Säker, kompakt kärnbränna kan revolutionera energilagring

Kärnkraft i Allt?

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

När klimatförändringen blir ett växande bekymmer genomgår kärnkraften genomgår en renässans, eftersom den är en tillgänglig, skalbar och lågenergi källa som kan överbrygga klyftan tills förnybara energikällor och batterier är redo att ersätta fossila bränslen. Och nya kärnkraftverkdesigns kommer som kan göra den billigare, säkrare och mer flexibel, som vi förklarade i “Uppdatering om SMR (Små modulära reaktorer) – Fortfarande framtiden för kärnkraft” och “Den fjärde generationen av kärnkraft: Billigare, renare, säkrare”.

Men dessa stora kraftverk är inte hur science‑fiction‑författare ursprungligen föreställde sig kärnkraft. Ledande tänkare som Isaac Asimov var mycket mer ambitiösa och föreställde sig miniatyriserade kärnkraftgeneratorer som kunde passa in i tåg, bilar och ännu mindre enheter, vilket gjorde idén att ladda eller tanka dem i princip överflödig.

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

Detta forskningsarbete presenterades på vårmötesdagen för American Chemical Society (ACS) av Su‑Il In, professor vid Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (Sydkorea), under titeln “Nästa generationsbatteri: Mycket effektiv och stabil C14 färgsensitiv betavoltaisk cell”.

Källa: Asia Research News

Batteribegränsning

De flesta elektroniska enheter idag begränsas i sin kapacitet av batteriet, som vanligtvis använder litiumjon‑teknik. Detta gäller för smartphones, drönare, sensorer osv.

Dessutom är gruvdrift för litium en miljöförstörande process, och litium kan bli ett förorening i framtiden.

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

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

Beta‑radioaktivitet

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

Källa: Compound Chem

Alfa‑ och betasönderfall är mycket mindre farliga, och de radioaktiva utsläppen kan stoppas med ett tunt lager aluminium eller till och med bara papper.

Källa: Western Oregon University

Välja rätt isotop

Vilken radioaktiv aktivitet som sker beror på det radioaktiva elementet och dess isotoper, så vissa energikällor är mycket säkrare än andra. Av den anledningen skulle material som uran inte vara ett bra val för små kärnbatterier.

Dock skulle kol‑14, en naturligt förekommande isotop av kol som ofta används i dateringstekniker, vara ett bra val.

En extra fördel är att kol‑14 redan produceras av den befintliga flottan av kärnkraftverk, vilket gör den billig, lätt tillgänglig och enkel att återvinna. Slutligen,

“Jag bestämde mig för att använda en radioaktiv isotop av kol eftersom den bara genererar betastrålar. Och eftersom radiokol bryts ner mycket långsamt, skulle ett radiokoldrivet batteri teoretiskt kunna hålla i årtusenden.”

Pr. Su‑Il In – Professor at Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology

Betavoltaisk teknik

Att utnyttja betasönderfall för energiproduktion är inte ett helt nytt koncept och kallas betavoltaik, där en betapartikel ersätter fotoner som används i klassisk fotovoltaik.

I betavoltaik träffar en elektron istället för en foton ett halvledarmaterial, vilket resulterar i produktion av elektricitet.

Detta halvledarmaterial är den avgörande delen, eftersom dess effektivitet bestämmer den totala energiomvandlingseffektiviteten. Hittills har betavoltaiska halvledare haft mycket låg effektivitet eller varit för ömtåliga för att hålla lika länge som kärnbränslet.

Titanoxid‑semiconductor

Prof. In och hans team använde ett material som ofta används i solceller, titanoxid, och tillsatte ett rutheniumbaserat färgämne. För att göra bindningen mellan färgämnet och halvledaren tillräckligt stark använde de en citronsyrabehandling.

Rutheniummärket, när det träffas av en betapartikel (en kraftfull elektron), skapar en kaskad av elektronöverföringsreaktioner, kallad en elektronavalanche. Titanoxiden samlar sedan de genererade elektronerna och omvandlar dem till användbar elektricitet.

Behandla båda elektroderna

Forskarna upptäckte att man kunde radikalt öka processens effektivitet genom att placera rutheniummärket på både katoden och anoden i kärnbatteriet.

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

Tillämpningar

Eftersom detta system för närvarande sannolikt är dyrare än ett vanligt batteri kommer det att hitta sina första tillämpningar där det inte är mest användbart att ersätta eller ladda om energikällan.

Till exempel skulle pacemakers och andra medicinska implantat kunna drivas under en livstid med sådana betavoltaiska batterier.

Sensorteknik i känsliga eller fientliga miljöer, såsom kärnreaktorer, fabriker, djuphavet eller rymden, skulle också kunna dra stor nytta av detta koncept.

Ytterligare förbättring

Denna teknik och den imponerande ökningen i effektivitet ansluter sig till annan forskning som söker utnyttja radioaktivt sönderfall för energiproduktion utan en kärnreaktor. Till exempel diskuterade vi nyligen idén att använda kärnavfall för att producera en annan typ av kärnbatteri.

Prof. In föreslår att ytterligare ansträngningar för att optimera formen på betastråleutsläpparen och utveckla mer effektiva betastråleabsorberare kan förbättra batteriets prestanda och öka energiproduktionen.

Sammanfattningsvis är det sannolikt att denna teknik fortsätter att förbättras i takt med att vår förståelse av halvledare och sällsynta metaller utvecklas.

Investera i kärnkraft

Cameco – Westinghouse Electric Company

År 2022 tog Cameco beslutet att förvärva 49 % kontroll i Westinghouse, den ledande byggaren av kärnkraftverk i USA, tillsammans med ett stort investeringsföretag, Brookfield (51 % kontroll).

Företaget har en enorm förnybar/lågenergi‑kraftgenereringsdivision i form av $19 Mrd Brookfield Renewable (BEPC ) Partners (BEP ). Brookfield Corporation (BN ) som helhet är ett massivt kapitalförvaltningsföretag med nästan en biljon dollar under förvaltning.

Detta innebär att Westinghouse nu kommer att kunna få tillgång till en mycket djup kapitalpool, något som ofta är ett problem för byggare av kärnreaktorer, eftersom nya projekt kräver år av investeringar innan de genererar intäkter.

Även om det tar längre tid att omsättas i intäkter, genererar en ny reaktor för Westinghouse intäkter från det 6^e året efter design‑ och ingenjörsstudier när den är i byggfas och fortsätter att göra det under hela byggprojektet i mer än 10 år.

Källa: Cameco

Westinghouses arbetshäst är den beprövade AP1000‑reaktordesignen (6 i drift och 6 i byggnation), som använder företagets CANDU‑standard, en av de mest vanliga i världen.

Den arbetar också med den AP300‑småmodulära reaktorn, som sannolikt kommer att implementeras i Slovakien, Finland och Sverige, samt mikroreaktorn e‑Vinci, vilket illustrerar företagets kontinuerliga innovationer och hur det håller sig i takt med branschens senaste trender.

Källa: Westinghouse

Westinghouse spelar en viktig roll i en stor del av kärnleveranskedjan. På grund av strikta regler krävs sådana delar och utrustning för alla nya kraftverk, både traditionella och SMR‑liknande.

Sammanfattningsvis, även om leveransproblemet kring uran löses och uranpriserna kraschar, bör ägandet av Westinghouse göra det möjligt för Cameco att dra nytta av den pågående kärnrenaissansen i minst flera decennier.

Resten av Cameco är en uranbrytare, som sannolikt också kommer att gynnas av den pågående renässansen av kärnenergi. Dess huvudsakliga gruvtillgångar finns i Kanada och Kazakstan.

Historiskt har uran- och kärnreaktortföretag lidit av rädsla för kärnkraftsolyckor och oro kring kärnavfall.

När nyare och säkrare konstruktioner mognar och kärnavfall blir en värdefull resurs istället för ett problem, bör detta inte längre vara ett problem. Detta inkluderar produktion av kol‑14 för betavoltaik, vilket kan bli en ytterligare produktion i Westinghouses kraftverk.

Dessutom bör strävan efter fler lågenergi‑kraftkällor, medan förnybara energikällor fortfarande måste lösa problemet med intermittent produktion, särskilt på vintern, hjälpa kärnenergi att göra ett kraftfullt återuppror.

(Om du är mer intresserad av den potentiella efterfrågan på de element som används i denna studie, kan du också konsultera vår rapport om investering i titan)

Senaste om Cameco-Westinghouse Electric Company