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2025年3月13日 国立研究开发法人日本原子能研究开发机构 世界上第一个！ 开发使用铀的蓄电池 通过贫铀弹的资源化，最大限度地发挥与可再生能源的协同作用 【发表要点】 铀由于其化学特性，一直被认为作为电池的活性物质蕴藏着潜在的可能性。 在本研究中，为了实现实用化，开发了世界上首次利用铀的化学特性的“铀蓄电池”，确认了充电和放电的性能。 根据本成果，在提供核能发电的燃料制造工序中产生的目前没有计划使用的“贫铀弹”的新资源价值的同时，通过活用于兆太阳能等可再生能源发电的变动调整，可以期待对实现脱碳社会的贡献。 【概要】 由于铀可以具有各种各样的化学状态，根据其状态的变化，作为充电和放电的电池的活性物质有望被利用。 本研究开发了利用铀作为活性物质的蓄电池。 这是世界上首次对使用铀的蓄电池的充电和放电性能进行确认。 今后，将进行为实现大容量化而循环电解液(溶解了活性物质的溶液)的技术(氧化还原流动电池)的开发，并推进以实用化为目标的研究。 制造核能发电用燃料时，会产生作为副产物的“贫铀”。 由于贫铀弹在现在的核反应堆(轻水反应堆)中不能用作燃料，日本国内约有16，000吨(※)是保管着书的状况。 以将其作为资源利用为目的，以铀为活性物质的蓄电池的概念在2000年代初被提出。 但是，实际上没有组装蓄电池并报告其性能的例子。 另一方面，近年来，随着可再生能源的引进和扩大，蓄电池的需求也越来越高。 太阳能和风力等发电受天气影响，发电量具有变动的不稳定性。 其中，为了稳定电力供给，需要通过蓄电池等能量存储设备进行输出调整，新的蓄电技术的开发也备受瞩目。 在这样的背景下，研究小组开发了以铀为活性物质的蓄电池(铀蓄电池)，在世界上首次明确了其充放电性能。 在铀蓄电池中，将铀用作负极，将铁用作正极的活性物质。 试制铀蓄电池的电动势[1]是1.3伏，与一般的碱性干电池( 1.5伏)的值相近。 这次重复了10次充电和放电，蓄电池的性能几乎没有变化，获得了稳定的循环特性。 如果将铀蓄电池大容量化并实用化的话，日本国内保管的大量贫铀弹会产生新的资源价值，同时可以作为来自可再生能源的电力供应网的调整功能进行响应，为实现脱碳社会做出贡献。 本研究是国立研究开发法人日本原子能研究开发机构( JAEA，理事长小口正范)原子能科学研究所NXR开发中心[2]这是大容量蓄电池开发特别小组的大内和希研究副主干、植野雄大研究员、渡边雅之研究主席所做的。 以本研究为基础，2024年11月29日提出了专利申请(特愿2024-209096“二次电池及其制造方法”)。 (※)引用自《令和5年( 2023年)在我国的保障措施活动的实施结果》(2024年5月15日原子能规制厅) 【迄今为止的背景经过】 铀中存在质量数不同的铀235和铀238。 其中，将容易引起核裂变的铀235用作原子能发电的燃料。 但是，铀矿石中只含有0.7%左右的铀235，剩下的99.3%是难以引起核分裂的铀238。 因此，在燃料制造时，进行将铀235的含有率提高到3~5%的“浓缩”。 作为其副产物，会产生铀235的含有率比天然铀低的“贫铀弹”。 贫铀弹不能用在当今核反应堆(轻水反应堆)的燃料中，因此有时也被称为“不燃烧的铀”。 贫铀弹在日本国内大约储存有16，000吨，在全世界范围内大约储存有160万吨。 不过，直到新一代反应堆的商用化，日本国内目前还没有使用用途，有待有效的活用方法。 铀是“氧化数[3]”的化学状态可以从3价到6价广泛取得，因此作为根据氧化数的变化可以充电和放电的物质的活性物质很有前景。 2000年代初，以铀为活性物质的蓄电池的概念被提出。 在这个概念中，设想正极(干电池中的正极)和负极(干电池中的负极)双方的活性物质都使用铀，但实际组装的蓄电池的性能还没有被报告。 另一方面，近年来，由于以风力和太阳能为代表的可再生能源的引进的扩大，蓄电池的需求越来越高。 可再生能源的发电量会根据天气等变化较大，因此与火力发电等相比可以说是不稳定的电源。 通过在它们之间联合蓄电设备，可以期待稳定地供给来自可再生能源的电力。 在第七次能源基本计划中，为了大规模引进可再生能源(主力电源化)，政府将蓄电池定位为调节功能之一。 在这样的背景下，研究小组认为，通过明确以铀为活性物质的蓄电池(铀蓄电池)的性能，可以为贫铀创造新的资源价值，同时可以通过原子能化学技术为实现脱碳社会做出贡献，因此开始了研究。 【这次的成果】 本研究开发的蓄电池(铀蓄电池)，负极采用铀，正极采用铁作为活性物质。 电解液含有有机溶剂和离子液体[4]使用的是混合了的东西。 在该电解液中，铀和铁分别溶解，阳离子[5]的状态存在。 与过去提出的概念的不同之处在于，在正极采用了铁代替铀。 这是因为，除了使用铁可以使正极的电解液稳定化之外，还可以预计电压会提高。 蓄电池的充电和放电利用铀离子和铁离子各自的氧化值的变化。 充电时，在正极中铁离子的氧化数从2价变化为3价，放出电子。 这个电子经由电路到达负极，使铀离子的氧化数从4价变为3价。 这样，通过产生从正极到负极的电子流(电流)，改变铀离子和铁离子的化学状态，可以将电能转换成化学能进行储存。 另一方面，使蓄电池放电时，会发生相反的反应。 也就是说，铀离子从3价变为4价，铁离子从3价变为2价，在电路中产生电流，可以将化学能作为电能提取出来(图1 )。 图1铀蓄电池充放电的结构 充电前，含有铀的负极侧的电解液为绿色，表示铀离子以4价存在。 可以确认，随着充电的进行，电解液逐渐变成深紫色。 可以推测这是随着铀离子从4价向3价的变化而发生的。 开始放电后，液体颜色逐渐恢复为绿色(图2 )。 图2铀蓄电池充电放电时负极侧电解液颜色的变化 将使用铀的电解液放入负极侧充电时(图左)，液色从绿色变为深紫色(图右)，放电后恢复为绿色 此次试制的铀蓄电池的电动势为1.3伏，与一般的碱性干电池( 1.5伏)的值相近。 将充电后的蓄电池连接到LED后，确认LED点亮(图3 )。 这意味着我们可以取出蓄电池里储存的电。 另外，即使这次重复充电和放电10次，蓄电池的性能也几乎没有变化。 而且，负极、正极的电解液中都没有析出物，表明铀蓄电池有可能稳定地反复充电和放电。 图3连接铀蓄电池放电试验蓄电池的LED点亮，确认了放电 从以上实验结果，在世界上首次确认了以铀为活性物质的蓄电池的充电和放电性能。 另外，以本研究为基础，作为使用铀的蓄电池系统正在申请专利(日本特愿2024-209096“二次电池及其制造方法”)。 【今后的展望】 今后的目标是通过使电解液循环来提高铀蓄电池的容量(可以储存电的量)。 具体来说，是否可以通过增加循环电解液的量和铀和铁的浓度来实现大容量化，构成蓄电池的电极和隔膜的最佳材料是什么等正在进行研究。 如果铀蓄电池的大容量化成功，将国内拥有的贫铀弹作为蓄电池实用化、实现社会安装的话，就有望承担起兆太阳能的供需调节功能等新的作用。 【用语说明】 [1]电动势： 使电流连续流动的力，电池等电源所具有的电压 [2] NXR开发中心： 目的是以通过原子能研究得到的知识为基础，开发新的价值创造技术，进行以社会还原为目标的研究。 2024年4月在原子能科学研究所开设。 [3]氧化数： 表示构成化合物和离子的原子与电中性的原子相比，失去了多少电子，或者多接收了多少电子的数值 [4]离子液体： 由阳离子和阴离子构成的低于100℃时为液体的盐 [5]阳离子： 因失去电子而带正电荷的原子(阴离子:因接收了电子而带负电荷的原子) 【参考资料】 参考据点:NXR开发中心 |
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