Energia
Bateria Nuclear Segura e Compacta Pode Revolucionar o Armazenamento de Energia
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Energia Nuclear em Tudo?
When nuclear power generation became a practical technology, it gave hope that the energy that had so far only been used to create world-ending bombs could also save the same civilization from resource depletion.
As mudanças climáticas são uma preocupação crescente, a energia nuclear está passando por um renascimento, pois é uma fonte de energia disponível, escalável e de baixo carbono que pode preencher a lacuna até que as energias renováveis & baterias estejam prontas para substituir os combustíveis fósseis. E novos projetos de usinas nucleares estão surgindo que podem torná‑las mais baratas, seguras e flexíveis, como explicamos em “Atualização sobre SMRs (Reatores Modulares Pequenos) – Ainda o Futuro da Energia Nuclear” e “A 4ª Geração de Energia Nuclear: Mais Barata, Mais Limpa, Mais Segura“.
No entanto, essas grandes usinas não são como os escritores de ficção científica inicialmente imaginaram a energia nuclear. Pensadores de destaque como Isaac Asimov eram muito mais ambiciosos e imaginaram geradores nucleares miniaturizados que poderiam caber em trens, carros e até em dispositivos menores, tornando a ideia de recarregá‑los ou reabastecê‑los essencialmente obsoleta.
Um passo nessa direção está sendo dado com a apresentação de baterias nucleares pequenas o suficiente para alimentar dispositivos eletrônicos de pequeno porte. E isso seria feito de forma segura.
Este trabalho de pesquisa foi apresentado na reunião de primavera da American Chemical Society (ACS) por Su-Il In, professor do Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (Coreia do Sul), sob o título “Bateria de próxima geração: Altamente eficiente e estável célula betavoltaica sensibilizada por corante C14”.
Fonte: Asia Research News
A Limitação das Baterias
A maioria dos dispositivos eletrônicos hoje é limitada em sua capacidade pela bateria, geralmente usando tecnologia de íons de lítio. Isso vale para smartphones, drones, sensores, etc.
Além disso, a mineração de lítio é um processo ambientalmente destrutivo, e o lítio pode se tornar um poluente no futuro.
Portanto, os cientistas há muito consideram a alternativa de usar decaimento radioativo, um processo que leva centenas ou até dezenas de milhares de anos, como uma opção melhor, que não exigiria recarga dos dispositivos.
No entanto, como tais dispositivos seriam radioativos, seria necessário atender aos padrões de segurança mais rigorosos.
Beta‑Radioatividade
Existem muitas formas diferentes de radioatividade. Dentre elas, o decaimento gama é o mais perigoso, pois emite raios gama muito poderosos, que podem causar câncer e outros danos.
Fonte: Compound Chem
Os decaimentos alfa e beta são muito menos perigosos, e as emissões radioativas podem ser bloqueadas com uma fina camada de alumínio ou até mesmo apenas papel.
Fonte: Western Oregon University
Escolhendo o Isótopo Correto
Qual atividade radioativa ocorre depende do elemento radioativo e de seus isótopos, portanto algumas fontes de energia são muito mais seguras que outras. Por esse motivo, materiais como o urânio não seriam adequados para pequenas baterias nucleares.
No entanto, o carbono‑14, um isótopo de carbono que ocorre naturalmente e é frequentemente usado em técnicas de datação, seria adequado.
Uma vantagem adicional é que o carbono‑14 já é produzido pela atual frota de usinas nucleares, tornando‑o barato, prontamente disponível e fácil de reciclar. Por fim,
“Decidi usar um isótopo radioativo de carbono porque ele gera apenas raios beta. E como o radiocarbono se degrada muito lentamente, uma bateria alimentada por radiocarbono poderia teoricamente durar milênios.”
Pr. Su-Il In – Professor at Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology
Tecnologia Betavoltaica
Aproveitar o decaimento beta para geração de energia não é um conceito totalmente novo e é conhecido como betavoltaico, com uma partícula beta substituindo os fótons usados na fotovoltaica clássica.
Na betavoltaica, um elétron, em vez de um fóton, incide sobre um semicondutor, resultando na produção de eletricidade.
Esse material semicondutor é a parte fundamental, pois sua eficiência determinará a taxa geral de conversão de energia. Até agora, os semicondutores betavoltaicos têm sido de eficiência muito baixa ou frágeis demais para durar tanto quanto o combustível nuclear.
Semicondutor de Dióxido de Titânio
O Prof. In e sua equipe usaram um material comumente utilizado em células solares, dióxido de titânio, e adicionaram um corante à base de rutênio. Para tornar a ligação entre o corante e o semicondutor suficientemente sólida, eles usaram um tratamento com ácido cítrico.
O corante de rutênio, quando atingido por uma partícula beta (um elétron poderoso), cria uma cascata de reações de transferência de elétrons, chamada avalanche eletrônica. O dióxido de titânio então coleta os elétrons gerados e os converte em eletricidade utilizável.
Tratando Ambos os Eletrodos
Os pesquisadores descobriram que era possível aumentar radicalmente a eficiência do processo ao aplicar o corante de rutênio tanto no cátodo quanto no ânodo da bateria nuclear.
Em comparação com um design anterior que utilizava radiocarbono apenas no cátodo, isso resultou em uma eficiência de conversão de energia muito maior, passando de 0,48% para 2,86%.
Aplicações
Como esse sistema provavelmente será, por enquanto, mais caro que uma bateria convencional, ele encontrará suas primeiras aplicações onde substituir ou recarregar a fonte de energia não é a solução mais útil.
Por exemplo, marcapassos e outros implantes médicos poderiam ser alimentados por toda a vida com essas baterias betavoltaicas.
Sensores em ambientes sensíveis ou hostis, como reatores nucleares, fábricas, o fundo do mar ou o espaço profundo, também poderiam se beneficiar enormemente desse conceito.
Aprimoramento Futuro
Essa tecnologia e o impressionante aumento de eficiência se juntam a outras pesquisas que buscam utilizar o decaimento radioativo para produção de energia sem um reator nuclear. Por exemplo, discutimos recentemente a ideia de usar resíduos nucleares para produzir outro tipo de bateria nuclear.
O Prof. In sugere que esforços adicionais para otimizar a forma do emissor de raios beta e desenvolver absorvedores de raios beta mais eficientes poderiam melhorar o desempenho da bateria e aumentar a geração de energia.
No geral, essa tecnologia provavelmente continuará a melhorar à medida que nosso entendimento de semicondutores e metais raros avança.
Investindo em Energia Nuclear
Cameco – Westinghouse Electric Company
CCJ Gráfico de preços
Em 2022, Cameco tomou a decisão de adquirir 49% de controle na Westinghouse, a principal construtora de usinas nucleares nos EUA, juntamente com uma gigante firma de investimentos, Brookfield (51% de controle).
A empresa possui uma enorme divisão de geração de energia renovável/baixo carbono na forma de $19B Brookfield Renewable Partners (BEPC ) (BEP ). Brookfield Corporation (BN ) como um todo é uma grande empresa de gestão de ativos com quase um trilhão de dólares sob gestão.
Isso significa que a Westinghouse agora poderá acessar um pool de capital muito profundo, algo que costuma ser um problema para construtores de reatores nucleares, já que novos projetos exigem anos de investimento antes de gerar receitas.
Embora demore mais para se materializar em receitas, uma vez em construção, um novo reator gera receitas para a Westinghouse a partir do 6º ano após os estudos de design e engenharia e continuará a fazê‑lo durante todo o período de construção, por mais de 10 anos.
Fonte: Cameco
O principal modelo da Westinghouse é o design de reator AP1000, testado e comprovado (6 em operação e 6 em construção), usando o padrão CANDU da empresa, um dos mais comuns no mundo.
Também está trabalhando no reator modular pequeno AP300, que provavelmente será implantado na Eslováquia, Finlândia e Suécia, e no microreator e-Vinci, ilustrando as inovações contínuas da empresa e como ela acompanha as últimas tendências da indústria.
Fonte: Westinghouse
A Westinghouse desempenha um papel fundamental em grande parte da cadeia de suprimentos nuclear. Devido a regulamentações rígidas, tais peças e equipamentos serão necessários para qualquer nova usina, seja tradicional ou SMR.
No geral, mesmo que a questão de suprimento de urânio seja resolvida e os preços do urânio despencarem, a propriedade da Westinghouse deve permitir que a Cameco se beneficie do renascimento nuclear em curso por várias décadas, pelo menos.
O restante da empresa Cameco é uma mineradora de urânio, provavelmente também se beneficiará do renascimento contínuo da energia nuclear. Seus principais ativos de mineração estão no Canadá e no Cazaquistão.
Historicamente, as empresas de urânio e de reatores nucleares sofreram com o medo de desastres nucleares e preocupações relacionadas ao lixo nuclear.
À medida que projetos mais novos e seguros amadurecem, e que os resíduos nucleares se tornam um recurso valioso em vez de um problema, isso não deverá mais ser um obstáculo. Isso inclui a produção de carbono‑14 para betavoltaicos, que poderia se tornar uma produção adicional nas usinas da Westinghouse.
Além disso, o impulso por fontes de energia mais baixas em carbono, enquanto as renováveis ainda não resolvem totalmente o problema da produção intermitente, especialmente no inverno, deve ajudar a energia nuclear a fazer um retorno poderoso.
(Se você estiver mais interessado no potencial de demanda dos elementos usados neste estudo, também pode consultar nosso relatório sobre investimento em titânio)
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