Ядерная батарея. Аккумуляторы ядерные


Ядерные аккумуляторы как альтернатива АЭС

Пока в Беларуси ломают копья сторонники и противники строительства АЭС, в США придумали новую технологию - ядерные аккумуляторы, которые позволяют получать ядерную энергию, не вкладывая миллиарды долларов в строительство АЭС. "Компьютерные вести" предлагают вашему вниманию перевод статьи из журнала Time, посвященной этой технологии.

Ядерные автомобили! Самолёты! Холодильники и морозильники! В начале головокружительных 1950-х годов - на рассвете гражданского ядерного века и программы "Атом для мира" президента Эйзенхауэра - сторонники атомной энергии мечтали о мире, в котором энергия вырабатывается крошечными ядерными реакторами. Сегодня, в эпоху изменения климата и энергетической нестабильности, ядерная промышленность вспоминает о тех давних мечтах. В том числе и о ядерных аккумуляторах.

Разработанный Hyperion Power Generation Inc., дочерней компанией Национальной Лаборатории Лос Аламоса, ядерный аккумулятор - так названный из-за своей дешевизны, небольшого размера и лёгкости в транспортировке - размером с холодильник, если сравнивать с обычным реактором, имеющим 50 футов в высоту. Он производит 25 мегаватт электроэнергии - примерно сороковую часть общей мощности большого реактора атомной электростанции. Будучи довольно громоздким для использования в машинах, аккумулятор, известный как энергетический модуль Hyperion, был разработан для того, чтобы обеспечивать энергией деревни и города с менее чем 20.000 домов, а также военные базы, рудники, водоопреснительные установки и даже торговые суда, включая круизные лайнеры.

"Считайте нас своего рода iPhone среди ядерных реакторов", - говорит загорелый и полный энтузиазма уроженец Денвера Джон Дил, генеральный директор Hyperion Power. - "Наша технология меняет правила игры, и может быть применена к огромному количеству интересных проектов".

Некоторые эксперты в области больших мощностей разделяют данный восторг. В своей недавной статье министр энергетики Стивен Чу подтвердил существование так называемых малых модульных реакторов - категорию, включающую энергетический модуль Hyperion, а также другие модели производства NuScale Power, Toshiba, Westinghouse, Babcock & Wilcox и других компаний, называя их "новыми вариантами ядерных реакторов". Но это не выбор групп защиты природы, которые считают, что ядерные аккумуляторы только ускорят распространение ядерного оружия, увеличат количество ядерных отходов и будут доступны террористам.

Плюсы малых ядерных реакторов заключаются не только в уменьшении количества испускаемых парниковых газов (при производстве ядерной энергии выбросы практически отсутствуют), но также в уменьшении затрат. Чу отметил, что малые реакторы, наподобие тех, которые производит Hyperion, продаются как уже готовые к использованию приборы, что, скорее всего, снизит затраты на строительство. По расчетам Hyperion, на постройку одной станции-аккумулятора потребуется $100 млн, а также 25 рабочих для его обслуживания, в то время как на строительство обычной атомной электростанции уходит от $4 до $6 млрд и требуется 300 человек. Небольшие реакторы будут особо интересны развивающемуся миру, так как они представляют собой миниэлектростанции. Во многих бедных странах отсутствует мощная электросеть для работы с огромными мощностями атомных электростанций. По словам Дила, из 130 комплексов, которые Hyperion надеется продать в ближайшем будущем, более ста будут находиться за пределами США - в таких отдалённых странах, как Кения, Камбоджа и Саудовская Аравия. Компания всё ещё привлекает средства и до сих пор не получила разрешение на строительство реакторов, однако Дил уверен, что политическая поддержка и финансовые средства помогут начать осуществление первых проектов Hyperion в ближайшие годы.

На постройку одной станции-аккумулятора потребуется $100 млн, а также 25 рабочих для его обслуживания, в то время как на строительство обычной атомной электростанции уходит от $4 до $6 млрд и требуется 300 человек.

Такого рода энтузиазм появился не сразу. Ядерная энергия возросла на 750% в 1970ые годы (чему способствовал рост цен на нефть) и на 140% в 1980ые годы, однако после известных катастроф на острове Три-Майл в Пенсильвании в 1979-м и в Чернобыле в 1986-м году, в 1990-е рост составил лишь 8%. Несмотря на это, чиновники, представители корпораций и многие защитники природы осознают роль ядерной энергии в борьбе с глобальным потеплением. На сегодняшний день атомные электростанции, работающие в более 30 странах, производят 15% мирового электричества. Если бы эта энергия добывалась из ископаемого топлива, это привело бы к выбросам более 2 миллиардов тон углекислого газа ежегодно, что примерно равно 20% всех выбросов производства электроэнергии. В США количество выбросов парниковых газов, которые были "сэкономлены" благодаря электричеству, вырабатываемому атомными электростанциями, сравнимо с суммарным количеством выбросов всех легковых автомобилей страны. "Для того чтобы удовлетворить наши потребности в энергии и предотвратить катастрофические последствия изменения климата, нам нужно увеличить поставки атомной энергии. Всё очень просто", - заявил в прошлом году Барак Обама.

Как говорят некоторые защитники окружающей среды, проблема с данной точкой зрения заключается в том, что при использовании ядерной энергии многое может пойти не так. Помимо угрозы ещё одного Чернобыля и высокой стоимости обычных заводов, есть ещё ядерные отходы, остающиеся после расщепления атомов урана. Они остаются радиоактивными ещё в течение тысяч лет и требуют глубокого захоронения, что большинство стран, понятное дело, не могут себе позволить. Однако существует ещё один довод в пользу ядерных аккумуляторов - количество производимых токсичных отходов составляет сороковую часть от отходов обычных станций.

Помимо угрозы ещё одного Чернобыля и высокой стоимости обычных заводов, есть ещё ядерные отходы, остающиеся после расщепления атомов урана.

Министерство энергетики хотело бы видеть малые реакторы на рынке энергоресурсов США, использовать их для снабжения энергией деревни, больницы, университеты, военные объекты и другие автономные сооружения. Однако промышленные лобби-группы, такие, как Институт ядерной энергетики, имеют более масштабные планы, предполагая, что когда-нибудь малые реакторы, работающие на ядерных аккумуляторах, смогут стать более дешёвой альтернативой крупным АЭС благодаря возможности совместной работы и добавления новых модулей, если необходимо нарастить мощность. Это определённо помогло бы в уменьшении количества выбросов углекислого газа. Дил утверждает, что ядерные аккумуляторы могут увеличить количество возобновляемых источников энергии, беря на себя основную нагрузку для стабилизации колебаний в количестве энергии, производимой ветряными и солнечными электростанциями, что является типичной проблемой, так как ветер дует не постоянно, а солнце не светит ночью.

Несмотря на поддержку государства, текущий регуляторный процесс США показывает, что пройдёт много лет, прежде чем на территории страны будет построен первый коммерческий реактор Hyperion (демонстрационная модель для потенциальных покупателей будет создана сперва в государственной лаборатории в штате Южная Каролина). До нынешнего момента Комиссия Ядерного Надзора США не предоставляла лицензии на ядерные аккумуляторы либо на какие-либо другие малые реакторы, так как она на данный момент она пытается разобраться с большим количеством заявок для новых традиционных реакторов, вследствие чего, по словам представителей Hyperion, свои первые станции они, скорее всего, построят за пределами США в ближайшие годы.

Ядерный аккумулятор настолько мал, что он может транспортироваться в задней части грузовика. Именно эта лёгкость транспортировки вызывает опасения у организации Гринпис Интернэшнл, которая в прошлом году выступила против Hyperion и заявила, что аккумуляторы будут доступны террористам, которые могут их использовать для террористических актов. Дил настаивает, что даже реактивный снаряд не сможет повредить ядерные аккумуляторы, так как они будут находиться под толстым слоем бетона. Противники ядерного оружия, в свою очередь, заявляют, что модули будут незащищены во время транспортировки, а если аккумулятор обеспечивает энергией корабли, то, безусловно, такого рода защита невозможна. Малый мореходный реактор в виде буксируемой электростанции, созданный российским атомным гигантом "Росатом", уже вызвал множество протестов со стороны защитников окружающей среды, которые обвиняют Россию в строительстве "плавучих Чернобылей".

Сторонники ядерных аккумуляторов утверждают, что такого рода риск ничтожен, если учесть то, что мини-реакторы помогут избежать более крупной опасности: ядерной войны. Эксперты по контролю над вооружением обеспокоены тем, что многие развивающиеся страны, заинтересованные в ядерных технологиях, подгоняют гонку ядерных вооружений. Сами же страны заявляют, что им, как и богатым странам, ядерная энергия необходима в вопросах обеспечения и потребления энергии. По словам представителей Hyperion Power, их малый реактор поможет предотвратить распространение ядерного оружия, устраняя необходимость обогащения урана либо переработки плутония - процессов, исходным продуктом которых может являться сырьё для изготовления бомб. В качестве составной части готового дизайна, компания обещает клиентам, что она будет контролировать полный топливный цикл - она обеспечит сбор и продажу обогащенного урана и затраченного топлива (которое содержит небольшое количество плутония). Однако она признаёт, что всё ещё ведёт переговоры с большим количеством стран, которые проводят промышленную переработку использованного топлива. Более того, компания будет удалённо наблюдать за активной зоной ядерных аккумуляторов и, таким образом, будет в курсе любой попытки кражи либо утечки урана или плутония. "Министерство Иностранных дел нас любит", - недавно заявил Дил на конференции по вопросам энергетики в Лондоне. - "Мы можем провести тест: если Вы серьёзно относитесь к использованию ядерных технологий в мирных целях и вы не собираетесь разрабатывать ядерное оружие, докажите это, доверив нам своё топливо".

Несмотря на все разногласия, в неправительственных организациях и научных кругах есть несколько выдающихся защитников ядерных аккумуляторов. Глава Федерации американских учёных, "мозгового центра" контроля над вооружениями, Чарльз Фергюсон в прошлом году открыто заявил Конгрессу, что ему [Конгрессу] следует заставить Комиссию ядерного надзора ускорить утверждение энергетического модуля Hyperion и других малых реакторов, разработанных США, отчасти потому, что они намного более устойчивы к распространению ядерного оружия, чем реакторы, которые конструируются за границей, и политики всего мира начинают больше поддерживать ядерную энергию. Не так давно Швеция присоединилась к списку стран, чьи правительства отменили мораторий на строительство новых электростанций.

В то время как промышленность всегда будет восприимчива к переменам общественного мнения, на данный момент растёт интерес к применению технологий будущего для мини-реактора, от ядерных круизных лайнеров ("Чёрт побери! Да Вы представляете, какими они будут дешёвыми?" говорит Дил) до опреснительных установок в конфликтных зонах ("Третья Мировая война будет вестись над водным пространством. Это серьёзный вопрос, и мы можем в этом помочь"). Такого рода интерес характерен для точки зрения, которая с самого начала ядерной эры тщательно скрывалась в США: мнения о том, что расщепление атома может быть скорее источником восхищения, а не угрозы.

Eben Harrel,Time

От редакции "КВ"

Пока американцы думают, строить или нет у себя ядерные аккумуляторы, Беларусь могла бы проявить интерес к этой действительно новаторской и перспективной технологии, и построить у себя первую аккумуляторную АЭС, которая стала бы прорывом не только для нашей страны, и стоила бы при этом в разы меньше станции, строительство которой планируется в настоящее время. К сожалению, вряд ли это осуществимо в реальности: белорусские чиновники еще более консервативны, чем их американские коллеги, а Россия вряд ли даст кредит на покупку АЭС у своего главного конкурента...

www.kv.by

Ядерная батарея - это... Что такое Ядерная батарея?

Один из радиоизотопных генераторов зонда Кассини Радиоизотопный генератор космического аппарата New Horizons

Радиоизото́пные исто́чники эне́ргии — устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.

Радиоизотопный источник энергии принципиально отличается от атомного реактора тем, что в нём используется не управляемая цепная реакция, а энергия естественного распада радиоактивных изотопов.

История радиоизотопных генераторов и элементов питания

Исторически первый радиоизотопный источник электрической энергии (Beta Cell) был создан и представлен британским физиком Г. Мозли в 1913. Он представлял собой (по современной классификации) атомный элемент — стеклянную сферу, посеребренную изнутри, в центре которой на изолированном электроде располагался радиевый источник ионизирующей радиации. Электроны, излучающиеся при бета-распаде, создавали разность потенциалов между серебряным слоем стеклянной сферы и электродом с радиевой солью.

Первые практически применяемые радиоизотопные генераторы появились в середине XX века в США и СССР, в связи с освоением космического пространства и появлением достаточно большого количества осколков деления ядерного топлива (из суммы которого и получают необходимые изотопы методами радиохимической переработки).

Одним из веских оснований к применению радиоизотопных источников энергии служит ряд преимуществ перед другими источниками энергии (практическая необслуживаемость, компактность и др.), и решающим основанием явилась громадная энергоёмкость изотопов. Практически по массовой и объёмной энергоёмкости распад используемых изотопов уступает лишь делению ядер урана, плутония и др. в 4-50 раз, и превосходит химические источники (аккумуляторы, топливные элементы и др.) в десятки и сотни тысяч раз.

Работы в США

В 1956 году в США возникла программа под названием SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power - вспомогательные ядерные энергетические установки). Программа была разработана для удовлетворения потребностей в надёжном автономном источнике энергии, который можно использовать в отдаленных местах в течение значительного промежутка времени без всякого обслуживания. Успехом этой программы явилось появление таких источников на спутниках «Транзит» (SNAP-11), Американской антарктической станции, в Арктическом бюро погоды (SNAP-7-D, SNAP-7-Е, SNAP-10-А). Были созданы генераторы SNAP-1А, SNAP-2, SNAP-3, SNAP-3А1 (1969 г.), SNAP-8, NAP-100 (1959 г.), SNAP-50, использующие парортутный цикл Ренкина (турбогенератор).

Два из четырёх радиоизотопных генераторов SNAP-19 зонда «Пионер»

Американские радиоизотопные генераторы: NAP-100, SNAP-1А, SNAP-2, SNAP-3, SNAP-3А1, SNAP-7-D, SNAP-7-Е, SNAP-8, SNAP-10-А, SNAP-11, SNAP-50, SNAP-9, SNAP-19, SNAP-21, SNAP-23, SNAP-25, SNAP-27, SNAP-29, Stirling Radioisotope Generator (SRG) и др.

В настоящее время в США сформирован отдел систем радиоизотопной энергии при министерстве энергетики США, и таким образом радиоизотопная энергетика выделилась и стала самостоятельной областью энергетики.

Работы в СССР и России

На космических аппаратах «Космос-84», «Космос-90» (1965 г.), «Луноход-1» (1970 г.), «Луноход-2» (1973 г.) использовались радиоизотопные генераторы «Орион-1» и «11К» на основе полония-210.[1]

Российские радиоизотопные генераторы: БЕТА-1, БЕТА-2, БЕТА-3, БЕТА-М, БЕТА-С, МИГ-67, РИТ-90, Эфир-МА, РИТЭГ-ИЭУ-1, РИТЭГ-ИЭУ-1М, РИТЭГ-ИЭУ-2, РИТЭГ-ИЭУ-2М, «Гонг», «Горн», "Сеностав-1870", РИТЭГ-238/0,2 («Ангел») и многие другие [2].

Английские радиоизотопные генераторы

RIPPLE-1, RIPPLE-2, RIPPLE-3, RIPPLE-4, RIPPLE-5, RIPPLE-6, RIPPLE-7 и др.

Виды и типы генераторов и элементов

Радиоизотопные источники питания подразделяются на:

  • Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи): используются термоэлементы.
  • Радиоизотопные термоэмиссионные генераторы: используется термоэмиссионный преобразователь.
  • Радиоизотопные комбинированные генераторы: используются термоэмиссионный преобразователь (1-я ступень) и термоэлементы (2-я ступень преобразования).
  • Радиоизотопные паротурбинные генераторы: парортутные турбины или водопаровые турбины и электрогенератор.
  • Атомные элементы: альфа- и бета-излучающие изотопы, помещённые в вакуумные капсулы, создают очень высокое напряжение при малых токах.
  • Атомные полупроводниковые элементы: облучение полупроводниковых сборок в заданном направлении.
  • Радиоизотопные пьезоэлектрические источники.
  • Радиоизотопные оптико-электрические источники.
  • Радиоизотопные источники высокопотенциального тепла: получение нагретых жидкостей (вода, топливо и др.) и газов для отопления, обогрева резервных батарей и др.
  • Радиоизотопные подогреватели и ионизаторы воздуха:подогрев (частичный) и сильная ионизация воздуха или кислорода подаваемого в металлургические печи(интенсификация горения топлива).
  • Радиоизотопные реактивные двигатели: используются высококонцентрированные и тугоплавкие соединения радиоизотопов с максимальным выделением энергии для нагрева рабочих тел (водород, гелий) используемых в реактивных двигателях малой мощности (маневрирование спутников).

Применяемые изотопы (топливо) и требования к нему

Источником тепла, или топливом радиоизотопных источников тока являются достаточно короткоживущие радиоактивные изотопы различных химических элементов. Основными требованиями к изотопам и, соответственно, к источникам тепла изготовленных из них соединений и сплавов являются: достаточно большой период полураспада, безопасность в обращении и эксплуатации (желательно отсутствие жёсткого гамма-излучения и нейтронов, высокая температура плавления сплавов и соединений, большое удельное энерговыделение, а для изотопов, способных к делению, также и возможно большая критическая масса. Очень важное место при выборе рабочего изотопа играет образование дочернего изотопа, способного к значительному тепловыделению, так как цепь ядерного преобразования при распаде удлиняется и соответственно возрастает общая энергия, которую можно использовать. Наилучшим примером изотопа с длинной цепью распада и с энерговыделением на порядок большим, чем у большинства других изотопов, представляет уран-232, но его получение в настоящее время является дорогим и опасным и на пути развития широкомасштабного производства урана-232 перед инженерами-атомщиками ещё стоит немало задач. Известно более 3000 радиоизотопов, но лишь немногие подходят на роль источников тепла в радиоизотопных генераторах. В настоящее время такими наиболее применяемыми изотопами являются:

Освоенные практикой радиоизотопные источники тепла:

Изотоп Получение (источник) Удельная мощность, Вт/г Объёмная мощность, Вт/см³ Плотность топлива, г/см³ Температура плавления топлива, °С Количество топлива, кюри/Вт T1/2 Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/г Рабочая форма изотопа
60Со Облучение в реакторе 2,9 ~26 8,9 ~1480 65,1 5,271 года 193,2 Металл, сплав
238Pu атомный реактор 0,568 6,9 12,5 2500 30,3 86 лет 608,7 PuC
90Sr осколки деления 0,93 0,7 4,8 2460 (SrO) 153 28 лет 162,721 SrO, SrTiO3
144Ce осколки деления 2,6 12,5 6,4 ~2600 128 285 дней 57,439 CeO2
242Cm атомный реактор 121 1169 11,75 ~2270 27,2 162 дня 677,8 Cm2O3
147Pm осколки деления 0,37 1,1 6,6 2300 2700 2,64 года 12,34 Pm2O3
137Cs осколки деления 0,27 1,27 3,9 645 320 33 года 230,24 CsCl
210Po облучение висмута 142 1320 9,4 600 (PbPo) 31,2 138 дней 677,59 сплавы с Pb, Y, Аu
244Cm атомный реактор 2,8 33,25 11,75 ~2270 29,2 18,1 года 640,6 Cm2O3
232U облучение тория 8,0971 ~88,67 10,95 (UO2) 2850 68,9 лет 4887,1031 UO2, UC, UN.
106Ru осколки деления 29,8 369,818 12,41 2250 ~371,63 сут 9,854 металл, сплав
1 С учётом полной цепи распада используемых короткоживущих дочерних изотопов

Следует отметить то обстоятельство, что выбор изотопного источника тепла прежде всего определяется диапазоном выполняемых энергоисточником задач и временем выполнения этих задач. Огромным недостатком радиоизотопов является то обстоятельство, что их энерговыделение невозможно регулировать (остановить или ускорить), можно лишь отсекать поток тепла от преобразователей.

Огромный интерес привлекают к себе изотопы тяжёлых трансурановых элементов, прежде всего: плутоний-238, кюрий-242, кюрий-244, кюрий-245, и другие изотопы трансурановых элементов калифорний-248, калифорний-249, калифорний-250, эйнштейний-254, фермий-257), а также, ряд более лёгких изотопов (например, полоний-208, полоний-209, актиний-227, и особенно большой интерес уран-232.

Интерес представляют также различные ядерные изомеры и предполагаемые новые сверхтяжёлые элементы.

Экономические характеристики важнейших генераторных изотопов

Данные о стоимости и производстве важнейших радиоизотопов:

Изотоп Производство в 1968 г., кВт·(т)/год Производство в 1980 г., кВт·(т)/год Стоимость в 1959 г., долл./Вт Стоимость в 1968 г., долл./Вт Стоимость в 1980 г., долл./Вт Цены в 1975 г. (Окридж), долл./грамм
60Со нет данных 1000 нет данных 26 10 106
238Pu 17 400 нет данных 1600 540 242
90Sr 67 850 170 30 20 20
144Ce 800 10000 39 19 2 50
242Cm 17 252
147Pm 5,5 40 710 558 220 75
137Cs 48 850 95 26 24 10
210Po 14 нет данных нет данных 780 20 1010
244Cm 29 64 612
232U

Выход генераторных изотопов производимых в атомных реакторах:

Изотоп Вещество и масса мишени Длительность облучения Плотность потока нейтронов (см−2·с−1) Выход изотопа в граммах Неиспользованная часть мишени
60Со Кобальт-59 (100 г) 1 год 2·1013 1,6 г
238Pu Нептуний-237 (100 г) 3 года 2·1013 20 г
210Po Висмут-209 (1 тонна) 1 год 2·1013 4 г
242Cm Америций-241 (100 г) 1 год 2·1013 6 г
232U 2·1013

С развитием и ростом ядерной энергетики цены на важнейшие генераторные изотопы быстро падают, а производство изотопов быстро возрастает, что и предопределяет расширение радиоизотопной энергетики. В то же время стоимость изотопов, получаемых облучением (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242 и др.) снижается не очень значительно, и потому во многих странах, обладающих развитой радиоизотопной промышленностью, изыскиваются способы более рациональных схем облучения мишеней, более тщательной переработки облученного топлива. В значительной мере надежды на расширение производства синтетических изотопов связаны с ростом сектора реакторов на быстрых нейтронах и возможное появление термоядерных реакторов. В частности, именно реакторы на быстрых нейтронах с использованием значительных количеств тория позволяют надеяться на получение больших промышленных количеств урана-232. Повышение объёмов производства изотопов специалисты связывают прежде всего с увеличением удельной мощности реакторов, уменьшением утечки нейтронов, увеличением флюэнса нейтронов, сокращением сроков облучения мишеней, разработкой непрерывных циклов отделения ценных изотопов [3].

При использовании изотопов во многом разрешается проблема утилизации отработанного ядерного топлива, и радиоактивные отходы из опасного мусора превращаются не только в дополнительный источник энергии, но и в высокодоходный источник денежных средств. Практически, полная переработка облученного топлива способна приносить денежные средства, сопоставимые с стоимостью выработанной энергией при делении ядер урана, плутония и других элементов.

Общая мощность продуктов деления, производимых ядерными энергетическими установками:

Год Установленная электрическая мощность за год, МВт Суммарная мощность, МВт Суммарная мощность реактора, МВт Общая мощность β и γ излучения изотопов, кВт
1961 161 161 644 386
1962 161 322 1288 772
1963 187 509 2036 1222
1964 187 696 2784 1670
1965 214 910 3640 2184
1966 428 1338 5352 3211
1967 670 2008 8032 4819
1968 830 2838 11352 6811
1969 1687 4525 18100 10860
1970 2062 6587 26348 15809
1971 2143 8730 34920 20952
1972 2357 11087 44348 26609
1973 2571 13658 54632 32779
1974 3080 16658 66632 39979
1975 4339 20997 83988 50393

Конструкционные и вспомогательные материалы для производства РИЭ

При производстве радиоизотопных источников энергии применяются различные конструкционные и вспомогательные материалы, обладающие специфическими физико-химическими, механическими и ядерно-физическими свойствами, позволяющими повысить КПД устройств и обеспечить высокий уровень безопасности как при нормальной эксплуатации, так и в аварийных условиях.

Конструкционные материалы и вспомогательные материалы:

  • Высокопрочные стали: в зависимости от назначения.
  • Медь: теплообменники.
  • Облегчённые: титан, алюминий, магний, иттрий, бериллий и сплавы.
  • Радиационная защита: Свинец, обеднённый уран [4], бориды, кадмий, европий, гадолиний, самарий и сплавы.
  • Теплоносители: сплавы висмута, ртуть, сплавы цезия, натрия, калия, лития, галлия и др., вода и др.
  • Термоэлектрические материалы: В зависимости от температурного режима работы.
  • Разбавители рабочего изотопа: медь, свинец, золото, иттрий, никель (разбавление изотопов кюрия (до 30 % никеля)) в сплаве с изотопом для стабилизации свойств, технологичности, уменьшения радиации и др.
  • Припои: для герметизации, электрической коммутации, монтажа теплообменной арматуры и др.

При создании радиоизотопных источников энергии инженеры руководствуются максимально возможными характеристиками материалов и соответственно лучшим итоговым результатом. В то же время при создании конструкции необходимо также учитывать экономические факторы и вторичные опасности. Так, например, при использовании альфа-излучающих рабочих изотопов с большим удельным энерговыделением часто необходимо разбавить рабочий изотоп для уменьшения тепловыделения. В качестве разбавителей используются различные металлы, в случае применения изотопа в форме оксида или другого соединения — разбавление производится подходящим инертным оксидом и др. Следует учитывать вторичные реакции частиц, излучаемых рабочим радиоизотопом, с материалом-разбавителем; так, хотя бериллий или его тугоплавкие соединения (оксид, карбид, борид) удобны в качестве разбавителя бета-активных изотопов (вследствие большой теплопроводности, малой плотности, большой теплоемкости), но в контакте с альфа-активным изотопом источник тепла превратится в весьма опасный и чрезвычайно мощный источник нейтронов — что по соображениям безопасности совершенно недопустимо.

При конструировании защитных оболочек от гамма-излучения наиболее предпочтительными материалами является прежде всего свинец (ввиду его дешевизны) и обеднённый уран (ввиду гораздо лучшей способности к поглощению гамма-излучения).

При создании полониевых излучательных элементов важную роль в разбавлении играет то обстоятельство, что полоний, подобно теллуру, весьма летуч, и требуется создание прочного химического соединения с каким-либо элементом. В качестве таких элементов предпочтительны свинец и иттрий, так как они образуют тугоплавкие и прочные полониды. Золото также образует весьма технологичный полонид. Экономически эффективно использование обеднённого урана для защиты от гамма-излучения (эффективность поглощения гамма-квантов ураном в 1,9 раза больше, чем свинцом) ввиду необходимости ассимиляции больших накопленных запасов обеднённого урана в технике.

Регулирование режимов работы радиоизотопных источников энергии

Регулирование работы радиоизотопных источников энергии представляет известные трудности, ввиду того что сам источник (радиоизотоп) обладает фиксированными параметрами тепловыделения, повлиять на которые (ускорить или замедлить) современная технология в настоящее время не в состоянии. В то же время можно регулировать параметры вырабатываемой электроэнергии (а также давление рабочих газов или жидкостей). В настоящее время все методы регулирования радиоизотопных источников энергии сводятся к следующему:

  • Регулирование потока тепла от радиоизотопа к преобразователю.
  • Регулирование параметров вырабатываемой электроэнергии.
  • Регулирование давлений рабочих тел.

Пути развития и повышения КПД

Радиоизотопы, получаемые промышленностью, достаточно дороги; кроме того, некоторые из них производятся пока ещё в очень малых количествах ввиду трудностей получения, отделения, накопления. В первую очередь это относится к наиболее важным изотопам: плутонию-238, кюрию-242 и урану-232, как наиболее перспективным, технологичным и отвечающим основному комплексу задач, возлагаемых на радиоизотопные источники энергии. В этой связи в крупных странах с развитой атомной энергетикой и комплексами по переработке облученного топлива существуют программы накопления и выделения плутония [5] и калифорния, а также мощности и группы специалистов, работающие в этих программах [6].

Улучшение КПД радиоизотопных генераторов идёт по трем направлениям:

  • Улучшение полупроводниковых материалов, эмиссионных преобразователей.
  • Применение новых материалов для конструкции теплообменников и других узлов (уменьшение тепловых потерь).
  • Снижение стоимости топлива (в этой связи несколько снижаются требования к КПД, так как материалы дешевле и их можно использовать в бо́льших количествах).

Охрана труда, здоровья и экологические особенности. Утилизация генераторов

Советский разрушенный радиоизотопный генератор БЕТА-М, использовавшийся на автоматических маяках

Радиоактивные материалы, используемые в радиоизотопных источниках энергии, представляют собой весьма опасные вещества при попадании в среду обитания людей. У них есть два поражающих фактора: тепловыделение, могущее привести к ожогу, и радиоактивное излучение. Ниже приведен ряд используемых практически, а также перспективных изотопов, при этом наряду с периодом полураспада, приводятся их сорта излучения, энергии, и удельная энергоемкость.

Энергии излучения и период полураспада применяемых и перспективных радиоизотопных источников тепла: Изотоп Период полураспада T1/2 Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/г Средняя энергия β-частиц, МэВ Энергия α-частиц, МэВ Энергия γ-частиц, МэВ
60Co 5,25 года 193,2 0,31 1,17, 1,33
238Pu 87,74 лет 608,7 5,5(72 %),5,46(28 %)
90Sr 28,6 лет 162,721 0,546
144Ce 284,9 дней 57,439 0,31
242Cm 162,8 дня 677,8 6,11(74 %),6,07(26 %)
147Pm 2,6234 года 12,34 0,224
137Cs 30 лет 230,24 1,176
210Po 138,376 сут 677,59 5,305(100 %)
244Cm 18,1 года 640,6 5,8(77 %),5,76(23 %)
208Po 2,898 года 659,561 5,115(99 %)
232U ~68,9 лет 4887,103 5,32(69 %), 5,26(31 %)
248Cf 333,5 сут 6,27(82 %),6,22(18 %)
250Cf 13,08 года 6,03(85 %),5,99(15 %)
254Es 275,7 сут 678,933 6,43 (93 %) 0,27-0,31(0,22 %), 0,063(2 %)
257Fm 100,5 сут 680,493 6,52(99,79 %)
209Po 102 года 626,472 4,881(99,74 %) 0,4(0,261 %)
227Ac 21,773 года 13,427??? 0,046(98,62 %) 4,95(1,38 %)
148Gd 93 года 576,816 3,183(100 %)
106Ru 371,63 сут 9,864 0,039(100 %)
170Tm 128,6 сут 153,044 0,97(~99 %) 0,084(~1 %)
194mIr 171 сут 317,979 2,3(100 %) 0,15, 0,32, 0,63
241Am 432,5 года 5,49(85 %),5,44(15 %)
154Eu 8,8 года 1,85(10 %),0,87(90 %) 0,123, 0,724, 0,876, 1, 1,278

Проверка радиоактивности радиоизотопного термоэлектрического генератора

Основными опасными факторами, сопутствующими применению радиоизотопных источников энергии, являются [7]:

  • Проникающее гамма-излучение, нейтроны.
  • Образование радиоактивных аэрозолей (выделение изотопов радона и паров) при нарушении герметичности капсул с изотопами.
  • Повышение давления гелия в капсулах с альфа-активными изотопами (~200 кг/см² и выше).
  • Разрывы трубопроводов с активным теплоносителем (натрий, калий и др.) ведущие к пожарам и взрывам.
  • Выброс паров ртути в парортутных турбогенераторных установках при аварии.

Меры по противодействию возникновения опасностей и аварий:

  • Применение качественных и прочных конструкционных материалов.
  • Радиационная защита.
  • Использование чистых изотопов (исключение примесей легких элементов в контакте с альфа-излучающими изотопами для предотвращения выхода нейтронов).
  • Использование наименее агрессивных и активных теплоносителей, увеличение прочности конструкции.

Производители и поставщики

  • Американские фирмы: «Мартин» (Lockheed Martin), «ЗМ», «Вестингауз электрик», «Аэроджей Дженерал Нуклеоникс», «Дженерал электрик», «Хьюз», Rocketdyne Propulsion and Power (подразделение корпорации Великобритания: Атомный центр Харуэлл
  • Германия: «Сименс-Шукерт», «Юнкерс»
  • Россия: ЭМЗ «Авангард», ПО «Маяк», ОАО «Техснабэкспорт»

Области применения радиоизотопных источников энергии

Радиоизотопный генератор зонда «Вояджер»

Радиоизотопные источники энергии применяются там, где необходимо обеспечить автономность работы оборудования, значительную надёжность, малый вес и габариты. В настоящее время основные области применения — это космос (спутники, межпланетные станции и др), глубоководные аппараты, удаленные территории (крайний север, открытое море, Антарктика). Вообще, попросту говоря, изучение «глубокого космоса» без радиоизотопных генераторов невозможно, так как при значительном удалении от Солнца уровень солнечной энергии, который можно использовать посредством фотоэлементов, исчезающе мал. Например, на орбите Сатурна освещенность Солнцем в зените соответствует земным сумеркам. Кроме того, при значительном удалении от Земли для передачи радиосигналов с космического зонда требуется очень большая мощность. Таким образом, единственным возможным источником энергии для КА в таких условиях, помимо атомного реактора, выступает именно радиоизотопный генератор.

Перспективные области применения:

  • Межзвездные зонды: Электротеплопитание миниатюрных космических аппаратов для глубокого космоса.
  • Роботы-андроиды: Электротеплопитание. Как основной источник энергии.
  • Боевые лазеры космического базирования: Накачка лазеров и электротеплопитание.
  • Боевые машины: Мощные двигатели с большим ресурсом (беспилотные разведывательные аппараты — самолеты и мини-лодки, энергопитание боевых вертолетов и самолетов, а так же танков и автономных пусковых установок).
  • Глубоководные гидроакустические станции: длительное энергопитание невозвращаемых аппаратов.
  • Медицина: электропитание электрокардиостимуляторов и др.
  • Энергопитание маяков и бакенов.

См. также

Литература

  • Материалы и горючее для высокотемпературных ядерных энергетических установок. Перевод О. А. Алексеева. М.: Атомиздат, 1966.
  • В. Ю. Рогинский. Электропитание радиоустройств. Л.: Энергия, 1970.
  • Физические величины. Справочник. Под ред И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.
  • Алиевский Б. Л. Специальные электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1994 г. - 206 с.
  • Поздняков Б. С, Коптелов Е. А. Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, 1974 г. - 264 с.
  • Караваев В. Т. Специальные электрические машины с частичным совмещением (элементы теории, схемы и конструкции). - Киров: РИО, 1999. - 538 с.
  • Термоэлектрические материалы и преобразователи. Под ред. Д. Б. Коровякова. М.: Мир, 1964.
  • Проблемы радиационной безопасности при обращениис радиоизотопными термоэлектрическими генераторами. «Атомная стратегия», Санкт-Петербург, N1(6), июнь 2003. Стр. 32.

Примечания

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

Ядерные батареи

Ядерные батареи на воде успешно прошли стадию разработки. Эти высокоэффективные устройства гораздо мощнее, чем имеющиеся аналоги, вскоре они cмогут найти практическое применение. Несмотря на устрашающее название, устройство использует реакцию деления ядер и гамма-радиацию. Зато ядерные батареи требуют бета-гальванику — давно известную технологию генерирования электроэнергии с бета-радиации. Свои эксперименты Дже Квон и Пек Ким, исследователи из Миссурийского университета (США), описали в журнале Nature.

Интересуют необычные эксперименты? Тогда Вам понадобится кислота азотная на www.kz.all.biz

Бета-гальваническая батарея — устройство, способное превращать в ток бета-излучения. Дополнительная энергия возникает вследствие радиолиза бета-радиацией молекул воды.

В основе батареи, которую создали Дже Квон и Пек Ким, — использование бета-гальванического эффекта для производства электроэнергии. Бета-гальваническое устройство напоминает фотогальваническое, однако превращает в ток не оптическое излучение, а бета-радиацию. То есть прибор аккумулирует высокоэнергетические электроны, которые являются продуктом радиоактивных веществ.

Конструкции бета и фотоэлектрического преобразователей очень похожи: полупроводник (например, изготовленный из кремния или диоксида титана) размещается между двумя электродами. Когда радиация действует на полупроводник, он генерирует поток электронов.

Устройство использует бета-излучение, которое можно экранировать тонким слоем алюминия, то есть оно является сравнительно безопасным. Впрочем, гораздо более сильную проникающую способность имеет гамма-радиация: ее останавливают толстой пластиной из свинца либо иного плотного металла. Это не означает, что бета-радиация сама по себе безопасна — она также может вызвать рак и летальный исход. Однако ее куда легче контролировать: надо лишь изготовить обшивку несколько-миллиметровой толщины и следить за ее целостностью.

Таким образом, ядерная батарея Кима и Квон состоит из полупроводника — наноструктурированного диоксида титана (этот материал применяют в солнцезащитных экранах и в заслонах против УФ-излучения) с платиновым покрытием, воды и радиоактивного стронция-90.

Период полураспада Sr-90 равен 28,79 года: в процессе ядерных превращений выделяется электрон (бета-радиация), антинейтрино и изотоп иттрий-90. Полураспад элемента Y-90 происходит в течение 64 часов, затем снова образуются электроны, антинейтрино и на этот раз стабильный элемент — цирконий.

Позитив использования стронция-90 заключается в том, что он почти не производит гамма-радиации. Этот изотоп также часто применяют в медицине, в частности для лучевой терапии рака и как радиоактивный индикатор.

Бета-электрические батареи изобретены более 50 лет назад; их использование прекратилось после появления литий-ионной технологии. Однако ученые стали авторами конструкционной новации, которая заключается в использовании воды. Не только вода абсорбирует большую часть бета-радиационной энергии (большое количество электричества наносит ущерб полупроводникам), но и сама бета-радиация в процессе радиолиза расщепляет молекулы воды, генерируя свободные радикалы и дополнительный ток.

«Вода действует как прямой буфер, а поверхностные плазмоны, образующиеся в устройстве, изрядно повышают его эффективность», — отмечает Квон.

Если сравнивать с предыдущими бета-гальваническими разработками, батарея Миссурийских исследователей работает при более низких температурах и имеет существенное преимущество в мощности. Устройство можно применять везде, где требуются эффективные аккумуляторы, в частности в автомобилях или космических аппаратах. По мнению исследователей, наработки проложат дорогу разработке «источников питания нового поколения».

Квон и Ким ответили на вопросы безопасности ядерных технологий. Ученые убеждены, что больших рисков нет: ядерные технологии нашли немало вариантов коммерческого применения, в частности в быту (например, сигнализаторы пожара или знаки аварийного выхода).

Вопреки всему, эксперты сомневаются в перспективах коммерческого применения ядерных батарей. Прежде всего, это касается мобильных устройств: хотя такие батареи никогда не надо заряжать, все же страх перед радиацией и угроза многомиллионных исков к компаниям-производителям сделают свое дело. Опасения также могут помешать использовать ядерные батареи в автомобильной технике. Однако там, где долговечность и мощность перевесят чашу весов всех рисков (речь идет о военных и космических заданиях), изобретение Миссурийских ученых может получить зеленый свет.

world-model.ru


Смотрите также