Energi

Revolutionerande batteri omvandlar kärnavfall till långvarig energi

mm
Publicerad
Uppdaterad
Securities.io maintains rigorous editorial standards and may receive compensation from reviewed links. We are not a registered investment adviser and this is not investment advice. Please view our affiliate disclosure.

Många sätt att klyva atomer

Nuclear power is often associated with massive power plants, giant cooling towers, and the fear of nuclear meltdown. This is progressively changing thanks to the emergence of SMR (Små modulära reaktorer) and fjärde generationens kärnkraftverk (följ länkarna för detaljerade investeringsrapporter om båda).

Både konventionella och nyare kärnkraftverk bygger på samma koncept att använda kärnenergi för att värma upp vatten till ånga och använda ångan för att generera elektricitet via turbiner.

Ett annat sätt att utnyttja värmen från kärnreaktioner är genom radioisotoptermogenererare (RTG), som vanligtvis drivs av plutonium och används för djuprymduppdrag.

Det finns dock andra sätt att utnyttja kärnenergi. En av dem är betavoltaiska batterier, som använder betastrålning för att direkt generera en ström genom att separera elektroner från atomkärnor i en halvledande absorberare.

Nu har forskare vid Ohio State University och University of Toledo (USA) skapat ett nytt koncept för hur man genererar kraft från kärnreaktioner. Det omvandlar strålningen till ljus, som sedan omvandlas till energi av en solcell, en process som kallas radiovoltaik.

De publicerade sina resultat1 i Optical Materials, under titeln “Scintillator based nuclear photovoltaic batteries for power generation at microwatts level”.

Utnyttjande av kärnenergi

När radioaktiva atomer klyvs sker flera saker samtidigt. De ursprungliga atomerna splittras och avger några av sina komponenter i form av neutroner och/eller alfa‑ och betapartiklar, där den exakta reaktionen beror på vilket radioaktivt element som används.

Källa: Britannica

Detta kan användas för att skapa en kedjereaktion under rätt förhållanden, vilket kraftigt ökar uranens energiproduktion i kärnkraftverk.

En annan möjlighet är att vissa isotoper av vissa element sönderfaller spontant över tid. När de ursprungliga uranatomerna i kärnbränslet sönderfaller omvandlas de till nya element, vilket skapar en komplex blandning av nya element, varav många är starkt radioaktiva.

Det betyder att dessa nya element spontant sönderfaller mycket oftare och avger mycket energi per sekund.

Återvinning av kärnavfall

De nya elementen som skapas i kärnreaktorer kallas vanligtvis för kärnavfall, eftersom de inte kan användas för att generera mer energi i traditionella reaktorer. Deras högre spontana radioaktivitet är också ett problem, då den gör dem mycket giftiga i århundraden eller årtusenden.

Ett sätt att hantera problemet är att vitrifiera (omvandla till glas) och begrava kärnavfallet, i hopp om att detta räcker för att hindra det från att skada någon under de kommande 10 000 åren.

Ett annat alternativ är att återanvända en del av detta avfall i speciella reaktorer som kallas snabba reaktorer, föröknings- eller förbränningsreaktorer.

Sådana reaktorer användes i Frankrike på 1970‑ till 1990‑talen. Moderna versioner av snabba förökningsreaktorer inkluderar till exempel den designade men inte byggda PRISM av GE‑Hitachi.

Ett annat alternativ är att utnyttja den naturliga högenergi-produktionen hos dessa element och omvandla dem till kraft utan att behöva speciella reaktorer.

Omvandla strålning till ljus och energi

Hitta rätt scintillator

Gammastrålning som avges av starkt radioaktiva element är svår att omvandla direkt till elektricitet eftersom den är så kraftfull att den tenderar att skada det halvledande material som skulle kunna användas för att generera kraft.

Så, även om konceptet har testats sedan 1950‑talen har avkastningen varit extremt låg, mellan 0,4 % och 4,5 %, med ytterligare problem kring systemets hållbarhet.

Vad Ohio-forskarna ändrade var att använda en scintillator, som avger ljus när den utsätts för strålning. Detta krävde mycket arbete för att hitta rätt scintillatormaterial eftersom det behövde ligga i det optimala området som uppfyllde alla krav:

  • Stark absorber av strålning, både för att öka avkastning och skydda solcellen.
  • Det utsända ljuset måste ha rätt våglängd som matchar solcellens absorptionsspektrum.
  • Motståndskraft mot skador över tid, så att ljusproduktionen förblir konstant.
  • Tillräckligt tjock för att absorbera strålning, men tunn och transparent nog för att inte absorbera för mycket av det utsända ljuset.

Deras val föll slutligen på cerium‑dopad gadolinium‑aluminium‑gallium‑garnet med hög ljusutbyte (GAGG:Ce‑HL – Gd3Al2Ga3O12).

Generera kraft från strålning

Den valda solcellen var en tunnfilmspolykrystallinsk CdTe med guld‑ och indiumkontakter. Huvudskälet till detta val var dess höga strålningsmotstånd jämfört med kiselbaserade solceller, upp till 3 MGy (Megagray).

För att testa konceptet använde forskarna bestrålning från cesium‑137 och kobolt‑60, producerad av bänkstrålare.

En överraskande upptäckt i det experimentella testet var att kristallens form och storlek som användes som scintillator kunde starkt påverka processens effektivitet.

Generellt är en större volym fördelaktig, eftersom den fångar mer strålning och omvandlar mer energi till ljus.

Den resulterande effekten nådde upp till 1,5 μW vid en strålningsdos på 10 kRad/h (med kobolt), trots den mycket lilla prototypens storlek, endast 4 cm³ i volym.

“Detta är banbrytande resultat när det gäller effektutgång. Denna tvåstegsprocess är fortfarande i sina inledande stadier, men nästa steg innebär att generera högre watt med uppskalade konstruktioner.”

Ibrahim Oksuz – forskningsassistent inom maskin- och rymdteknik vid Ohio State.

Tillämpningar

Batterier av denna typ skulle teoretiskt kunna fungera för evigt utan underhåll eller ingripande. I praktiken skulle de sannolikt hålla lika länge som solcellen, medan resten av systemet troligen kan fungera i många fler decennier utan att kräva någon intervention.

Eftersom det fortfarande är ett experimentellt system och aktiva isotoper inte produceras i stora mängder är det osannolikt att detta snart kommer att driva våra smartphones.

Det skulle dock kunna användas för att skapa kraftkällor för sensorer och utrustning i miljöer där minimalt mänskligt ingripande är önskvärt, eller till och med omöjligt. Till exempel i djuprymdanläggningar, under havet eller i kärnreaktorer.

Troligen kommer det att ta minst ytterligare fem år innan någon verklig användning, och några år till för mer generella tillämpningar av denna teknik.

“Att skala upp denna teknik skulle vara kostsamt om inte dessa batterier kunde tillverkas på ett pålitligt sätt. Ytterligare forskning behövs för att bedöma batteriernas nytta och begränsningar, inklusive hur länge de kan hålla när de väl är säkert implementerade.”

Ibrahim Oksuz – forskningsassistent inom maskin- och rymdteknik vid Ohio State.

Det skulle också radikalt förändra hur kärn-“avfall” uppfattas. Från en olycklig biprodukt av kärnreaktorer skulle de kunna bli en mycket värdefull energikälla för avancerade sensorer och elektronik i kritiska funktioner.

Och naturligtvis skulle återvinning av kärnavfall till energikällor lösa problemet med att hantera kärnavfall från början.

“Kärnbatterikonceptet är mycket lovande. Det finns fortfarande mycket utrymme för förbättringar, men jag tror att detta tillvägagångssätt i framtiden kommer att ta en viktig plats både inom energiproduktion och sensorindustrin.”

Ibrahim Oksuz – forskningsassistent inom maskin- och rymdteknik vid Ohio State.

Kärnkraftsbolag

Cameco – Westinghouse Electric Company

(CCJ )

In 2022, Cameco fattade beslutet att förvärva 49 % kontroll i Westinghouse, den ledande byggaren av kärnkraftverk i USA, together with a giant investment firm, Brookfield (51% control).

Företaget har en massiv förnybar/lågt koldioxidkraftgenereringsdivision i form av $19 B Brookfield Renewable Partners (BEP ). Brookfield Corporation som helhet är ett enormt kapitalförvaltningsföretag med nästan en biljon dollar under förvaltning.

Detta innebär att Westinghouse nu kommer att kunna få tillgång till en mycket djup kapitalbas, 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 materialiseras till intäkter, så genererar en ny reaktor för Westinghouse intäkter från det 6e året efter design‑ och ingenjörsstudier och kommer att fortsätta göra så under hela byggprojektet i mer än 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 mest vanliga i världen.

Det är också på gång med AP300 småmodulära reaktor, som sannolikt kommer att implementeras i Slovakien, Finland och Sverige, samt mikroreaktor e-Vinci, vilket illustrerar företagets kontinuerliga innovationer och hur de hänger med i branschens senaste trender.

Källa: Westinghouse

Westinghouse är avgörande i en stor del av kärnleveranskedjan. På grund av strikta regler kommer sådana delar och utrustning att krävas för alla nya kraftverk, både traditionella och SMR.

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

Resten av Cameco är en uranbrytare, som sannolikt också kommer att dra nytta av den pågående renässansen av kärnenergi. Dess största 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 när kärnavfall blir en värdefull resurs istället för ett problem, bör detta inte längre vara ett problem.

Dessutom bör strävan efter fler låga koldioxidkraftkällor, medan förnybara energikällor fortfarande inte helt kan lösa problemet med intermittent produktion, särskilt på vintern, hjälpa kärnenergi att göra ett kraftfullt comeback.

Senaste om Cameco

Studierreferens:

1. Ibrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao. (2025). Optical Material. Volym 25, februari 2025, 100401 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010

mm

Jonathan är en före detta biokemist som arbetade med genetisk analys och kliniska prövningar. Han är nu en aktieanalytiker och finansskribent med fokus på innovation, marknads cykler och geopolitik i sin publikation The Eurasian Century.