Devrim Niteliğinde Pil Nükleer Atıkları Uzun Süreli Güce Dönüştürüyor

Atomları Bölmenin Birçok Yolu

Nükleer enerji genellikle devasa enerji santralleri, büyük soğutma kuleleri ve nükleer felaket korkusuyla ilişkilendirilir. Bu durum, SMR’ler (Küçük Modüler Reaktörler) ve nükleer enerji santrallerinin 4. nesli sayesinde giderek değişiyor (her ikisi için detaylı yatırım raporları için bağlantılara tıklayın).

Hem geleneksel hem de yeni nükleer enerji santralleri, nükleer enerjiyi suyu buhara ısıtmak ve buharı türbinler aracılığıyla elektrik üretmek için kullanma aynı konseptine dayanır.

Nükleer reaksiyonların ısısını kullanmanın bir diğer yolu, genellikle plütonyumla çalışan ve derin uzay görevlerinde kullanılan radyoizotop termoelektrik jeneratörler (RTG) aracılığıyla yapılır.

Bununla birlikte, nükleer enerjiyi kullanmanın başka yolları da vardır. Betavoltaik pillerden biri, yarı iletken bir absorbeörde atom çekirdeklerinden elektronları ayırarak beta radyasyonunu doğrudan akım üretmek için kullanır.

Şimdi, Ohio State Üniversitesi ve Toledo Üniversitesi (ABD) araştırmacıları tarafından nükleer reaksiyonlardan güç üretmenin yeni bir konsepti oluşturuldu. Radyasyonu ışığa dönüştürür ve bu ışık bir güneş hücresi tarafından güce çevrilir; bu süreç radyovoltaik olarak adlandırılır.

Sonuçlarını¹ Optical Materials dergisinde, “mikrowatt seviyesinde güç üretimi için scintillatör tabanlı nükleer fotovoltaik piller” başlığıyla yayınladılar.

Nükleer Enerjinin Kullanılması

Radyoaktif atomlar bölündüğünde, aynı anda birkaç şey gerçekleşir. Orijinal atomlar bölünür ve bazı bileşenlerini nötron ve/veya alfa & beta parçacıkları şeklinde yayar; tam reaksiyon kullanılan radyoaktif elemente bağlıdır.

Kaynak: Britannica

Bu, doğru koşullarda bir zincir reaksiyonu oluşturmak için kullanılabilir ve nükleer enerji santrallerinde uranyumun güç çıkışını büyük ölçüde artırır.

Başka bir olasılık, belirli elementlerin bazı izotoplarının zamanla kendiliğinden parçalanmasıdır. Nükleer yakıttaki orijinal uranyum atomları parçalandıkça, yeni elementlere dönüşür ve birçokının yüksek derecede radyoaktif olduğu karmaşık bir yeni element karışımı oluşur.

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

Nükleer Atıkların Geri Dönüşümü

Nükleer reaktörlerde oluşturulan yeni elementlere genellikle nükleer atık denir, çünkü geleneksel reaktörlerde daha fazla güç üretmek için kullanılamazlar. Daha yüksek kendiliğinden radyoaktivite de bir sorundur; bu, onları yüzyıllar ya da binyıllar boyunca çok toksik hâle getirir.

Bu sorunla başa çıkmanın bir yolu, nükleer atığı vitrifiye (cam haline) getirip gömmektir; bu, önümüzdeki 10.000 yıl içinde kimseye zarar vermesini engelleyecek kadar yeterli olacağı umulur.

Başka bir seçenek, bu atıkların bir kısmını hızlı reaktörler, breeder (üretici) veya burner (yakıcı) reaktörleri olarak adlandırılan özel reaktörlerde yeniden kullanmaktır.

Bu tür reaktörler Fransa’da 1970-1990 yılları arasında işletildi. Modern hızlı breeder reaktörlerinin örnekleri arasında, örneğin, tasarlanmış ancak inşa edilmemiş GE-Hitachi tarafından PRISM yer alır.

Başka bir seçenek ise bu elementlerin doğal yüksek enerji üretimini kullanarak özel reaktörlere ihtiyaç duymadan güce dönüştürmektir.

Radyasyonları Işığa ve Güce Dönüştürmek

Doğru Scintillatörü Bulmak

Yüksek radyoaktif elementler tarafından yayılan gama radyasyonu, doğrudan elektriğe dönüştürülmesi zor bir işlemdir; çünkü o kadar güçlüdür ki, gücü üretebilecek yarı iletken malzemeye zarar verme eğilimindedir.

Dolayısıyla, konsept 1950’lerden beri test edilmiş olsa da, verimler son derece düşüktür; %0,4 ile %4,5 arasında değişir ve sistemin dayanıklılığıyla ilgili ek sorunlar vardır.

Kaynak: Optical Material

Ohio araştırmacılarının değiştirdiği şey, radyasyona maruz kaldığında ışık yayan bir scintillatör kullanmaktı. Bu, tüm gereksinimleri karşılayacak doğru scintillatör malzemesini bulmak için büyük çaba gerektirdi; çünkü malzeme şu kriterleri karşılamalıydı:

• Radyasyonları güçlü bir şekilde absorbe eden, hem verimi artırmak hem de güneş hücresini korumak.
• Yayılan ışığın, güneş hücresinin absorpsiyonuna uygun doğru dalga boyunda olması.
• Zaman içinde hasara karşı dirençli, ışık üretimini sabit tutan.
• Radyasyonları absorbe edecek kadar kalın, ancak yayılan ışığın çok fazla absorbe edilmemesi için yeterince ince ve şeffaf.

Sonuçta seçimleri, Seriyum ile doplanmış Gadolinyum Alüminyum Galyum Garnet Yüksek Işık Verimi (GAGG:Ce-HL – Gd3Al2Ga3O12) üzerine oldu.

Kaynak: Optical Material

Radyasyondan Güç Üretmek

Seçilen güneş hücresi, altın ve indiyum kontakları kullanan ince film çok kristalli CdTe idi. Bu seçimin temel nedeni, silikon tabanlı güneş hücrelerine kıyasla radyasyona karşı yüksek direnci (3 MGy’a kadar) olmasıydı.

Kaynak: Optical Material

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

Kaynak: Optical Material

Deneysel testin şaşırtıcı bir bulgusu, scintillatör olarak kullanılan kristalin şekil ve boyutunun sürecin verimliliğini büyük ölçüde etkileyebileceğiydi.

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

Kaynak: Optical Material

Prototipin çok küçük, sadece 4 cm³ hacmine rağmen, 10 kRad/h (kobalt kullanılarak) radyasyon doz oranı altında elde edilen güç 1,5 μW’a kadar çıktı.

“Güç çıktısı açısından bunlar çığır açan sonuçlardır. Bu iki aşamalı süreç hâlâ ön aşamalarında, ancak bir sonraki adım, ölçeklendirilmiş yapılarla daha yüksek watt üretimini içerecek.”

Ibrahim Oksuz – Ohio State’de mekanik ve uzay mühendisliği araştırma görevlisi

Uygulamalar

Bu tip piller teorik olarak bakım veya müdahale olmadan sonsuza kadar çalışabilir. Pratikte, muhtemelen güneş hücresi ömrü kadar dayanır ve sistemin geri kalanı da müdahale gerektirmeden daha birçok on yıl çalışabilir.

Sistemin hâlâ deneysel olması ve aktif izotopların büyük miktarlarda üretilmemesi nedeniyle, bu pillerin yakında akıllı telefonlarımızı güçlendirmesi pek olası değildir.

Bununla birlikte, insan müdahalesinin en az seviyede tercih edildiği ya da mümkün olmadığı ortamlarda sensörler ve ekipmanlar için enerji kaynakları oluşturmak amacıyla kullanılabilir. Örneğin, derin uzay tesislerinde, deniz altında veya nükleer reaktörlerde.

Muhtemelen, gerçek hayatta kullanılmaya başlanması en az beş yıl sürecek ve bu teknolojinin daha genel uygulamaları için birkaç yıl daha gerekecek.

“Bu teknolojiyi ölçeklendirmek maliyetli olacaktır, bu piller güvenilir bir şekilde üretilemediği sürece. Pillerin faydalarını ve sınırlamalarını, özellikle güvenli bir şekilde uygulandığında ne kadar süre dayanabileceklerini değerlendirmek için daha fazla araştırma gereklidir.”

Ibrahim Oksuz – Ohio State’de mekanik ve uzay mühendisliği araştırma görevlisi

Ayrıca nükleer “atıkların” algılanış biçimini kökten değiştirecektir. Nükleer reaktörlerin talihsiz bir yan ürünü olmaktan, kritik fonksiyonlardaki gelişmiş sensörler ve elektronikler için çok değerli bir enerji kaynağı haline gelebilirler.

Ve tabii ki, nükleer atıkları enerji kaynaklarına dönüştürmek, nükleer atıklarla başa çıkma sorununu baştan çözer.

“Nükleer pil konsepti çok umut verici. Hâlâ geliştirme için geniş bir alan var, ancak gelecekte bu yaklaşımın hem enerji üretimi hem de sensör endüstrisinde kendine önemli bir yer açacağına inanıyorum.”

Ibrahim Oksuz – Ohio State’de mekanik ve uzay mühendisliği araştırma görevlisi

Nükleer Şirket

Cameco – Westinghouse Electric Company

2022 yılında Cameco, satın alma kararını verdi %49 kontrolü Westinghouse’da, ABD’de nükleer enerji santrallerinin önde gelen yapıcısı, dev bir yatırım firması Brookfield ( %51 kontrol) ile birlikte.

Şirket, $19B değerindeki Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ) şeklinde dev bir yenilenebilir/düşük karbonlu enerji üretim bölümüne sahiptir. Brookfield Corporation (BN ) ise bütün olarak yaklaşık bir trilyon dolar yönetilen dev bir varlık yönetim şirketidir.

Bu, Westinghouse’ın artık çok derin bir sermaye havuzuna erişebileceği anlamına gelir; bu, yeni projelerin gelir getirmeden önce yıllarca yatırım gerektirdiği için nükleer reaktör inşaatçıları için sıkça bir sorun olur.

Gelire dönüşmesi daha uzun sürse de, inşa aşamasına geçtikten sonra yeni bir reaktör, tasarım ve mühendislik çalışmalarından sonraki 6^{. yıl} itibarıyla Westinghouse için gelir üretir ve inşaat projesinin tamamı boyunca, 10 yıldan fazla bir süre boyunca bu geliri sağlamaya devam eder.

Kaynak: Cameco

Westinghouse’ın bel kemiği, deneme ve testlerden geçmiş AP1000 reaktör tasarımıdır (6’sı işletmede ve 6’sı inşaatta) ve şirketin CANDU standardını kullanır; bu, dünyada en yaygın olanlardan biridir.

Ayrıca AP300 küçük modüler reaktör üzerinde çalışıyor; bu reaktörün Slovakya, Finlandiya ve İsveç‘de konuşlandırılması muhtemeldir ve mikroreaktor e-Vinci, şirketin sürekli yeniliklerini ve endüstrinin en son trendlerine ayak uydurmasını göstermektedir.

Kaynak: Westinghouse

Westinghouse, nükleer tedarik zincirinin büyük bir bölümünde kritik bir rol oynamaktadır. Sıkı düzenlemeler nedeniyle, bu tür parçalar ve ekipmanlar, geleneksel ya da SMR olsun, herhangi bir yeni enerji santrali için gerekli olacaktır.

Genel olarak, uranyum tedarik sorunu çözülüp uranyum fiyatları çökse bile, Westinghouse’un sahipliği, Cameco’nun mevcut nükleer yeniden doğadan en az birkaç on yıl faydalanmasını sağlayacaktır.

Cameco şirketinin geri kalan kısmı bir uranyum madencisidir ve mevcut nükleer enerji yeniden doğasından da fayda sağlaması muhtemeldir. Ana madencilik varlıkları Kanada ve Kazakistan’dadır.

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

Ayrıca, yenilenebilir enerjilerin hâlâ kesintili üretim sorununu, özellikle kış aylarında, tam olarak çözmemiş olması, daha fazla düşük karbonlu enerji kaynağı talebini artırmakta ve bu da nükleer enerjinin güçlü bir geri dönüş yapmasına yardımcı olacaktır.

Cameco’da Son Gelişmeler

Çalışma Referansı:

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