Безпечна, компактна ядерна батарея може революціонізувати зберігання енергії

Ядерна енергія у всьому?

Коли виробництво ядерної енергії стало практичною технологією, це дало надію на те, що енергія, яка досі використовувалася лише для створення всесвітніх бомб, також може врятувати ту саму цивілізацію від виснаження ресурсів.

Оскільки зміна клімату викликає дедалі більше занепокоєння, атомна енергетика переживає ренесанс, оскільки це доступне, масштабоване та низьковуглецеве джерело енергії, яке може подолати розрив, доки відновлювані джерела енергії та батареї не будуть готові замінити викопне паливо. І з’являються нові проекти атомних електростанцій, які можуть зробити їх дешевшими, безпечнішими та гнучкішими, як ми пояснювали в «Оновлення SMR (малі модульні реактори) – все ще майбутнє ядерної енергетики"І"Четверте покоління ядерної енергії: дешевше, чистіше, безпечніше".

Однак ці великі електростанції не є такими, як спочатку уявляли собі атомну енергетику письменники-фантасти. Такі провідні мислителі, як Айзек Азімов, були набагато амбіційнішими й уявляли собі мініатюрні ядерні генератори, які можна було б вмістити в потяги, автомобілі та навіть менші пристрої, що робило ідею їх перезарядки чи дозаправки фактично застарілою.

Одним із кроків у цьому напрямку було зроблено презентацію ядерних батарей, достатньо малих для живлення малих електронних пристроїв. І це було б безпечно.

Ця дослідницька робота була представлена ​​на весняній зустрічі Американського хімічного товариства (ACS). Су-Іл Ін, професор Науково-технологічного інституту Тегу Кьонбук (Південна Корея), під назвою «Акумулятор наступного покоління: високоефективний і стабільний чутливий до барвника C14 бетавольтаїчний елемент».

джерело: Азіатські дослідницькі новини

Обмеження батареї

Ємність більшості електронних пристроїв сьогодні обмежена батареєю, яка зазвичай використовує літій-іонну технологію. Це стосується смартфонів, дронів, датчиків тощо.

Крім того, видобуток літію є екологічно руйнівним процесом, і в майбутньому літій може стати забруднювачем.

Тому вчені давно вважали кращою альтернативу використання радіоактивного розпаду, процес, який триває сотні чи навіть десятки тисяч років, і взагалі не вимагало б перезавантаження пристроїв.

Однак, оскільки такі пристрої були б радіоактивними, потрібно було б відповідати найсуворішим стандартам безпеки.

Бета-радіоактивність

Існує багато різних форм радіоактивності. З них гамма-розпад є найнебезпечнішим, оскільки він випромінює дуже потужні гамма-промені, які можуть викликати рак та інші пошкодження.

джерело: Сполука хім

Альфа- і бета-розпади набагато менш небезпечні, і радіоактивні викиди можна зупинити за допомогою тонкого шару алюмінію або навіть паперу.

джерело: Університет Західного Орегона

Вибір правильного ізотопу

Яка радіоактивна активність виникає, залежить від радіоактивного елемента та його ізотопів, тому деякі джерела енергії набагато безпечніші за інші. З цієї причини такі матеріали, як уран, не підійдуть для малих ядерних батарей.

Однак вуглець-14, природний ізотоп вуглецю, який часто використовують для встановлення дат, підійшов би.

Додатковою перевагою є те, що вуглець-14 все одно виробляється існуючим парком атомних електростанцій, що робить його недорогим, легкодоступним і легким для переробки. нарешті,

"Я вирішив використати радіоактивний ізотоп вуглецю, тому що він генерує лише бета-промені. А оскільки радіоактивний вуглець розкладається дуже повільно, радіовуглецевий акумулятор теоретично може працювати тисячоліттями".

Пр. Су-Іл Ін – професор Інституту науки та технологій Тегу Кьонбук

Бетавольтаїчна технологія

Використання бета-розпаду для виробництва електроенергії не є абсолютно новою концепцією, і вона відома як бета-вольтаїка, де бета-частинки замінюють фотони, які використовуються в класичній фотоелектричній системі.

У бетавольтаїці електрон замість фотона вдаряється об напівпровідник, що призводить до виробництва електрики.

Цей напівпровідниковий матеріал є ключовою частиною, оскільки його ефективність визначатиме загальну ефективність перетворення енергії. Поки що бета-електричні напівпровідники були дуже низькоефективними або занадто крихкими, щоб служити так довго, як ядерне паливо.

Напівпровідник діоксид титану

Професор Ін і його команда використовували матеріал, який зазвичай використовується в сонячних елементах, діоксид титану, і додали барвник на основі рутенію. Щоб зробити зв’язок між барвником і напівпровідником достатньо міцним, вони використали обробку лимонною кислотою.

Рутенієвий барвник, потрапляючи під бета-частинку (потужний електрон), створює каскад реакцій переносу електронів, який називається електронною лавиною. Потім діоксид титану збирає згенеровані електрони та перетворює їх на придатну для використання електроенергію.

Обробка обох електродів

Дослідники виявили, що можна радикально підвищити ефективність процесу, помістивши рутенієвий барвник як на катод, так і на анод ядерної батареї.

Порівняно з попередньою конструкцією з радіоактивним вуглецем лише на катоді, це призвело до значно вищого ККД перетворення енергії з 0.48% до 2.86%.

додатків

Оскільки ця система, швидше за все, на даний момент буде дорожчою, ніж звичайна батарея, вона виявить, що її перші застосування не замінювали або не перезаряджали джерело живлення.

Наприклад, кардіостимулятори та інші медичні імплантати можуть живитися протягом усього життя за допомогою таких бета-електричних батарей.

Датчики в чутливих або ворожих середовищах, таких як ядерні реактори, заводи, глибоке море або глибокий космос, також можуть отримати значну користь від цієї концепції.

Подальше вдосконалення

Ця технологія та вражаюче підвищення ефективності приєднуються до інших досліджень, спрямованих на використання радіоактивного розпаду для виробництва енергії без ядерного реактора. Наприклад, нещодавно ми обговорювали ідею використання ядерних відходів для виробництва іншого типу ядерних батарей.

Професор Ін припускає, що подальші зусилля з оптимізації форми випромінювача бета-випромінювання та розробки більш ефективних поглиначів бета-випромінювання можуть підвищити ефективність батареї та збільшити вироблення електроенергії.

Загалом ця технологія, ймовірно, продовжуватиме вдосконалюватись у міру розвитку нашого розуміння напівпровідників і рідкісних металів.

Інвестиції в атомну енергетику

Cameco – Westinghouse Electric Company

Ще у 2022 році Cameco прийняла рішення придбати 49% акцій Westinghouse, провідного будівельника атомних електростанцій у США, разом із гігантською інвестиційною компанією Brookfield (51% контролю).

Компанія має величезний підрозділ виробництва електроенергії з відновлюваних джерел/низьким вмістом вуглецю, вартість якого становить 19 мільярдів доларів Брукфілдські відновлювані партнери (BEP ). Корпорація Brookfield в цілому є великою компанією з управління активами, яка управляє майже трильйоном доларів.

Це означає, що Westinghouse тепер матиме доступ до дуже великого фонду капіталу, що часто є проблемою для будівельників ядерних реакторів, оскільки нові проекти потребують років інвестицій, перш ніж принести прибуток.

У той час як новий реактор довше матеріалізується в доходи, після будівництва новий реактор приносить Westinghouse доходи з 6^th рік після проектних та інженерних досліджень і буде продовжувати робити це протягом усього проекту будівництва протягом більше 10 років.

джерело: Камеко

Робочою конячкою Westinghouse є випробувана конструкція реактора AP1000 (6 в експлуатації та 6 у будівництві), використовуючи стандарт компанії CANDU, одна з найпоширеніших у світі.

Він також працює над Малий модульний реактор AP300, який, ймовірно, буде розгорнуто у Словаччині, Фінляндія та  Швеція, А мікрореактор е-Вінчі, що ілюструє постійні інновації компанії та те, як вона йде в ногу з останніми тенденціями галузі.

джерело: Westinghouse

Westinghouse відіграє важливу роль у значній частині ядерного ланцюжка поставок. Через жорсткі правила такі частини та обладнання будуть потрібні для будь-якої нової електростанції, як традиційної, так і SMR.

Загалом, навіть якщо проблема постачання урану буде вирішена і ціни на уран впадуть, володіння Westinghouse повинно дозволити Cameco отримувати вигоду від ядерного ренесансу, що триває, принаймні протягом кількох десятиліть.

Решта компанії Cameco займається видобутком урану, ймовірно, також виграє від триваючого ренесансу ядерної енергетики. Її основні гірничодобувні активи знаходяться в Канаді та Казахстані.

Історично уранові та ядерні реакторні компанії страждали від страху ядерної катастрофи та занепокоєння щодо ядерних відходів.

У міру того, як розвиваються нові та безпечніші проекти, а ядерні відходи стають цінним ресурсом, а не проблемою, це більше не повинно бути проблемою. Це включає виробництво вуглецю-14 для бета-вольтаїки, яке може стати додатковим виробництвом електростанцій Westinghouse.

Крім того, поштовх до джерел енергії з низьким вмістом вуглецю, в той час як відновлювані джерела енергії все ще повністю вирішують проблему переривчастого виробництва, особливо взимку, має допомогти ядерній енергетиці потужно повернутися.

(Якщо вас більше цікавить потенціал попиту на елементи, використані в цьому дослідженні, ви також можете проконсультуватися наш звіт про інвестиції в титан)

Останнє на Cameco-Westinghouse Electric Company