098-98-797-98
066-98-797-98
093-800-92-08
Изотопные источники энергии
05.08.2014
Радиоактивные источники тока на службе человечеству.
Немного истории.
В гонке технологий человечество искало всё новые и новые источники энергии, которые могли бы удовлетворить производственные и бытовые нужды, быть безопасными и не требовать ресурсов для своей работы. Для получения электрической энергии удобнее всего было пользоваться тепловой, используя довольно легкий процесс: от нагревания рабочее тело перемещается, вращает генератор и производит электричество. Для этого человечество использовало пар, нагретый воздух или углеводородное топливо, каждый из которых нашел своё применение в паровых двигателях, двигателях Стирлинга и двигателях внутреннего сгорания.
Однако требовалось что-то такое, что позволило бы с наименьшими потерями производить большие объемы энергии, тут учёные и остановили взгляд на ядерных источниках.
В принципе, такой процесс получения энергии ничем не отличается от классического способа: топливные стержни нагревают теплоноситель, который, в свою очередь, превращает воду в пар, заставляющий турбины вращаться, - изменился только источник тепла. Но даже на атомных станциях выработка электроэнергии также требует затрат невозобновляемых ресурсов. И мало кто задумывался о возможности использования других схем, которые не основываются на работе парового механизма, пока в конце 50-х годов потребность в таких схемах не возникла.
Первые космические корабли нуждались в обогреве, а отправлять на орбиту АЭС было слишком тяжело и неэкономично. Использовать в космосе традиционные технологии сжигания углеводородов с использованием кислорода в качестве окислителя, - также нереально из-за их небольшого кпд, по отношению к массе перемещаемого топлива и оборудования. Ученые пришли к выводу, что использовать огромную теплоёмкость изотопов плутония и урана, дающих энергоёмкость в пятьдесят раз выше, чем обычные аккумуляторы, будет лучшим решением для развития космонавтики.
Первыми в этой области продвинулись американцы, создавшие для своих зондов вспомогательные ядерные энергетические установки SNAP, вскоре подобные технологии были разработаны в СССР. «Луноход-1» обогревался с помощью радиоизотопных термоэлектрических генераторов РИТЭГ.
Радиоизотопная энергия и способы её получения.
Тепловую энергию с использованием радиоактивных источников, можно получить несколькими способами. Самым эффективным, безусловно, является аннигиляция, однако ввиду отсутствия на Земле антивещества она не может быть реализована. Сейчас энергию добывают тремя способами: во время радиоактивного распада, синтеза тяжелых ядер из легких и при обратном процессе (делении тяжелых ядер на легкие).
Подобные реакции (деления и синтеза ядер) имеют цепной характер и всегда характеризуются активным выделением энергии. В практической энергетике удалось реализовать первый и третий процесс, и активно ведутся поиски осуществления термоядерного синтеза в контролируемых условиях.
Области применения изотопных источников энергии.
Главная причина применения радиоизотопных источников – ряд преимуществ перед другими энергоисточниками – это компактность, необслуживаемость, огромная энергоёмкость изотопов и доступность «топлива», накопленного на АЭС за долгое время их работы.
Основные области применения ядерных батарей – космическое направление (межпланетные станции и спутники), удаленные территории (крайний север, Антарктика, открытое море) и глубоководные аппараты, - везде, где использование традиционных технологий нерентабельно или невозможно.
Существуют также образцы ядерных «батареек» для медицинского использования. В будущем планируется создание роботов-андроидов, лазеров космического базирования и боевых машин, работающих от радиоизотопных источников энергии.
Изотопы в атомных батареях.
В большинстве изотопных батарей тепловая энергия превращается в электрическую, - путём теплоэлектрического преобразования. Обычно используют два типа генераторов: на основе термоэлементов или термоэмиссионного преобразователя. Однако существуют также варианты комбинирования этих устройств, парортутные и водопаровые турбины и множество других вариантов, которые используются довольно редко.
В термоэлектрогенераторе, тепло от распада изотопов поглощается термобатареями и с помощью эффекта Зеебека получаем электроэнергию (в замкнутой цепи между двумя контактами возникает электродвижущая сила). Термоэмиссионный преобразователь основывается на эффекте Ричардсона – испускании электронов нагретыми телами (при нагреве какого-либо металла между катодом и анодом возникает термоэлектронный ток).
Рассмотрим несколько распространённых типов батарей. Рассмотрим несколько распространённых типов батарей. Рассмотрим несколько распространённых типов батарей. Рассмотрим несколько распространённых типов батарей.
Полониевая батарея. Источник энергии – полоний 210. Его распад сопровождается гамма-излучением слабой интенсивности. Период полураспада относительно небольшой, что делает такой источник энергии практически безопасным в использовании. Стандартные источники с тепловой мощностью 10 Вт уже через 12 лет абсолютно безвредны для окружающей среды и не считаются радиоактивными отходами. Такие батареи были установлены в космических аппаратах типа «Космос» и на «Луноходах» в качестве источника тепла для поддержания нормального функционирования аппаратуры в приборном отсеке.
Цериевая батарея. Источник тепла – радиоактивный изотоп Церий-144. Предназначается для питания радиопередатчиков и автоматических метеостанций. Стандартная мощность 200 Вт, а срок полураспада 285 суток.
Плутониевая батарея. Четыре килограмма оксида плутония имеют мощность 60 Вт и работают в течение 10 лет – отличное устройство для использования в космической сфере. Такие элементы использовались для питания космических аппаратов «Викинг», которые проводили исследования на поверхности Марса.
Также существуют нетермические генераторы, похожие по принципу работы на солнечные батареи. Это бета-гальванические (см. Прометиевая батарея) и оптико-электрические (см. Источники света) источники.
Прометиевая батарея. Электрический ток возникает вследствие бетавольтэффекта, во время которого пограничный слой полупроводника ионизируется бета-излучением прометия. Такие батареи практически не дают гамма-лучей, а мягкое бета-излучение задерживается корпусом батарей и слоем фосфора. Длительность работы примерно два с половиной года, а 5мг оксида прометия дают энергию в 8 Вт.
Атомные батареи и космос.
Изучение космоса вообще невозможно без использования радиоизотопных генераторов, ведь при удалении от Солнца, солнечные кремниевые батареи неспособны накапливать количество энергии, достаточное для функционирования и передачи радиосигналов. Химические источники также не оправдали себя. Когда первый советский спутник Земли был выведен на орбиту, его химические батареи давали энергию всего лишь 23 дня, после чего исчерпали свой ресурс. Именно атомные батареи могут вырабатывать тепло и электричество длительное время, независимо от температурных условий и нагрузок.
На космических аппаратах используют два способа преобразования энергии: прямой и машинный. Типы преобразователей бывают статическими и динамическими (с использованием подвижных частей). Выбор вида преобразователя зависит от целей экспедиции. Так, для реализации программы «Прометей» (орбитальная экспедиция к лунам Юпитера) был выбран динамический преобразователь, ресурс общей выходной мощности которого составляет 250 кВт, а срок службы - около 10 лет.
Американские источники SNAP использовались и продолжают использоваться на спутниках серии «Транзит», метеоспутниках («Нимбус»), лунных зондах («Сарвейор»). Так, устройство SNAP-1N (изображенное на рисунке) имеет мощность 2.7 Вт и срок службы 5 лет. Разработанный позднее SNAP-9A выдаёт мощность 25 Вт и обеспечивает надежную работу в течение 6 лет. На спутнике «Нимбус» установлена батарея мощностью 60 Вт, а «Сарвейор» питался от генератора SNAP-11 на основе кюрия-238 с мощностью 20 Вт. Для более дальних экспедиций используются источники, снабженные долгоживущими изотопами. Американские зонды «Викинг», использовавшиеся для высадки на Марс и зонды «Пионер» оснащались мощными батареями на основе плутония-238.
Атомные батареи медицинского назначения.
Применение изотопных источников энергии перспективно и в медицине. Для снабжения энергией сердечных регуляторов используют батареи на основе плутония-238, которые работают практически «вечно» и имеют малые размеры, что даёт им явное превосходство по сравнению с химическими батареями. Еще в 1970 году двум пациентам установили подобные устройства, с тех пор сердца пациентов продолжают биться. Была создана целая медицинская школа, использующая изотопные источники для питания искусственных сердец и регуляторов.
В 2004 году был разработан элемент питания, основой которого является никель-63. Срок работы устройства более 50 лет, а размеры меньше одного кубического миллиметра. Подобные батареи могут быть использованы в медицинских устройствах, надолго имплантируемых в тело человека.
Атомные батареи для метеостанций, маяков и бакенов.
Источники автономного питания для различной аппаратуры, устанавливаемой в труднодоступных регионах, называются РИТЭГами. Наиболее широко используются в навигационных маяках, световых знаках, радиомаяках и метеостанциях.
Такое устройство состоит из корпуса с теплоотводящим радиатором, термоэлектрического преобразователя, терморегуляторов и теплоизоляции. Существуют конструкции, основанные на различных изотопах, с разными параметрами напряжения и мощности, различающиеся формой, размером и массой.
Со времен СССР на территории России выпускались термоэлектрические генераторы нескольких видов: серии «Бета», предназначавшиеся для энергопитания радиометеорологических станций и основанные на реакциях в изотопе стронция, типа РИТ-90, топливная композиция которого представлена в форме керамического титанастронция-90, и РИТЭГи на основе плутония-238 (с мощностями от 30 до 120 Вт). Устройства серии «Бета» дают мощность порядка 10 Вт, РИТ-90 обеспечивают 240 Вт, однако имеют очень большой период достижения безопасной активности (до 1000 лет). Все эти устройства давно выработали свой срок службы, составляющий 10 лет, и в настоящее время должны быть утилизированы.
Источники света.
Радиоизотопы широко применяются в смеси с фосфором для изготовления красок постоянного свечения. Чаще всего применяют радий-226, период полураспада которого 1620 лет, что обеспечивает практически вечное свечение изделия. Оформление контрольных приборов на борту транспортных средств, стрелки часов, ёлочные игрушки – ничто не обходится без подобных смесей. Однако в последнее время радий пытаются заменить безопасным для здоровья радионуклидом и чаще всего останавливаются на прометии-147. Он излучает только бета-лучи, которые неопасны для организма, однако период полураспада составляет всего лишь 2.64 года, что, явно недостаточно.
Радиолюминисцентные источники света также основываются на смесях фосфоров с газообразными радионуклидами. Сфера или трубка, покрытая фосфором с внутренней стороны, обычно наполняется криптоном или тритием – мягкими бета излучателями с периодами полураспада 10.3 и 12.2 года соответственно. Такие фонари используются на полярных аэродромах и в навигационных знаках.
Перспективы развития технологии.
В ближайшем будущем изотопные источники энергии не уступят свою нишу в космической индустрии. К новейшим батареям такого типа предъявляются самые строгие требования по ядерной и радиационной безопасности, возможности продолжительного нахождения в космосе, высокой мощности на единицу массы и продолжительному сроку работы.
Изотопная энергия позволит решать задачи обороны (автономное энергоснабжение радиолокационного наблюдения, специальной связи и ретранслирование информации, спутники военного назначения) и обеспечивать связь и телевещание (высокопроизводительные глобальные инфосистемы, системы связи с высокой пропускной способностью). Используя изотопы, накопившиеся в результате работы АЭС, человечество сможет частично решить проблему захоронения радиоактивных отходов и энергетические проблемы (космическое производство энергии и дистанционное снабжение Земли).