Японское агентство по атомной энергии (JAEA) сообщает о разработке первого в мире «уранового перезаряжаемого аккумулятора» и успешном подтверждении его работоспособности в циклах заряда-разряда. Одновременно южнокорейские ученые представили прототип бета-вольтаического элемента питания, использующего изотоп углерод-14.
В урановом аккумуляторе, по информации Японского агентства по атомной энергии (JAEA), в качестве активного материала отрицательного электрода используется обедненный уран (ОУ), а положительного – железо. Агентство уточняет, что напряжение прототипа составляет 1,3 вольта, что близко к показателю обычных щелочных батареек (1,5 вольта).
Прототип успешно прошел 10 циклов заряда-разряда, при этом его характеристики практически не изменились, что указывает на относительно стабильную работу. JAEA отмечает, что концепция использования урана в качестве активного материала для перезаряжаемых батарей была предложена еще в начале 2000-х годов для утилизации ОУ как нового ресурса. Однако до настоящего времени не публиковалось исследований, подтверждающих конкретные рабочие характеристики собранных урановых аккумуляторов.
Агентство добавляет, что если удастся увеличить емкость урановых аккумуляторов и внедрить их в практику, то огромные запасы ОУ, хранящиеся в Японии, станут новым ресурсом для регулирования выходной мощности в энергосистеме при использовании возобновляемых источников энергии, способствуя созданию безуглеродного общества. По данным JAEA, в Японии накоплено около 16 000 тонн обедненного урана, а мировые запасы оцениваются в 1,6 миллиона тонн.
В настоящее время JAEA работает над увеличением емкости урановых аккумуляторов (количества накапливаемой энергии) за счет циркуляции электролита. Агентство заявляет о планах изучить возможность увеличения емкости путем повышения объема циркулирующего электролита и концентрации урана и железа, а также определить оптимальные материалы для электродов и мембран. В JAEA ожидают, что успешное увеличение емкости и практическое внедрение таких аккумуляторов с использованием японских запасов ОУ позволит им выполнять новые функции, например, регулировать спрос и предложение для мегаваттных солнечных электростанций.
Подчеркивается, что потребность в перезаряжаемых аккумуляторах растет в последние годы вместе с увеличением доли возобновляемых источников энергии. Производство электроэнергии из солнца, ветра и других источников зависит от погодных условий и нестабильно. Для стабилизации энергоснабжения необходимо регулирование выходной мощности с помощью накопителей энергии, таких как аккумуляторы, что стимулирует разработку новых технологий хранения энергии.
Тем временем южнокорейские исследователи рассматривают радиоактивный изотоп углерода-14 как основу для безопасных, компактных и доступных ядерных батарей, способных работать десятилетиями или дольше без подзарядки. Профессор Су-Иль Ин из Института науки и технологий Тэгу-Кенбук (DGIST) представит результаты на весеннем собрании Американского химического общества. Исследование финансировалось Национальным исследовательским фондом Кореи и программой исследований и разработок DGIST Министерства науки и информационно-коммуникационных технологий Кореи.
Су-Иль Ин объясняет, что на фоне роста числа подключенных устройств, дата-центров и других вычислительных технологий спрос на долговечные батареи растет, в то время как производительность литий-ионных аккумуляторов, по его словам, «практически достигла предела». Его команда разрабатывает ядерные батареи как альтернативу литию.
Исследователи создали прототип бета-вольтаической батареи с использованием углерода-14 – нестабильной радиоактивной формы углерода. Профессор Ин поясняет, что выбрал этот изотоп, так как он излучает только бета-частицы. Кроме того, углерод-14 является побочным продуктом работы АЭС, он недорог, доступен и легко перерабатывается. Благодаря очень медленному распаду углерода-14, батарея на его основе теоретически может работать тысячелетиями.
Для повышения эффективности преобразования энергии команда использовала полупроводник на основе диоксида титана (часто применяемый в солнечных элементах), сенсибилизированный рутениевым красителем. Связь между диоксидом титана и красителем укрепили обработкой лимонной кислотой. Когда бета-частицы от углерода-14 сталкиваются с обработанным красителем, возникает каскад реакций переноса электронов – «электронная лавина». Лавина распространяется через краситель, а диоксид титана эффективно собирает генерируемые электроны.
Новая батарея содержит углерод-14 как в сенсибилизированном красителем аноде, так и в катоде. Обработав оба электрода радиоактивным изотопом, исследователи увеличили количество генерируемых бета-частиц и сократили потери их энергии из-за расстояния между структурами.
Демонстрации прототипа показали, что бета-частицы, испускаемые углеродом-14 на обоих электродах, инициируют в рутениевом красителе на аноде электронную лавину, которая собирается слоем диоксида титана и проходит через внешнюю цепь, создавая полезный электрический ток.
Профессор Ин утверждает, что такие долговечные ядерные батареи могут найти множество применений, включая питание имплантатов, удаленных устройств и спутников. Например, кардиостимулятор мог бы работать всю жизнь человека, избавляя от необходимости хирургической замены. Однако текущий прототип преобразует лишь малую долю энергии радиоактивного распада в электричество, что приводит к более низкой производительности по сравнению с литий-ионными батареями. Су-Иль Ин предполагает, что дальнейшая оптимизация формы излучателя бета-частиц и разработка более эффективных поглотителей могут улучшить характеристики батареи и увеличить выработку энергии.
