Rebolusyonaryong Baterya na Nagko-convert ng Nuclear Waste sa Pangmatagalang Kuryente

Maraming Paraan para Hatiin ang mga Atomo

Nuclear power ay madalas na iniuugnay sa napakalaking mga planta ng enerhiya, higanteng cooling tower, at takot sa nuclear meltdown. Unti-unting nagbabago ito dahil sa pag-usbong ng SMRs (Small Modular reactors) at 4th generation of nuclear power plants (sundan ang mga link para sa detalyadong ulat ng pamumuhunan sa pareho).

Parehong tradisyonal at mas bagong mga nuclear power plant ay umaasa sa parehong konsepto ng paggamit ng nuclear energy upang painitin ang tubig at gawing singaw, at gamitin ang singaw upang lumikha ng kuryente sa pamamagitan ng mga turbina.

Isa pang paraan upang magamit ang init ng mga nuclear reaction ay sa pamamagitan ng radioisotope thermoelectric generators (RTG), karaniwang tumatakbo sa plutonium at ginagamit para sa mga misyon sa malalim na kalawakan.

Mayroon, gayunpaman, ibang paraan upang samantalahin ang nuclear energy. Isa sa mga ito ay betavoltaic batteries, na gumagamit ng beta radiation upang direktang lumikha ng kuryente sa pamamagitan ng paghihiwalay ng mga electron mula sa atomic nuclei sa isang semiconductor absorber.

Ngayon, isang bagong konsepto kung paano lumikha ng kuryente mula sa mga nuclear reaction ang nilikha ng mga mananaliksik sa Ohio State University at University of Toledo (USA). Binabago nito ang radiation sa liwanag, na pagkatapos ay kinokonvert sa kuryente ng isang solar cell, isang prosesong tinatawag na radiovoltaics.

Inilathala nila ang kanilang mga resulta¹ sa Optical Materials, sa pamagat na Scintillator based nuclear photovoltaic batteries for power generation at microwatts level.

Pagkuha ng Nuclear Energy

Kapag ang mga radioactive na atom ay hinati, ilang bagay ang nangyayari sabay-sabay. Ang orihinal na mga atom ay naghahati at naglalabas ng ilang bahagi nito, sa anyo ng mga neutron at/o alpha at beta particles, kung saan ang eksaktong reaksyon ay nakadepende sa kung aling radioactive element ang ginamit.

Pinagmulan: Britannica

Magagamit ito upang lumikha ng chain reaction sa tamang kondisyon, na lubos na nagpapataas ng output ng enerhiya ng uranium sa mga nuclear power plant.

Isa pang posibilidad ay ang ilang isotopo ng tiyak na mga elemento ay kusang naghihiwalay sa paglipas ng panahon. Habang ang orihinal na mga atom ng uranium sa nuclear fuel ay naghihiwalay, sila ay nagiging mga bagong elemento, na lumilikha ng komplikadong halo ng mga bagong elemento, kung saan marami ang lubhang radioactive.

Ibig sabihin, ang mga bagong elementong ito ay kusang naghihiwalay nang mas madalas at naglalabas ng malaking enerhiya bawat segundo.

Pag-recycle ng Nuclear Waste

Ang mga bagong elementong nalikha sa mga nuclear reactor ay karaniwang tinatawag na nuclear waste, dahil hindi ito maaaring magamit upang lumikha ng karagdagang enerhiya sa tradisyunal na mga reactor. Ang kanilang mas mataas na kusang radioactivity ay isa ring problema, dahil nagiging napakalason ito sa loob ng mga siglo o milenya.

Isang paraan upang harapin ang isyung ito ay i-vitrify (gawing salamin) at ilibing ang nuclear waste, umaasang sapat na ito upang hindi makasama sa sinuman sa susunod na 10,000 taon.

Isa pang opsyon ay muling gamitin ang ilan sa mga basurang ito sa mga espesyal na reactor na tinatawag na fast reactors, breeder, o burner reactors.

Ang mga ganitong reactor ay gumana sa Pransya noong 1970s-1990s. Ang mga modernong bersyon ng fast breeder reactors ay kinabibilangan, halimbawa, ng dinisenyo ngunit hindi nailunsad na PRISM ng GE-Hitachi.

Isa pang opsyon ay gamitin ang likas na mataas na enerhiya na ginagawa ng mga elementong ito at gawing kuryente nang hindi kailangan ng espesyal na mga reactor.

Pag-convert ng Radiation sa Liwanag at Kuryente

Paghahanap ng Tamang Scintillator

Ang gamma radiation na inilalabas ng lubhang radioactive na mga elemento ay mahirap i-convert nang direkta sa kuryente dahil napakalakas nito na kadalasang nasisira ang semiconductor material na maaaring gamitin para lumikha ng enerhiya.

Kaya, bagaman nasubukan na ang konsepto mula pa noong 1950s, napakababa ng mga ani, mula 0.4% hanggang 4.5%, kasama pa ang karagdagang mga isyu sa tibay ng sistema.

Pinagmulan: Optical Material

Ang binago ng mga mananaliksik mula sa Ohio ay ang paggamit ng scintillator, na naglalabas ng liwanag kapag na-expose sa radiation. Kinailangan ito ng maraming pagsisikap upang mahanap ang tamang materyal ng scintillator dahil kailangang ito ay nasa tamang balanse na tumutugma sa lahat ng pangangailangan:

• Malakas na absorber ng radiation, kapwa para mapataas ang ani at protektahan ang solar cell.
• Ang emitted na liwanag ay kailangang nasa tamang wavelength na tumutugma sa pagsipsip ng solar cell.
• Resistensya sa pinsala sa paglipas ng panahon, pinananatiling constant ang produksyon ng liwanag.
• Sapat na kapal upang sumipsip ng radiation, ngunit manipis at transparent upang hindi sumipsip ng labis na emitted na liwanag.

Sa huli, napili nila ang Cerium-doped Gadolinium Aluminum Gallium Garnet High Light-Yield (GAGG:Ce-HL – Gd3Al2Ga3O12).

Pinagmulan: Optical Material

Paglikha ng Kuryente Mula sa Radiation

Ang napiling solar cell ay isang thin-film polycrystalline CdTe, na gumagamit ng gold at indium contacts. Ang pangunahing dahilan para sa pagpili na ito ay ang mataas nitong resistensya sa radiation kumpara sa mga silicon-based na solar cell, hanggang 3 MGy (Megagrays).

Pinagmulan: Optical Material

Upang subukan ang konsepto, gumamit ang mga mananaliksik ng irradiation mula sa Cesium 137 at Cobalt 60, na ginawa ng mga benchtop irradiator.

Pinagmulan: Optical Material

Isang nakakagulat na natuklasan sa eksperimento ay na ang hugis at laki ng kristal na ginamit bilang scintillator ay maaaring malaki ang epekto sa kahusayan ng proseso.

Sa pangkalahatan, ang mas malaking volume ay maganda, tumutulong na mas mahuli ang radiation at i-convert ang mas maraming enerhiya sa liwanag.

Pinagmulan: Optical Material

Ang nabuong kuryente ay umabot hanggang 1.5 μW sa radiation dose rate na 10 kRad/h (gamit ang cobalt), sa kabila ng napakaliit na sukat ng prototype, na 4 cubic centimeters lamang.

“Ito ay mga breakthrough na resulta pagdating sa output ng kuryente. Ang dalawang-hakbang na prosesong ito ay nasa paunang yugto pa, ngunit ang susunod na hakbang ay kinabibilangan ng paglikha ng mas maraming watt gamit ang mga scale-up na konstruksyon.”

Ibrahim Oksuz – research associate sa mechanical at aerospace engineering sa Ohio State.

Mga Application

Ang mga baterya ng ganitong uri ay teoretikal na maaaring tumakbo magpakailanman nang walang anumang maintenance o interbensyon. Sa praktika, malamang na tatagal ito hangga’t tumatagal ang solar cell, habang ang natitirang bahagi ng sistema ay maaaring magtrabaho ng maraming dekada pa nang hindi nangangailangan ng anumang interbensyon.

Dahil ito ay isang experimental na sistema pa at ang mga aktibong isotopo ay hindi ginagawa sa malaking dami, malamang na hindi ito agad magpapagana sa ating mga smartphone.

Gayunpaman, maaari itong magamit upang lumikha ng mga pinagmumulan ng kuryente para sa mga sensor at kagamitan sa mga kapaligiran kung saan ang pinakamaliit na interbensyon ng tao ay mas kanais-nais, o kahit imposible. Halimbawa, sa mga pasilidad sa malalim na kalawakan, sa ilalim ng dagat, o sa mga nuclear reactor.

Malamang, aabutin ito ng hindi bababa sa 5 taon bago magkaroon ng anumang totoong paggamit, at ilang taon pa para sa mas pangkalahatang aplikasyon ng teknolohiyang ito.

“Ang pag-scale up ng teknolohiyang ito ay magiging magastos maliban kung ang mga bateryang ito ay maaaring maproduce nang maaasahan. Kailangan pa ng karagdagang pananaliksik upang tasahin ang kapakinabangan at limitasyon ng mga baterya, kasama na kung gaano katagal ang kanilang maaaring tumagal kapag ligtas na naipatupad.”

Ibrahim Oksuz – research associate sa mechanical at aerospace engineering sa Ohio State.

Magbabago rin ito nang radikal sa kung paano tinitingnan ang mga nuclear “waste”. Mula sa isang hindi kanais-nais na byproduct ng mga nuclear reactor, maaari itong maging napakahalagang pinagmumulan ng kuryente para sa mga advanced na sensor at elektronikong may kritikal na tungkulin.

At, siyempre, ang pag-recycle ng nuclear waste tungo sa mga pinagmumulan ng kuryente ay maglutas ng problema sa paghawak ng nuclear waste sa simula.

“Ang konsepto ng nuclear battery ay napakapanatag. Marami pa itong puwang para sa pagpapabuti, ngunit naniniwala ako na sa hinaharap, ang pamamaraang ito ay magtataguyod ng mahalagang puwang para sa sarili nito sa parehong industriya ng produksyon ng enerhiya at mga sensor.”

Ibrahim Oksuz – research associate sa mechanical at aerospace engineering sa Ohio State.

Kumpanya ng Nuclear

Cameco – Westinghouse Electric Company

Noong 2022, nagpasya ang Cameco na kunin ang 49% na kontrol sa Westinghouse, ang nangungunang tagapagtayo ng mga nuclear power plant sa US, kasama ang isang higanteng investment firm na Brookfield (51% na kontrol).

Ang kumpanya ay may napakalaking dibisyon ng renewable/low carbon power generation sa anyo ng $19B Brookfield Renewable (BEPC ) Partners (BEP ). Ang Brookfield Corporation (BN ) bilang kabuuan ay isang napakalaking asset management company na may halos isang trilyong dolyar sa pamamahala.

Ibig sabihin, ngayon ay makakakuha na ang Westinghouse ng napakalalim na pool ng kapital, isang bagay na madalas na isyu para sa mga tagapagtayo ng nuclear reactor, dahil ang mga bagong proyekto ay nangangailangan ng mga taon ng pamumuhunan bago magdala ng kita.

Bagaman mas matagal bago magbunga ng kita, kapag nasa konstruksyon na, ang isang bagong reactor ay nagbubuo ng kita para sa Westinghouse mula sa ika‑6 na taon matapos ang disenyo at engineering studies at magpapatuloy ito sa kabuuan ng proyekto ng konstruksyon para sa higit sa 10 taon.

Pinagmulan: Cameco

Ang pangunahing reactor ng Westinghouse ay ang subok at napatunayan na disenyo ng AP1000 reactor (6 na nasa operasyon at 6 na nasa konstruksyon), gamit ang CANDU standard ng kumpanya, isa sa pinaka-karaniwan sa mundo.

Nagtatrabaho rin ito sa AP300 small modular reactor, na malamang na ilalagay sa Slovakia, Finland, at Sweden, at sa microreactor e-Vinci, na nagpapakita ng patuloy na inobasyon ng kumpanya at kung paano ito sumusunod sa pinakabagong mga trend ng industriya.

Pinagmulan: Westinghouse

Ang Westinghouse ay mahalaga sa malaking bahagi ng nuclear supply chain. Dahil sa mahigpit na regulasyon, ang mga ganitong bahagi at kagamitan ay kakailanganin para sa anumang bagong planta ng enerhiya, tradisyonal man o SMR.

Sa pangkalahatan, kahit na maresolba ang isyu sa suplay ng uranium at bumagsak ang presyo ng uranium, ang pagmamay-ari ng Westinghouse ay dapat magbigay-daan sa Cameco na makinabang mula sa patuloy na nuclear renaissance sa loob ng ilang dekada.

Ang natitirang bahagi ng kumpanya ng Cameco ay isang minero ng uranium, na malamang ding makinabang mula sa patuloy na renaissance ng nuclear energy. Ang pangunahing mga asset ng pagmimina nito ay nasa Canada at Kazakhstan.

Historically, ang mga kumpanya ng uranium at nuclear reactor ay nagdanas ng takot sa nuclear disaster at mga alalahanin tungkol sa nuclear waste. Habang ang mga mas bago at mas ligtas na disenyo ay umuunlad, at habang ang nuclear waste ay nagiging mahalagang mapagkukunan sa halip na problema, hindi na ito dapat maging problema.

Dagdag pa rito, ang pagsulong para sa mas maraming low-carbon na pinagmumulan ng enerhiya, habang ang mga renewable ay hindi pa ganap na nalulutas ang problema ng intermittent production, lalo na sa taglamig, ay dapat makatulong sa nuclear energy na magkaroon ng makapangyarihang comeback.

Pinakabagong Balita sa Cameco

Sanggunian ng Pag-aaral:

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