贫铀电池或许能将核废料转化为电能或可成为电网规模储能的新思路

JAEA

这看起来就像是《回到未来》里布朗博士车库里捣鼓出来的玩意儿：一种用贫铀制成的可充电电池。但这确实就是日本的研究人员做出来的东西。

日本原子能研究开发机构（JAEA）的科学家们表示，他们的铀电池可以作为大容量锂离子电池的潜在替代品，帮助像风力和太阳能发电厂这样的可再生能源提供稳定的能源输出。他们还提到，这是世界上首个此类电池，并且他们已经验证了其充放电性能。虽然这项技术仍处于研发的早期阶段，但它有望将核废料转化为一种资源。

日本的核电产业遗留下来了1.6万吨贫铀，这些贫铀是核燃料生产过程中产生的副产品。相比之下，美国能源部储存了大约75万吨贫铀（https://www.nrc.gov/waste/llw-disposal/decision-support/uw-streams/bg-info-du.html）。

要将铀用作反应堆中的燃料，它需要经过浓缩过程，这一过程会产生浓缩铀和贫铀，贫铀中可裂变的铀 - 235同位素含量较低。贫铀具有微弱的放射性；然而，其化学毒性与天然铀类似，高剂量时会损害肾脏。尽管如此，由于贫铀密度大，它仍有很多用途，包括用于穿甲弹以及医疗领域的辐射防护。现在，日本原子能研究开发机构（JAEA）的研究人员称，贫铀也可用于制造电池。

日本原子能研究开发机构在 3 月份宣布了这一研发成果，并提供了该电池技术的大致轮廓。虽然该机构拒绝透露关于这项技术的更多详细信息的论文将于何时、在何处发表，但他们确认了一些方面。具体来说，这个原型是一种液流电池，这是一种已被提议用于风能和太阳能等间歇性可再生能源的储能形式。液流电池将能量储存在两个装有液体电解质溶液的容器中，一个带正电，另一个带负电，容器越大，储能容量就越大。

这些溶液被泵入电池组中，在那里它们会在电极处发生反应并产生电能。在这个原型电池中，铀被用作负极的活性材料，而铁则被用作正极的活性材料。该电池的电解质溶液是一种有机溶剂和一种既含有正离子又含有负离子的盐的混合物，这种混合物在100摄氏度以下的温度下呈液态。

铀电池原型的研发

大约25年前，东北大学的Yoshinobu Shiokawa以及京都大学的Hajimu Yamana和Hirotake Moriyama就曾提出过可充电铀电池的构想。据日本原子能研究开发机构（JAEA）的助理首席研究员Kazuki Ouchi称，在新原型的设计中加入铁元素是关键所在。具体来说，使用处于不同氧化态的铁离子有助于稳定电解液。将铁用作电解液是这项发明的关键部分。通过将铁电解液和铀电解液相结合，日本原子能研究开发机构的研究人员在原型设计中实现了1.3伏的电压。

该原型的单电池电压为1.3伏，接近常见的1.5伏碱性电池的电压，并且它能够点亮一颗小的发光二极管（LED）。研究人员称，该电池进行了10次充放电，在此期间其性能几乎没有变化，这表明其循环性能相对稳定。

在充放电循环过程中，铀电解液的颜色从绿色变为紫色，然后又变回绿色，这反映出铀处于不同的氧化态。

当被问及使用贫铀所涉及的安全问题时，该团队表示，通过适当的防护措施可以解决这些担忧。

Kazuki Ouchi说：“由于此次研究中的原型电池是实验室规模（大约3毫升电解液），其中铀的放射性并不是问题。铀的放射性相对较低，但也不可忽视。” 该团队计划评估电池释放的放射性剂量，并研究针对更大容量设计的防护结构。

目前，该研究团队正在研发包括电极在内的液流电池，以制造出更高容量的电池。这种更大容量的设计将使用650吨铀，容量可达3万千瓦时，大致相当于日本3000户家庭的日用电量。

牛津大学工程科学教授David Howey专门研究电池技术，但并未参与这项研究。他表示：“铀电池的概念作为一个测试非水电解液性能的案例，或许能带来一些有趣的见解，但它也存在重大问题，包括铀的安全性和重量问题。”

这种电池还将面临与现有技术的激烈竞争。“现有的固定储能技术，比如锂离子电池和液流电池，已经经过了多年的研发和规模化发展，因此，根据莱特法则（Wright’s law，即随着产量的增加成本会下降这一现象），它们在成本方面比新技术更具竞争力。” Howey说道。

Howey还补充道：“任何新技术都必须能在生产规模扩大时实现成本大幅降低，而在这种情况下，并不清楚铀电池要如何实现这一点，也不确定它在环境和政治层面是否能被接受。”

Kazuki Ouchi表示，在那些将核能发电作为能源政策基础的国家，随着发电量的增加，预计未来贫铀的数量也会增多，这将为这种类型的电池提供稳定的原材料来源。