Güvenli, Kompakt Nükleer Pil Enerji Depolamayı Devrim Niteliğinde Değiştirebilir

Nükleer Enerji Her Şeyde?

Nükleer enerji üretimi uygulanabilir bir teknoloji hâline geldiğinde, o zamana kadar yalnızca dünyayı yok edebilecek bombalar yapmak için kullanılan enerjinin aynı uygarlığı kaynakların tükenmesinden de kurtarabileceği umudunu doğurdu.

İklim değişikliği giderek büyüyen bir kaygı hâline gelirken, yenilenebilir kaynaklar ve bataryalar fosil yakıtların yerini almaya hazır olana kadar aradaki boşluğu doldurabilecek, erişilebilir, ölçeklenebilir ve düşük karbonlu bir enerji kaynağı olan nükleer enerji yeniden yükselişe geçiyor. Ayrıca, “SMR’ler (Küçük Modüler Reaktörler) Hakkında Güncelleme – Hâlâ Nükleer Enerjinin Geleceği mi?” ve “Nükleer Enerjinin 4. Nesli: Daha Ucuz, Daha Temiz, Daha Güvenli” başlıklı yazılarımızda açıkladığımız gibi, nükleer enerjiyi daha ucuz, güvenli ve esnek kılabilecek yeni santral tasarımları da geliştiriliyor.

Ancak bu büyük santraller, bilim kurgu yazarlarının nükleer enerjiyi ilk başta tasavvur ettiği biçim değildi. Isaac Asimov gibi önde gelen düşünürler çok daha iddialıydı; trenlere, otomobillere ve daha da küçük cihazlara sığabilecek minyatür nükleer jeneratörler hayal ederek bunları yeniden şarj etme veya yakıt ikmali yapma ihtiyacını neredeyse ortadan kaldırmışlardı.

Bu yöndeki adımlardan biri, küçük elektronik cihazlara güvenli biçimde güç sağlayabilecek kadar küçük nükleer bataryaların tanıtılmasıyla atılıyor.

Bu araştırma, Güney Kore’deki Daegu Gyeongbuk Bilim ve Teknoloji Enstitüsü profesörü Su-Il In tarafından Amerikan Kimya Derneği’nin (ACS) bahar toplantısında “Yeni nesil batarya: Yüksek verimli ve kararlı C14 boya duyarlı betavoltaik hücre” başlığıyla sunuldu.

Kaynak: Asia Research News

Pil Sınırlaması

Günümüzde çoğu elektronik cihazın kapasitesi, genellikle lityum iyon teknolojisini kullanan bataryasıyla sınırlıdır. Bu durum akıllı telefonlar, dronlar, sensörler ve daha birçok cihaz için geçerlidir.

Ayrıca lityum madenciliği çevreye zarar veren bir süreçtir ve lityum gelecekte bir kirleticiye dönüşebilir.

Bu nedenle bilim insanları, yüzlerce hatta on binlerce yıl süren radyoaktif bozunmayı kullanmanın, cihazların hiçbir zaman yeniden şarj edilmesini gerektirmeyecek daha iyi bir seçenek olabileceğini uzun zamandır değerlendiriyor.

Ancak bu tür cihazlar radyoaktif olacağından en sıkı güvenlik standartlarını karşılamaları gerekir.

Beta-Radyaktivite

Radyoaktivitenin birçok farklı türü vardır. Bunlar arasında gama bozunması, kansere ve başka hasarlara yol açabilen çok güçlü gama ışınları yaydığı için en tehlikelisidir.

Kaynak: Compound Chem

Alfa ve beta bozunmaları çok daha az tehlikelidir; radyoaktif emisyonları ince bir alüminyum tabakasıyla, hatta yalnızca kâğıtla bile durdurulabilir.

Kaynak: Western Oregon University

Doğru İzotopu Seçmek

Hangi radyoaktif etkinliğin gerçekleşeceği radyoaktif elemente ve izotoplarına bağlıdır; bu nedenle bazı enerji kaynakları diğerlerinden çok daha güvenlidir. Bu yüzden uranyum gibi maddeler küçük nükleer bataryalar için uygun değildir.

Buna karşılık, karbonun doğada bulunan ve tarihleme tekniklerinde sıkça kullanılan bir izotopu olan karbon-14 uygun bir seçenek olabilir.

Bir başka avantaj da karbon-14’ün mevcut nükleer santraller tarafından zaten üretilmesi; bu da onu ucuz, kolay erişilebilir ve geri dönüştürülmesi kolay hâle getiriyor. Son olarak,

“Yalnızca beta ışınları ürettiği için karbonun radyoaktif bir izotopunu kullanmaya karar verdim. Radyokarbon çok yavaş bozunduğundan, radyokarbonla çalışan bir batarya teorik olarak binlerce yıl dayanabilir.”

Prof. Su-Il In – Daegu Gyeongbuk Bilim ve Teknoloji Enstitüsü Profesörü

Betavoltaik Teknoloji

Elektrik üretmek için beta bozunmasından yararlanmak tamamen yeni bir kavram değildir ve klasik fotovoltaik sistemlerde kullanılan fotonların yerini beta parçacıklarının aldığı bu teknoloji betavoltaik olarak bilinir.

Betavoltaik sistemlerde bir foton yerine bir elektron yarı iletkene çarpar ve bunun sonucunda elektrik üretilir.

Yarı iletken malzeme temel unsurdur; çünkü verimliliği toplam enerji dönüşüm oranını belirler. Bugüne kadarki betavoltaik yarı iletkenlerin verimi çok düşük kalmış ya da bu malzemeler nükleer yakıt kadar uzun süre dayanamayacak ölçüde kırılgan olmuştur.

Titan Dioksit Yarı İletken

Prof. In ve ekibi, güneş hücrelerinde yaygın olarak kullanılan titanyum dioksite rutenyum bazlı bir boya ekledi. Boya ile yarı iletken arasındaki bağı yeterince sağlamlaştırmak için sitrik asit işlemi uyguladılar.

Rutenyum boya bir beta parçacığının, yani yüksek enerjili bir elektronun çarpmasıyla elektron çığı adı verilen bir elektron aktarım tepkimeleri zinciri oluşturur. Titanyum dioksit daha sonra ortaya çıkan elektronları toplar ve kullanılabilir elektriğe dönüştürür.

Her İki Elektrodu da İşlemek

Araştırmacılar, rutenyum boyayı nükleer bataryanın hem katoduna hem de anoduna uygulayarak sürecin verimliliğinin büyük ölçüde artırılabileceğini keşfetti.

Yalnızca katotta radyokarbon bulunan önceki tasarıma kıyasla enerji dönüşüm verimliliği %0,48’den %2,86’ya yükseldi.

Uygulamalar

Bu sistem şimdilik sıradan bir bataryadan daha pahalı olacağından, ilk olarak enerji kaynağını değiştirmemenin veya yeniden şarj etmemenin en büyük faydayı sağladığı alanlarda kullanılacaktır.

Örneğin kalp pilleri ve diğer tıbbi implantlar, bu tür betavoltaik bataryalarla kullanım ömürleri boyunca çalıştırılabilir.

Nükleer reaktörler, fabrikalar, derin denizler veya uzay gibi hassas ya da zorlu ortamlarda kullanılan sensörler de bu yaklaşımdan büyük ölçüde yararlanabilir.

Daha Fazla İyileştirme

Bu teknoloji ve verimlilikteki etkileyici artış, nükleer reaktör kullanmadan enerji üretmek için radyoaktif bozunmadan yararlanmayı amaçlayan diğer araştırmalara katılıyor. Örneğin, yakın zamanda nükleer atıkları başka bir nükleer batarya türü üretmek için kullanma fikrini ele aldık.

Prof. In, beta ışını yayıcısının biçimini optimize etmeye ve daha verimli beta ışını soğurucuları geliştirmeye yönelik çalışmaların bataryanın performansını artırabileceğini ve daha fazla enerji üretebileceğini belirtiyor.

Genel olarak yarı iletkenler ve nadir metaller hakkındaki bilgimiz geliştikçe bu teknolojinin de ilerlemeyi sürdürmesi bekleniyor.

Nüklere Yatırım

Cameco – Westinghouse Electric Company

2022 yılında Cameco, ABD’nin önde gelen nükleer santral üreticisi Westinghouse’un %49 hissesini satın almaya karar verdi; yatırım devi Brookfield ise şirketin %51 hissesini aldı.

Şirketin, 19 milyar dolar değerindeki Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ) aracılığıyla devasa bir yenilenebilir ve düşük karbonlu enerji üretim bölümü bulunuyor. Brookfield Corporation (BN ) ise toplamda yaklaşık bir trilyon dolarlık varlık yöneten büyük bir varlık yönetim şirketidir.

Bu durum Westinghouse’un çok geniş bir sermaye havuzuna erişebileceği anlamına geliyor. Yeni projeler gelir getirmeye başlamadan önce yıllarca yatırım gerektirdiği için sermayeye erişim, nükleer reaktör üreticileri açısından çoğu zaman önemli bir sorundur.

Gelire dönüşmesi daha uzun sürse de yeni bir reaktörün inşasına başlandığında Westinghouse, tasarım ve mühendislik çalışmalarından sonraki 6. yıldan itibaren gelir elde eder ve 10 yılı aşan inşaat projesi boyunca gelir sağlamayı sürdürür.

Kaynak: Cameco

Westinghouse’un temel ürünü, 6’sı faaliyette ve 6’sı yapım aşamasında olan, kendini kanıtlamış AP1000 reaktör tasarımıdır. Şirket ayrıca dünyada en yaygın kullanılanlardan biri olan CANDU standardını kullanır.

Şirket ayrıca AP300 küçük modüler reaktörü üzerinde çalışıyor. Bu reaktörün Slovakya, Finlandiya ve İsveç’te konuşlandırılması bekleniyor. e-Vinci mikroreaktörü de şirketin sürekli yenilik yaptığını ve sektördeki son eğilimleri izlediğini gösteriyor.

Kaynak: Westinghouse

Westinghouse, nükleer tedarik zincirinin büyük bir bölümünde kilit rol oynuyor. Sıkı düzenlemeler nedeniyle bu tür parça ve ekipmanlar, geleneksel ya da SMR olsun, her yeni santral için gerekli olacaktır.

Genel olarak uranyum arzı sorunu çözülüp fiyatlar düşse bile Westinghouse’taki payı, Cameco’nun devam eden nükleer canlanmadan en az birkaç on yıl boyunca yararlanmasını sağlayacaktır.

Cameco’nun geri kalan faaliyetleri uranyum madenciliğine dayanıyor ve bunların da nükleer enerjideki canlanmadan yararlanması bekleniyor. Şirketin başlıca maden varlıkları Kanada ve Kazakistan’dadır.

Uranyum ve nükleer reaktör şirketleri geçmişte nükleer felaket korkusu ile nükleer atıklara ilişkin kaygılardan olumsuz etkilendi.

Daha yeni ve güvenli tasarımlar olgunlaştıkça ve nükleer atıklar bir sorun olmaktan çıkıp değerli bir kaynağa dönüştükçe bu kaygıların azalması bekleniyor. Buna, Westinghouse santrallerinin ek bir ürünü hâline gelebilecek betavoltaik sistemler için karbon-14 üretimi de dahildir.

Ayrıca yenilenebilir kaynaklar özellikle kış aylarındaki kesintili üretim sorununu henüz bütünüyle çözmemişken, daha fazla düşük karbonlu enerji kaynağına yönelme eğilimi nükleer enerjinin güçlü bir dönüş yapmasına yardımcı olacaktır.

(Bu çalışmada kullanılan elementlere yönelik talep potansiyeliyle daha fazla ilgileniyorsanız titanyuma yatırım raporumuza da göz atabilirsiniz.)

En Son Cameco-Westinghouse Electric Company