Bateria Revolucionária Converte Resíduos Nucleares em Energia de Longa Duração

Diferentes formas de aproveitar a energia nuclear

A energia nuclear costuma ser associada a usinas enormes, grandes torres de resfriamento e ao risco de acidentes graves. Contudo, o setor incorpora novos projetos, entre eles os pequenos reatores modulares (SMRs) e as usinas nucleares de quarta geração (siga os links para consultar relatórios de investimento detalhados sobre ambos).

A maioria das usinas de fissão atuais e propostas aproveita o calor da reação para produzir vapor e movimentar uma turbina geradora, embora combustível, refrigerante e projeto variem bastante.

Outra forma de aproveitar o decaimento radioativo são os geradores termoelétricos de radioisótopos (RTGs), que convertem calor em eletricidade e foram usados, normalmente com plutônio-238, em missões espaciais profundas.

Há também outras maneiras de aproveitar a radiação. Entre elas estão as baterias betavoltaicas, que convertem a energia de partículas beta em corrente numa junção semicondutora. O processo não consiste simplesmente em separar elétrons de núcleos atômicos.

Pesquisadores da Universidade Estadual de Ohio e da Universidade de Toledo testaram um conceito radiovoltaico em duas etapas: um cintilador absorve radiação e emite luz, e uma célula solar converte essa luz em eletricidade. Trata-se de um pequeno experimento de laboratório que não operou diretamente com combustível nuclear usado.

A equipe publicou os resultados¹ em Optical Materials com o título “Baterias fotovoltaicas nucleares baseadas em cintiladores para geração de potência na faixa de microwatts”.

Fissão e decaimento radioativo

Fissão e decaimento radioativo são processos diferentes. Na fissão, um núcleo pesado, como o urânio-235, divide-se e libera energia, nêutrons e produtos de fissão. Outros isótopos decaem espontaneamente e emitem partículas alfa ou beta, ou raios gama, conforme o isótopo e a cadeia de decaimento.

Fonte: Britannica

Em condições adequadas, os nêutrons da fissão podem sustentar uma reação em cadeia controlada no reator, convertendo energia de fissão em calor e depois em eletricidade.

Durante o uso do combustível nuclear formam-se produtos de fissão e elementos mais pesados, e também sobra material não fissionado. O combustível usado é uma mistura complexa cujos componentes têm radioatividade, calor residual e meias-vidas diferentes.

Alguns desses isótopos liberam muito calor e radiação inicialmente; outros dominam os desafios de gestão de resíduos por períodos muito mais longos.

Gestão do combustível usado e dos resíduos nucleares

Nem todo material retirado de um reator é inútil, e resíduos nucleares não são apenas “novos elementos”. Alguns ciclos reprocessam urânio e plutônio, mas isso acrescenta custos e exigências de segurança e não proliferação; produtos de fissão e outros resíduos continuam precisando de isolamento seguro.

Uma opção é imobilizar resíduos de alta atividade em vidro, armazená-los em recipientes e instalações projetados e depois destiná-los a repositórios geológicos profundos. A segurança depende de múltiplas barreiras técnicas e geológicas, monitoramento e regulação, não de simplesmente enterrá-los e esperar.

Alguns ciclos podem usar reatores rápidos, regeneradores ou queimadores para aproveitar materiais físseis e transmutar parte dos actinídeos. Esses sistemas não eliminam todos os resíduos nem a necessidade de armazenamento e disposição.

A França operou reatores rápidos experimentais e comerciais no passado. Entre os projetos modernos propostos, ainda não construídos, está o PRISM rápido refrigerado a sódio da GE Hitachi.

Outra abordagem converte uma fração da energia emitida por certos radioisótopos em eletricidade sem manter uma reação em cadeia. O protótipo radiovoltaico estudado pertence a essa categoria.

Da radiação à luz e à eletricidade

Escolha do cintilador adequado

Raios gama de alta energia são difíceis de converter diretamente em eletricidade com boa eficiência, e a dose acumulada pode danificar semicondutores. O resultado depende da energia, dose, arquitetura do dispositivo e materiais de blindagem e conversão.

A conversão radiovoltaica é estudada há décadas, mas protótipos costumam apresentar baixa eficiência e degradação dos materiais. Percentuais obtidos em sistemas diferentes não formam uma referência única aplicável diretamente a este dispositivo.

Fonte: Optical Material

A equipe de Ohio usou um cintilador que emite luz ao receber radiação e direcionou essa luz a uma célula fotovoltaica. A seleção do material precisou equilibrar várias propriedades:

• Boa absorção de radiação para captar mais energia e reduzir a exposição da célula solar.
• Espectro de emissão que corresponda, tanto quanto possível, à resposta da célula solar.
• Resistência ao dano por radiação e estabilidade da emissão luminosa.
• Geometria e espessura que captem radiação sem reabsorver luz demais antes que ela alcance a célula.

A escolha final foi um granada de gadolínio, alumínio e gálio de alto rendimento luminoso dopada com cério (GAGG:Ce-HL; Gd3Al2Ga3O12).

Fonte: Optical Material

Teste de geração elétrica

Os pesquisadores usaram uma célula solar policristalina de filme fino de telureto de cádmio (CdTe), com contatos de ouro e índio. Ela foi escolhida por tolerar mais radiação que muitas células de silício, com referências de até 3 megarays (MGy) em condições específicas.

Fonte: Optical Material

Para testar o conceito, eles expuseram o dispositivo a fontes de césio-137 e cobalto-60 em irradiadores de laboratório. Eram fontes controladas de ensaio, não uma amostra real de resíduos de reator.

Fonte: Optical Material

O experimento mostrou que a forma e o tamanho do cristal cintilador afetam muito a radiação captada e a transferência de luz para a célula, alterando a potência obtida.

Um volume maior ajudou a captar mais radiação na geometria testada, mas aumentar o tamanho não garante maior eficiência: perdas ópticas e o acoplamento entre cintilador e célula também importam.

Fonte: Optical Material

A potência máxima relatada foi de cerca de 1,5 microwatt com uma taxa de dose elevada de 10 quilorrads por hora usando cobalto-60; o protótipo tinha cerca de 4 centímetros cúbicos. Esses números descrevem uma prova de conceito de potência muito baixa, não uma bateria capaz de alimentar eletrônicos de consumo atualmente.

“São resultados decisivos em termos de potência de saída. Este processo em duas etapas ainda está numa fase preliminar, mas o próximo passo envolve gerar mais watts com estruturas em maior escala.”

Ibrahim Oksuz – pesquisador associado em engenharia mecânica e aeroespacial na Ohio State.

Aplicações e limitações

Uma fonte radioativa de longa vida pode permitir operação prolongada, mas o dispositivo não funcionaria “para sempre”. Sua duração depende da meia-vida do isótopo, da degradação do cintilador e da célula, da eletrônica, do encapsulamento e do ambiente. O estudo não demonstrou décadas de vida útil para o sistema completo.

Como o protótipo é experimental e fornece microwatts, está muito longe de alimentar smartphones. O uso de isótopos também exige blindagem, licenciamento, cadeia de suprimento e gestão segura no fim da vida útil.

No futuro, a tecnologia pode servir a sensores de baixo consumo em locais de difícil acesso, como instalações nucleares ou ambientes submarinos e espaciais. A viabilidade dependerá de peso, blindagem, confiabilidade e custo perante alternativas como baterias betavoltaicas e RTGs.

O estudo não apresentou um cronograma comercial confiável. Antes disso, será preciso elevar a potência, medir eficiência, vida útil e dano por radiação, desenvolver fabricação repetível e atender a requisitos de segurança e regulação.

“Ampliar esta tecnologia seria caro, a menos que essas baterias pudessem ser fabricadas de forma confiável. Mais pesquisas são necessárias para avaliar sua utilidade e limitações, inclusive por quanto tempo poderiam funcionar depois de implementadas com segurança.”

Ibrahim Oksuz – pesquisador associado em engenharia mecânica e aeroespacial na Ohio State.

Se a tecnologia provar sua viabilidade, alguns isótopos adequados poderão virar fontes para sensores e eletrônicos especializados. Entretanto, dispositivos pequenos consumiriam apenas uma fração minúscula do inventário de combustível usado e resíduos de alta atividade.

Portanto, baterias radiovoltaicas não resolveriam sozinhas o problema dos resíduos nucleares. Elas podem exigir separação, fabricação, blindagem e transporte e, no fim, deixar uma fonte radioativa que ainda precisará de gestão segura.

“O conceito de bateria nuclear é muito promissor. Ainda há muito espaço para melhorias, mas acredito que, no futuro, essa abordagem encontrará um lugar importante tanto na geração de energia quanto na indústria de sensores.”

Ibrahim Oksuz – pesquisador associado em engenharia mecânica e aeroespacial na Ohio State.

Uma empresa ligada ao setor nuclear

Cameco e Westinghouse Electric Company

Cameco e Brookfield anunciaram em 2022 a compra da Westinghouse. A operação foi concluída depois com uma estrutura que concedeu 49% à Cameco e 51% ao consórcio liderado pela Brookfield. O investimento expõe a Cameco a combustível, serviços e projetos de reatores, mas também a riscos de execução, financiamento e ciclos longos.

A Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ) administra ativos de energia renovável e de transição, enquanto a Brookfield Corporation (BN ) atua globalmente na gestão de ativos. Os valores mudam; o porte do grupo não garante financiamento para cada projeto nuclear.

A propriedade compartilhada pode ampliar o acesso da Westinghouse a capital e parceiros, mas projetos nucleares exigem anos de desenvolvimento, licenciamento e construção. Eles podem sofrer atrasos, estouros de orçamento ou cancelamento antes de gerar a receita esperada.

A Westinghouse obtém receita de engenharia, componentes, combustível e serviços em diferentes fases; não existe um sexto ano fixo em que todo reator começa a gerar receita. O momento e a duração dos fluxos dependem do contrato, projeto, país e situação da obra.

Fonte: Cameco

O AP1000, um reator de água pressurizada, é o principal projeto de grande porte da Westinghouse e possui unidades em operação e construção. Ele não usa um “padrão CANDU”: CANDU é um projeto diferente, de água pesada, embora a Westinghouse ofereça produtos e serviços para operadores CANDU.

A Westinghouse também desenvolve o pequeno reator modular AP300 e assinou acordos ou estudos sobre AP1000 e AP300 na Eslováquia, Finlândia e Suécia. Essas iniciativas não garantem implantações. Também trabalha no microrreator eVinci, ainda sujeito a desenvolvimento e licenças.

Fonte: Westinghouse

A Westinghouse fornece combustível, componentes, serviços e engenharia a uma parte ampla da cadeia nuclear. Experiência regulatória e barreiras de certificação podem ser vantagens, mas não asseguram que a empresa vença todos os projetos, tradicionais ou SMR.

A participação na Westinghouse pode diversificar a exposição da Cameco para além do preço do urânio. O retorno, porém, depende de demanda real, margens, execução, financiamento e regulação; não se pode presumir benefício por décadas independentemente do mercado e dos projetos.

A mineração e o processamento de urânio continuam essenciais para a Cameco, com ativos principais no Canadá e participação em operações no Cazaquistão. A empresa pode se beneficiar de maior demanda nuclear, mas permanece exposta a riscos de preço, operação, política e cadeia de suprimento.

Empresas de urânio e reatores foram historicamente afetadas por acidentes, custos, regulação e gestão de resíduos. Projetos mais novos e certas tecnologias de combustível podem melhorar confiança e economia, mas não eliminam esses riscos; o protótipo radiovoltaico está longe de mudar essa equação.

A demanda por eletricidade de baixo carbono pode apoiar a energia nuclear ao lado de renováveis, redes e armazenamento mais flexíveis. Ainda assim, cada investimento depende de custos, prazos, preços de energia e políticas públicas; a necessidade de energia firme não garante um renascimento uniforme em todos os mercados.

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Referência do Estudo:

^{1. Ibrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao. (2025). Optical Materials. Volume 25, fevereiro de 2025, 100401. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010}