Säker, Kompakt Kärnkraftsbatteri Kan Revolutionera Energilagring

Kärnkraft I Allt?

När kärnkraftsgenerering blev en praktisk teknik, gav det hopp om att den energi som hittills bara hade använts för att skapa världsförstörande bomber också kunde rädda samma civilisation från resursutarmning.

Som klimatförändringar är ett växande problem, genomgår kärnkraft en renässans, eftersom det är en tillgänglig, skalbar och lågkolhaltig energikälla som kan brottas tills förnybara energikällor och batterier är redo att ersätta fossila bränslen. Och nya kärnkraftverksdesigner är på väg som kan göra det billigare, säkrare och mer flexibelt, som vi förklarade i “Uppdatering om SMR (Small Modular Reactor) – fortfarande framtiden för kärnkraft” och “Den 4:e generationens kärnkraft: Billigare, renare, säkrare”.

Men dessa stora kraftverk är inte hur science fiction-författare initialt föreställde sig kärnkraft. Ledande tänkare som Isaac Asimov var mycket mer ambitiösa och föreställde sig miniaturiserade kärnkraftsgenereratorer som kunde placeras i tåg, bilar och ännu mindre enheter, vilket skulle göra idén att ladda om eller tanka dem i princip föråldrad.

Ett steg i den riktningen tas med presentationen av kärnkraftsbatterier som är tillräckligt små för att driva små elektroniska enheter. Och det skulle göra det på ett säkert sätt.

Denna forskning presenterades på vårmötet för American Chemical Society (ACS) av Su-Il In, en professor vid Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (Sydkorea), under titeln “Nästa generations batteri: Högpresterande och stabil C14-dye-sensibiliserad betavoltaisk cell”.

Källa: Asia Research News

Batteribegränsning

De flesta elektroniska enheter idag är begränsade i sin kapacitet av sina batterier, vanligtvis med litium-jon-teknik. Detta gäller för smartphones, drönare, sensorer etc.

Dessutom är utvinning av litium en miljöförstörande process, och litium kan bli en förorenare i framtiden.

Därför har forskare länge övervägt alternativet att använda radioaktivt sönderfall, en process som tar hundratals eller till och med tiotusentals år, som ett bättre alternativ, som inte skulle kräva någon omladdning av enheter alls.

Men eftersom sådana enheter skulle vara radioaktiva, måste de strängaste säkerhetsstandarderna uppfyllas.

Beta-Radioaktivitet

Det finns många olika former av radioaktivitet. Av dessa är gamma-sönderfall den farligaste, eftersom det avger mycket kraftfulla gammastrålar, som kan orsaka cancer och annan skada.

Källa: Compound Chem

Alfa- och beta-sönderfall är mycket mindre farliga, och de radioaktiva utsläppen kan stoppas med ett tunt lager av aluminium eller till och med bara papper.

Källa: Western Oregon University

Att Välja Rätt Isotop

Vilken radioaktivitet som sker beror på det radioaktiva grundämnet och dess isotoper, så vissa kraftkällor är mycket säkrare än andra. Av denna anledning skulle material som uran inte vara en bra match för små kärnkraftsbatterier.

Men kol-14, en naturligt förekommande isotop av kol, som ofta används för att fastställa åldern, skulle vara en bra match.

En extra fördel är att kol-14 produceras av den befintliga flottan av kärnkraftverk ändå, vilket gör det billigt, lätt tillgängligt och enkelt att återvinna. Slutligen,

“Jag beslutade att använda en radioaktiv isotop av kol eftersom det genererar bara beta-strålar. Och eftersom radiokol sönderfaller mycket långsamt, kunde en radiokol-driven batteri teoretiskt sett vara i bruk i årtusenden.”

Pr. Su-Il In – Professor vid Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology

Betavoltaisk Teknik

Att utnyttja beta-sönderfall för kraftgenerering är inte ett helt nytt koncept och kallas betavoltaisk, där en beta-partikel ersätter fotoner som används i klassisk fotovoltaik.

I betavoltaik ersätter en elektron en foton som slår mot en halvledare, vilket resulterar i produktion av elektricitet.

Denna halvledarmaterial är den viktigaste delen, eftersom hur effektiv den är kommer att bestämma den övergripande energiomvandlingsgraden. Hittills har betavoltaiska halvledare varit mycket låga i effektivitet eller för sköra för att vara i bruk lika länge som kärnbränsle.

Titaniumdioxid-Halvledare

Prof. In och hans team använde ett material som vanligtvis används i solceller, titaniumdioxid, och tillsatte ett ruthenium-baserat färgämne. För att göra bindningen mellan färgämnet och halvledaren tillräckligt stark, använde de en citronsyra-behandling.

Ruthenium-färgämnet, när det träffas av en beta-partikel (en kraftfull elektron), skapar en kaskad av elektronöverföringsreaktioner, kallad en elektron-avalanche. Titaniumdioxiden samlar sedan in de genererade elektronerna och omvandlar dem till användbar elektricitet.

Att Behandla Båda Elektroderna

Forskarna upptäckte att man kunde radikalt förbättra effektiviteten i processen genom att placera ruthenium-färgämnet på både katoden och anoden i kärnkraftsbatteriet.

Jämfört med en tidigare design med radiokol på bara katoden, ledde detta till en mycket högre energiomvandlingsgrad, från 0,48% till 2,86%.

Tillämpningar

Eftersom detta system troligen kommer att vara dyrare än ett vanligt batteri för närvarande, kommer det att hitta sina första tillämpningar där det inte är möjligt att byta ut eller ladda om kraftkällan.

Till exempel kunde pacemakers och andra medicinska implantat drivas under en livstid med sådana beta-voltaiska batterier.

Sensorer i känsliga eller fientliga miljöer, som kärnkraftverk, fabriker, djuphavet eller djup rymden, kunde också dra nytta av detta koncept.

Ytterligare Förbättring

Denna teknik och imponerande ökning av effektivitet ansluter sig till annan forskning som syftar till att utnyttja radioaktivt sönderfall för energiproduktion utan ett kärnkraftverk. Till exempel vi diskuterade nyligen idén att använda kärnavfall för att producera en annan typ av kärnkraftsbatteri.

Prof. In föreslår att ytterligare ansträngningar för att optimera formen på beta-strålekällan och utveckla mer effektiva beta-strålsabsorbenter kunde förbättra batteriets prestanda och öka kraftgenereringen.

Sammanfattningsvis är denna teknik troligen att fortsätta förbättras allteftersom vår förståelse av halvledare och sällsynta metaller utvecklas.

Att Investera I Kärnkraft

Cameco – Westinghouse Electric Company

År 2022, Cameco beslutade att förvärva 49% av Westinghouse, tillsammans med en jätte-investeringsfirma, Brookfield (51% ägande).

Företaget har en enorm förnybar/lågkolhaltig kraftgenereringsavdelning i form av $19B Brookfield Renewable Partners (BEP ). Brookfield Corporation som helhet är ett enormt tillgångsförvaltningsföretag med nästan en biljon dollar under förvaltning.

Detta innebär att Westinghouse nu kommer att ha tillgång till en mycket djup pool av kapital, något som ofta är ett problem för kärnkraftsbyggare, eftersom nya projekt kräver år av investeringar innan de genererar intäkter.

Även om det tar längre tid att materialisera intäkter, kommer en ny reaktor att generera intäkter för Westinghouse från det 6:e året efter design- och ingenjörsstudier och kommer att fortsätta göra det under hela konstruktionsprojektet under en period på över 10 år.

Källa: Cameco

Westinghouses huvudprodukt är den beprövade AP1000-reaktordesignen (6 i drift och 6 under konstruktion), som använder företagets CANDU-standard, en av de vanligaste i världen.

Det arbetar också med AP300 small modular reactor, som troligen kommer att användas i Slovakien, Finland och Sverige, och microreaktorn e-Vinci, vilket visar företagets kontinuerliga innovationer och hur det håller jämna steg med branschens senaste trender.

Källa: Westinghouse

Westinghouse är instrumental i en stor del av kärnkraftskedjan. På grund av stränga regleringar kommer sådana delar och utrustning att krävas för alla nya kraftverk, traditionella eller SMR.

Sammanfattningsvis kommer ägandet av Westinghouse att tillåta Cameco att dra nytta av den pågående kärnkraftsrenässansen under flera decennier åtminstone.

Resten av Cameco-företaget är en uranbrytare, som troligen också kommer att dra nytta av den pågående kärnkraftsrenässansen. Dess huvudsakliga gruvtillgångar finns i Kanada och Kazakstan.

Historiskt sett har uran- och kärnkraftsföretag lidit av rädsla för kärnkraftskatastrofer och problem med kärnavfall.

När modernare och säkrare designmöjligheter mognar, och när kärnavfall blir en värdefull resurs istället för ett problem, bör detta inte längre vara ett problem. Detta inkluderar kol-14-produktion för betavoltaik, som kan bli en extra produktion av Westinghouses kraftverk.

Dessutom bör trycket på mer lågkolhaltiga energikällor, medan förnybara energikällor fortfarande inte har löst problemet med intermittent produktion, särskilt under vinter, hjälpa kärnkraften att göra en kraftig comeback.

(Om du är mer intresserad av potentialen för efterfrågan på grundämnen som används i denna studie, kan du också konsultera vår rapport om att investera i titan)

Senaste Om Cameco-Westinghouse Electric Company