Devrim Niteliğindeki Pil Nükleer Atıkları Uzun Ömürlü Enerjiye Dönüştürüyor

Atomları Bölmenin Birçok Yolu

Nükleer enerji genellikle devasa enerji santralleri, dev soğutma kuleleri ve nükleer erime korkusu ile ilişkilendirilir. Bu durum, nükleer enerjinin ortaya çıkışı sayesinde giderek değişmektedir. SMR'ler (Küçük Modüler Reaktörler) ve 4. nesil nükleer enerji santralleri (her ikisi hakkında ayrıntılı yatırım raporları için bağlantıları takip edin).

Hem geleneksel hem de yeni nükleer enerji santralleri, suyu ısıtarak buhar haline getirmek ve bu buharı türbinler aracılığıyla elektrik üretmek için kullanmak üzere nükleer enerjiyi kullanma konusunda aynı konsepte dayanmaktadır.

Nükleer reaksiyonların ısısından faydalanmanın bir başka yolu da genellikle plütonyumla çalışan ve derin uzay görevlerinde kullanılan radyoizotop termoelektrik jeneratörleridir (RTG).

Ancak nükleer enerjiden yararlanmanın başka yolları da var. Bunlardan biri betavoltaik pillerdiryarı iletken bir soğurucuda elektronları atom çekirdeklerinden ayırarak doğrudan bir akım üretmek için beta radyasyonunu kullanır.

Şimdi, Ohio Eyalet Üniversitesi ve Toledo Üniversitesi (ABD) araştırmacıları tarafından nükleer reaksiyonlardan nasıl enerji üretileceğine dair yeni bir konsept oluşturuldu. Radyasyonu ışığa dönüştüren bu sistem, daha sonra radyovoltaik adı verilen bir işlemle güneş pili tarafından güce dönüştürülüyor.

Sonuçlarını yayınladılar¹ Optik Malzemeler alanında, "Mikrowatt seviyesinde güç üretimi için sintilatör tabanlı nükleer fotovoltaik piller".

Nükleer Enerjiden Yararlanma

Radyoaktif atomlar bölündüğünde, aynı anda birkaç şey meydana gelir. Orijinal atomlar parçalanır ve nötronlar ve/veya alfa ve beta parçacıkları şeklinde bazı bileşenlerini yayar, tam reaksiyon hangi radyoaktif elementin kullanıldığına bağlıdır.

Kaynak: Britannica

Bu, doğru koşullarda zincirleme bir reaksiyon yaratmak için kullanılabilir ve bu da nükleer enerji santrallerinde uranyumun güç çıkışını büyük ölçüde artırır.

Bir başka olasılık da bazı elementlerin izotoplarının zaman içinde kendiliğinden parçalanmasıdır. Nükleer yakıttaki orijinal uranyum atomları parçalandıkça yeni elementlere dönüşerek birçoğu yüksek derecede radyoaktif olan yeni elementlerin karmaşık bir karışımını oluştururlar.

Bu, bu yeni elementlerin kendiliğinden çok daha sık parçalandığı ve saniyede çok fazla enerji yaydığı anlamına gelir.

Nükleer Atıkların Geri Dönüşümü

Nükleer reaktörlerde yaratılan yeni elementler, geleneksel reaktörlerde daha fazla güç üretmek için kullanılamadıkları için genellikle nükleer atık olarak adlandırılırlar. Yüksek spontane radyoaktiviteleri de onları yüzyıllar veya bin yıllar boyunca çok zehirli hale getirdiği için bir sorundur.

Konuyla başa çıkmanın bir yolu, nükleer atıkları vitrifiye etmek (cam haline getirmek) ve gömmektir; bunun önümüzdeki 10.000 yıl içinde kimseye zarar vermesini engellemek için yeterli olacağını umuyoruz.

Bir diğer seçenek de bu atıkların bir kısmının hızlı reaktörler, damızlık reaktörler ya da yakıcı reaktörler olarak adlandırılan özel reaktörlerde yeniden kullanılmasıdır.

Bu tür reaktörler 1970-1990'larda Fransa'da faaliyet göstermiştir. Hızlı üretim reaktörlerinin modern versiyonları arasında, örneğin, tasarlanmış ancak inşa edilmemiş GE-Hitachi'den PRISM.

Bir başka seçenek de bu elementlerin doğal yüksek enerji üretimini kullanmak ve özel reaktörlere ihtiyaç duymadan enerjiye dönüştürmektir.

Radyasyonları Işık ve Güce Dönüştürmek

Doğru Sintilatörü Bulmak

Yüksek derecede radyoaktif elementlerden yayılan gama radyasyonunu doğrudan elektriğe dönüştürmek zordur çünkü bu radyasyon o kadar güçlüdür ki enerji üretmek için kullanılabilecek yarı iletken malzemeye zarar verme eğilimindedir.

Bu nedenle, konsept 1950'lerden bu yana test edilmiş olsa da, verim son derece düşük olmuş, 0,4% ile 4,5% arasında değişmiş ve sistemin dayanıklılığına ilişkin ek sorunlar ortaya çıkmıştır.

Kaynak: Optik Malzeme

Ohio'lu araştırmacıların yaptığı değişiklik, radyasyona maruz kaldığında ışık yayan bir sintilatör kullanmak oldu. Bu, doğru sintilatör malzemesini bulmak için çok fazla çaba gerektiriyordu çünkü tüm gereksinimleri karşılayan tatlı noktada olması gerekiyordu:

• Hem verimi artırmak hem de güneş pilini korumak için güçlü radyasyon emici.
• Yayılan ışığın güneş pili emilimiyle eşleşen doğru dalga boyunda olması gerekiyordu.
• Zaman içinde hasara karşı direnç, ışık üretimini sabit tutar.
• Radyasyonları absorbe edecek kadar kalın, ancak yayılan ışığın çok fazlasını absorbe etmeyecek kadar ince ve şeffaf.

Nihayetinde Seryum katkılı Gadolinyum Alüminyum Galyum Garnet Yüksek Işık Verimi (GAGG:Ce-HL - Gd3Al2Ga3O12) üzerinde karar kıldılar.

Kaynak: Optik Malzeme

Radyasyondan Güç Üretmek

Seçilen güneş pili, altın ve indiyum kontaklar kullanan ince film polikristal CdTe idi. Bu seçimin ana nedeni, silikon bazlı güneş pillerine kıyasla radyasyona karşı 3 MGy'ye (Megagrays) kadar yüksek direnç göstermesiydi.

Kaynak: Optik Malzeme

Konsepti test etmek için araştırmacılar, tezgah üstü ışınlayıcılar tarafından üretilen Sezyum 137 ve Kobalt 60 ışınlamasını kullandılar.

Kaynak: Optik Malzeme

Deneysel testin şaşırtıcı bir bulgusu, sintilatör olarak kullanılan kristalin şekli ve boyutunun sürecin verimliliğini güçlü bir şekilde etkileyebilmesiydi.

Genel olarak, daha büyük bir hacim iyi bir şeydir, daha fazla radyasyon yakalamaya ve daha fazla enerjiyi ışığa dönüştürmeye yardımcı olur.

Kaynak: Optik Malzeme

Ortaya çıkan güç, prototipin sadece 4 santimetreküp hacmindeki çok küçük boyutuna rağmen, 10 kRad/saat radyasyon doz hızı altında (kobalt kullanılarak) 1,5 μW'a kadar çıkmıştır.

"Bunlar güç çıkışı açısından çığır açan sonuçlar. Bu iki aşamalı süreç henüz ilk aşamalarında, ancak bir sonraki adım ölçek büyütme yapılarıyla daha fazla watt üretmeyi içeriyor."

İbrahim Öksüz - Ohio State'de makine ve havacılık mühendisliği alanında araştırma görevlisi.

 Uygulamalar

Bu tip bataryalar teorik olarak herhangi bir bakım veya müdahale olmadan sonsuza kadar çalışmaya devam edebilir. Pratikte, muhtemelen güneş pili kadar uzun ömürlü olacak ve sistemin geri kalanı da herhangi bir müdahale gerektirmeden onlarca yıl daha çalışacaktır.

Hala deneysel bir sistem olduğundan ve aktif izotoplar büyük miktarlarda üretilmediğinden, bunun yakında akıllı telefonlarımıza güç vermesi pek olası değildir.

Bununla birlikte, minimum insan müdahalesinin tercih edildiği, hatta imkansız olduğu ortamlarda sensörler ve ekipmanlar için güç kaynakları oluşturmak için kullanılabilir. Örneğin, derin uzay tesislerinde, deniz altında veya nükleer reaktörlerde.

Büyük olasılıkla, bu teknolojinin gerçek hayatta kullanılabilmesi için en az 5 yıl, daha genel uygulamalar için ise birkaç yıl daha geçmesi gerekecektir.

"Bu piller güvenilir bir şekilde üretilemediği sürece bu teknolojiyi büyütmek maliyetli olacaktır. Güvenli bir şekilde uygulandıklarında ne kadar süre dayanabilecekleri de dahil olmak üzere pillerin kullanışlılığını ve sınırlamalarını değerlendirmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır."

İbrahim Öksüz - Ohio State'de makine ve havacılık mühendisliği alanında araştırma görevlisi.

Ayrıca nükleer "atıkların" algılanış biçimini de kökten değiştirecektir. Nükleer reaktörlerin talihsiz bir yan ürünü olmaktan çıkıp, kritik işlevlerdeki gelişmiş sensörler ve elektronikler için çok değerli bir güç kaynağı haline gelebilirler.

Ve elbette nükleer atıkların enerji kaynaklarına geri dönüştürülmesi, nükleer atıklarla uğraşma sorununu en başta çözecektir.

"Nükleer pil konsepti çok umut verici. Hala geliştirilmesi gereken çok alan var, ancak gelecekte bu yaklaşımın hem enerji üretiminde hem de sensör endüstrisinde kendine önemli bir yer açacağına inanıyorum."

İbrahim Öksüz - Ohio State'de makine ve havacılık mühendisliği alanında araştırma görevlisi.

Nükleer Şirket

Cameco - Westinghouse Electric Company

2022'de, Cameco satın alma kararı aldı 49% ABD'nin önde gelen nükleer enerji santrali üreticisi Westinghouse'da kontroldev bir yatırım şirketi olan Brookfield (51% kontrolü) ile birlikte.

Şirketin $19B şeklinde devasa bir yenilenebilir/düşük karbonlu enerji üretim bölümü var Brookfield Yenilenebilir Ortaklar (BEP +2.11%). Brookfield Corporation bir bütün olarak, yönetimi altında yaklaşık bir trilyon dolar bulunan devasa bir varlık yönetim şirketidir.

Bu da Westinghouse'un artık çok derin bir sermaye havuzuna erişebileceği anlamına geliyor ki bu da yeni projeler gelir getirmeden önce yıllarca yatırım gerektirdiğinden nükleer reaktör üreticileri için genellikle bir sorun teşkil ediyor.

Gelire dönüşmesi daha uzun zaman alsa da, yeni bir reaktör inşa edildikten sonra Westinghouse için 6^inci Tasarım ve mühendislik çalışmalarından bir yıl sonra ve 10 yıldan uzun bir süre boyunca inşaat projesinin tamamı için bunu yapmaya devam edecektir.

Kaynak: Cameco

Westinghouse'un iş atı, denenmiş ve test edilmiş AP1000 reaktör tasarımıdır (6'sı işletmede ve 6'sı inşaat halindedir). Şirketin CANDU standardıdünyada en yaygın olanlardan biridir.

Üzerinde de çalışıyor AP300 küçük modüler reaktörkonuşlandırılması muhtemel olan Slovakya'da, Finlandiyave İsveçve mikroreaktör e-VinciŞirketin sürekli yeniliklerini ve sektörün en son trendlerine nasıl ayak uydurduğunu gösteriyor.

Kaynak: Westinghouse

Westinghouse nükleer tedarik zincirinin büyük bir bölümünde önemli bir rol oynamaktadır. Sıkı düzenlemeler nedeniyle, bu tür parça ve ekipmanlar geleneksel ya da SMR tüm yeni enerji santralleri için gerekli olacaktır.

Genel olarak, uranyumla ilgili arz sorunu çözülse ve uranyum fiyatları düşse bile, Westinghouse'un sahipliği Cameco'nun en azından birkaç on yıl boyunca devam eden nükleer rönesanstan faydalanmasını sağlayacaktır.

Cameco şirketinin geri kalanı bir uranyum madencisidir ve muhtemelen devam eden nükleer enerji rönesansından da faydalanacaktır. Ana madencilik varlıkları Kanada ve Kazakistan'da bulunmaktadır.

Tarihsel olarak, uranyum ve nükleer reaktör şirketleri nükleer felaket korkusu ve nükleer atıklarla ilgili endişelerden muzdarip olmuştur. Daha yeni ve daha güvenli tasarımlar olgunlaştıkça ve nükleer atıklar bir sorun yerine değerli bir kaynak haline geldikçe, bu artık bir sorun olmaktan çıkacaktır.

Buna ek olarak, yenilenebilir enerji kaynakları özellikle kış aylarında kesintili üretim sorununu hala tam olarak çözememişken, daha düşük karbonlu enerji kaynaklarına yönelik baskı nükleer enerjinin güçlü bir geri dönüş yapmasına yardımcı olacaktır.

Cameco hakkında son haberler

Çalışma Referansı:

^{1. İbrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao. (2025). Optik Malzeme. Cilt 25, Şubat 2025, 100401 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010}