% kontroll i Westinghouse, den ledende byggeren av kjernekraftverk i USA, sammen med et gigantisk investeringsfirma, Brookfield (51% kontroll).

Selskapet har en enorm fornybar/lav‑karbon kraftgenerasjonsdivisjon i form av $19 mrd. Brookfield Renewable Partners  (BEPC ) (BEP ). Brookfield Corporation (BN ) som helhet er et enormt kapitalforvaltningsselskap med nesten en billion dollar under forvaltning.

Dette betyr at Westinghouse nå vil kunne få tilgang til en svært stor kapitalpool, noe som ofte er et problem for byggherrer av kjernekraftreaktorer, ettersom nye prosjekter krever år med investering før de gir inntekter.

Selv om det tar lengre tid å materialisere seg til inntekter, genererer en ny reaktor inntekter for Westinghouse fra det 6. året etter design‑ og ingeniørstudier, og vil fortsette å gjøre det gjennom hele byggeprosjektet i mer enn 10 år.

Kilde: Cameco

Westinghouses arbeidshest er den velprøvde AP1000‑reaktordesignet (6 i drift og 6 under bygging), som bruker selskapets CANDU‑standard, en av de mest vanlige i verden.

Den arbeider også med AP300‑småmodulære reaktor, som sannsynligvis vil bli implementert i Slovakia, Finland og Sverige, samt mikroreaktoren e‑Vinci, som illustrerer selskapets kontinuerlige innovasjoner og hvordan det holder tritt med bransjens nyeste trender.

Kilde: Westinghouse

Westinghouse er viktig i en stor del av kjerneregnskapskjeden. På grunn av strenge forskrifter vil slike deler og utstyr være påkrevd for ethvert nytt kraftverk, tradisjonelt eller SMR‑likt.

Generelt, selv om forsyningsproblemet rundt uran blir løst og uranprisene faller, bør eierskapet av Westinghouse tillate Cameco å dra nytte av den pågående kjernekraftrenessansen i flere tiår.

Resten av Cameco-selskapet er en uranminer, som sannsynligvis også vil dra nytte av den pågående renessansen innen kjernekraft. Dens viktigste gruveeiendommer ligger i Canada og Kasakhstan.

Historisk har uran- og kjernekraftverksselskaper lidd under frykten for kjernekraftkatastrofer og bekymringer knyttet til nukleært avfall.

Etter hvert som nyere og tryggere design modnes, og når nukleært avfall blir en verdifull ressurs i stedet for et problem, bør dette ikke lenger være et problem. Dette inkluderer produksjon av karbon‑14 for betavoltikk, som kan bli en ekstra produksjon i Westinghouse‑kraftverk.

I tillegg vil presset for flere lavkarbon energikilder, mens fornybare energikilder fortsatt må løse problemet med intermitterende produksjon fullt ut, spesielt om vinteren, bidra til at kjernekraft får et kraftig comeback.

(Hvis du er mer interessert i potensialet for etterspørselen etter elementene som brukes i denne studien, kan du også konsultere vår rapport om investering i titan)

Siste om Cameco-Westinghouse Electric Company