革命性电池将核废料转化为持久电力

分裂原子的多种方法

核电通常与庞大的发电厂、巨大的冷却塔以及对核泄漏的恐惧联系在一起。这种情况正在逐渐改变，这要归功于 小型模块化反应堆（SMRs） 和 第四代核电站 (请点击链接，查看这两个项目的详细投资报告).

传统核电站和新型核电站都依赖于相同的概念，即利用核能将水加热成蒸汽，并通过涡轮机利用蒸汽发电。

利用核反应热量的另一种方法是放射性同位素热电发电机（RTG），通常以钚为燃料，用于深空任务。

不过，还有其他利用核能的方法。 其中之一是光伏电池它利用β辐射，通过在半导体吸收器中将电子与原子核分离，直接产生电流。

现在，美国俄亥俄州立大学和托莱多大学的研究人员就如何利用核反应发电提出了一个新概念。它将辐射转化为光，然后通过太阳能电池将光转化为电能，这一过程被称为 "射电光伏"。

他们公布了结果¹ 光学材料》杂志，标题为"基于闪烁体的核光伏电池用于微瓦级发电".

利用核能

当放射性原子分裂时，会同时发生几种情况。原始原子分裂并以中子和/或阿尔法和贝塔粒子的形式释放出其中的一些成分，具体反应取决于所使用的放射性元素。

资料来源 大英百科全书

在适当的条件下，这可以用来产生链式反应，从而大大提高核电站中铀的功率输出。

另一种可能性是某些元素的某些同位素随着时间的推移而自发分解。当核燃料中的原始铀原子破裂时，它们会转化为新元素，从而产生复杂的新元素混合体，其中许多元素都具有高度放射性。

这意味着这些新元素自发分裂的频率更高，每秒释放的能量也更大。

回收核废料

在核反应堆中产生的新元素通常被称为核废料，因为它们不能简单地在传统反应堆中用来产生更多电力。它们较高的自发放射性也是一个问题，因为这使得它们在几个世纪或几千年内都具有很强的毒性。

解决这一问题的方法之一是将核废料玻璃化（变成玻璃）并掩埋起来，希望这足以使其在未来一万年内不会对任何人造成伤害。

另一种方法是在称为快堆、增殖堆或燃烧堆的特殊反应堆中重新利用其中的一些废料。

20 世纪 70 年代至 90 年代，法国曾使用过这种反应堆。现代版本的快中子增殖反应堆包括，例如，已设计但尚未建造的 通用电气日立公司的 PRISM.

另一种方法是利用这些元素自然产生的高能量，将其转化为电能，而不需要特殊的反应堆。

将辐射转化为光和电

寻找合适的闪烁体

高放射性元素发出的伽马射线很难直接转化为电能，因为它们的威力太大，容易损坏可用于发电的半导体材料。

因此，虽然这一概念从 20 世纪 50 年代就开始测试，但产量一直极低，从 0.4% 到 4.5% 不等，而且还存在系统耐用性的问题。

资料来源 光学材料

俄亥俄州的研究人员所做的改变是使用一种闪烁体，这种闪烁体在受到辐射时会发光。这就需要花费大量精力寻找合适的闪烁体材料，因为它必须符合所有要求：

• 具有很强的辐射吸收能力，既能提高产量，又能保护太阳能电池。
• 去除的光必须具有与太阳能电池吸收相匹配的正确波长。
• 抗长期损坏，保持恒定的光生产。
• 厚度足以吸收辐射，但薄度和透明度足以不吸收过多的发射光。

他们最终选择了掺铈钆铝镓石榴石高光产（GAGG:Ce-HL - Gd3Al2Ga3O12）。

资料来源 光学材料

利用辐射发电

选用的太阳能电池是多晶碲化镉薄膜，使用金和铟触点。选择这种电池的主要原因是，与硅基太阳能电池相比，它具有很强的抗辐射能力，最高可达 3 MGy（兆焦耳）。

资料来源 光学材料

为了测试这一概念，研究人员使用了台式辐照装置生产的铯 137 和钴 60 进行辐照。

资料来源 光学材料

实验测试的一个惊人发现是，用作闪烁体的晶体的形状和大小会对工艺的效率产生很大影响。

总的来说，体积越大越好，有助于捕捉更多辐射，将更多能量转化为光。

资料来源 光学材料

尽管原型的体积非常小，只有 4 立方厘米，但在 10 kRad/h（使用钴）的辐射剂量率下，功率可达 1.5 μW。

"这些都是功率输出方面的突破性成果。这两个步骤的过程仍处于初步阶段，但下一步将通过放大结构产生更大的功率。

易卜拉欣-奥克苏兹 - 俄亥俄州立大学机械与航空航天工程副研究员。

 应用

理论上，这种类型的电池可以永远运行，无需任何维护或干预。实际上，它的寿命可能与太阳能电池一样长，而系统的其他部分可能还能工作几十年而无需任何干预。

由于这仍是一个实验系统，而且活性同位素并未大量生产，因此它不可能很快为我们的智能手机提供动力。

不过，它也可用于为传感器和设备创建电源，以适应那些最好尽量减少人工干预，甚至不可能进行人工干预的环境。例如，在深空设施、海底或核反应堆中。

最有可能的是，这项技术至少还需要 5 年才能在现实生活中得到应用，再过几年才能得到更广泛的应用。

"除非能够可靠地制造这些电池，否则推广这项技术的成本将会很高。需要开展进一步的研究，以评估电池的用途和局限性，包括一旦安全使用，它们可以持续多长时间"。

易卜拉欣-奥克苏兹 - 俄亥俄州立大学机械与航空航天工程副研究员。

它还将从根本上改变人们对核 "废物 "的看法。它们可以从核反应堆的不幸副产品，变成先进传感器和关键功能电子设备的非常宝贵的动力源。

当然，将核废料回收利用为能源首先就解决了处理核废料的问题。

"核电池概念非常有前途。虽然还有很大的改进空间，但我相信，未来这种方法将在能源生产和传感器行业开辟出自己的重要空间。

易卜拉欣-奥克苏兹 - 俄亥俄州立大学机械与航空航天工程副研究员。

核能公司

卡梅柯 - 西屋电气公司

2022 年 卡梅柯决定收购 49% 控制美国领先的核电站建造商西屋公司与巨型投资公司布鲁克菲尔德（Brookfield）（51% 控制）一起。

公司拥有一个庞大的可再生/低碳发电部门，其形式为 $19B 布鲁克菲尔德可再生能源合伙公司 (BEP -2.91%).布鲁克菲尔德公司作为一个整体，是一家管理着近万亿美元资产的大型资产管理公司。

这意味着西屋公司现在将能够获得非常雄厚的资金，而这往往是核反应堆建造商所面临的问题，因为新项目需要数年的投资才能带来收益。

新反应堆虽然需要较长时间才能转化为收入，但一旦开工建设，西屋公司就能从 6^第 在设计和工程研究结束后的一年，并在整个建设项目中持续进行，时间长达 10 多年。

资料来源 卡梅柯

西屋公司的工作母机是久经考验的 AP1000 反应堆设计（6 座投入运行，6 座在建），采用了 该公司的 CANDU 标准这是世界上最常见的疾病之一。

它还致力于 AP300 小型模块化反应堆有可能部署 在斯洛伐克, 芬兰和 瑞典和 微反应器 e-Vinci这说明公司在不断创新，并紧跟行业最新趋势。

资料来源 西屋

西屋公司在核电供应链的很大一部分中发挥着重要作用。由于严格的法规要求，无论是传统核电站还是 SMR 核电站，都需要这些部件和设备。

总之，即使铀的供应问题得到解决，铀价暴跌，Cameco 拥有西屋公司的股份也能使其至少在几十年内从正在进行的核复兴中获益。

Cameco 公司的其他部分是铀矿开采商，也可能受益于核能的不断复兴。它的主要采矿资产位于加拿大和哈萨克斯坦。

历史上，铀和核反应堆公司曾因对核灾难的恐惧和对核废料的担忧而深受其害。随着更新、更安全的设计日趋成熟，随着核废料成为宝贵的资源而不是问题，这应该不再是问题。

此外，在可再生能源仍未完全解决间歇性生产问题（尤其是在冬季）的情况下，推动更多低碳能源的发展应有助于核能的强势回归。

关于卡梅柯的最新信息

研究参考文献：

^{1.Ibrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao.(2025). 光学材料 第 25 卷，2025 年 2 月，100401 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010}