Радиоизотопные источники энергии

Радиоизотопные источники энергии — устройства различного конструктивного исполнения в которых происходит преобразование тепловой энергии или излучения радиоактивных изотопов, в электроэнергию, либо в тепловую для нагрева теплоносителя. Радиоизотопный источник энергии принципиально отличим от атомного реактора тем что в нем выделение ядерной энергии не контролируется и определяется свойствами как изотопа так и его формы (сплав, соединение).

Содержание

История радиоизотопных генераторов и элементов питания

Первые 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 химической переработки).

  • Работы в США:В 1956 году в США возникла программа под названием СНАП(Systems for Nuclear Auxiliary Power-вспомогательные ядерные энергетические установки). Программа была разработана для удовлетворения потребностей в надежном 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»(СНАП-11), Американской антарктической станции, Арктическом бюро погоды(СНАП-7-Д, СНАП-7-Е),СНАП-10-А.

Появление генераторов СНАП-2,СНАП-8,СНАП-50 использующих парортутный цикл Ренкина(турбогенератор).

  • Работы в СССР:

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]

Виды и типы генераторов и элементов

Радиоизотопные источники питания подразделяются на:

  • Радиоизотопные термоэлектрические генераторы: Используются термоэлементы.
  • Радиоизотопные комбинированные генераторы: Используется термоэмиссионный преобразаватель (1-я ступень) и используются термоэлементы (2-я ступень преобразования).
  • Атомные элементы: альфа и бета излучающие изотопы помещенные в вакуумные капсулы создают очень высокое напряжение при малых токах.
  • Атомные полупроводниковые элементы: Облучение полупроводниковых сборок в заданном направлении.
  • 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 их соединений и сплавов являются: достаточно большой период полураспада, безопасность в обращении и эксплуатации (желательно отсутствие жесткого гамма-излучения и нейтронов, высокая температура плавления сплавов и соединений, большое удельное энерговыделение. Известно очень большое количество 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) Энерговыделение Вт/см3 Плотность топлива г/см3 Темп. плавл. топлива,°С Колич. топл,Кюри/Вт Интегрированная энергия распада изотопа,кВт/ч/г Рабочая форма изотопа
Pu-238 атомный реактор 6,9 Вт/см3 12,5г/см3 2500 30,3 PuC
Sr-90 осколки деления 0,54 Вт/см3 4,8г/см3 2460(SrO) 153 SrO, SrTiO3
Ce-144 осколки деления 12,5 Вт/см3 6,4г/см3 ~2400 128 CeO2
Cm-242 атомный реактор 1169 Вт/см3 11,75г/см3 ~2270 27,2 480 кВт/ч/г Cm2O3
Pm-147 осколки деления 1,1 Вт/см3 6,6г/см3 2300 2700 Pm2O3
Cs-137 осколки деления 1,27 Вт/см3 3,9г/см3 645 320 CsCl
Po-210 облучение висмута 1320 Вт/см3 9,4г/см3 600(PbPo) 31,2 сплавы с Pb, Y
Cm-244 атомный реактор 33,25 Вт/см3 11,75г/см3 ~2270 Cm2O3
U-232 облучение тория ~62,1 Вт/см3 10,95г/см3(UO2) 2850 UO2, UC, UN.

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 тяжелых трансурановых элементов, прежде всего: плутоний-238, кюрий-242, кюрий-244, кюрий-245, и другие изотопы трансурановых элементов(беркелий-249,калифорний-248,калифорний-249,калифорний-250,эйнштейний-254,фермий-257), а так же ряд более легких изотопов(например Полоний-208,полоний-209,актиний-227 уран-232 и др). Огромный интерес представляют так же различные ядерные изомеры и предполагаемые новые сверхтяжелые элементы.

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, способность современными методами регулировать параметры вырабатываемой электроэнергии, давления рабочих газов или жидкостей, позволяют в известной мере говорить о регулировании. В настоящее время все методы регулирования радиоизотопных источников энергии сводятся к следующему:

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

Пути развития и повышения КПД

Прежде всего стоит подробно разобрать то обстоятельство что радиоизотопы получаемые промышленностью достаточно дороги с одной стороны, и с другой стороны некоторые из них производятся пока еще 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 плутониевые и калифорниевые программы накопления и выделения, а так же мощности и группы специалистов работающие в этих программах[2].

Улучшение КПД радиоизотопных генераторов идет 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 снижается требования к КПД так как материалы дешевле и их можно использовать в больших количествах).

Охрана труда, здоровья и экологические особенности. Утилизация

Ни для кого не будет секретом то обстоятельство, что работа(производство и эксплуатация) с радиоактивными материалами требует известных мер предосторожности. Обычно когда среднестатистический человек слышит слово атом или радиоактивность, наблюдается странная реакция и рождаются панические настроения(и даже фобии).Это крайне вредит прогрессу и развитию технологий использования радиоактивных материалов. Объективно: изучение, своевременное обучение и предоставление исчерпывающих объемов информации, это главнейшая задача науки и государств использующих и производящих радиоактивные материалы. Опасность радиации не в том что она разрушительна для биологических объектов, а в ее невидимости и отсутствии знаний у людей. Эта опасность сродни опасности электричества. Мы не видим электричество, и не паникуем когда проходим под проводом линии электропередачи в 110000 Вольт или более того, висящим у нас над головой и готовым убить любого на кого он случайно может упасть, и над этим стоит задуматся.

Радиоактивные материалы используемые в радиоизотопных источниках энергии, представляют собой весьма опасные вещества при попадении в среду обитания людей и у них существуют два поражающих фактора: тепловыделение могущее привести к ожогу, и радиоактивное излучение которое и является весьма опасным. Ниже приведен ряд используемых практически изотопов, и наряду с периодом полураспада, их сорта излучения и энергии.

Энергии излучения и период полураспада применяемых и перспективных радиоизотопных источников тепла:
Изотоп Период полураспада:Т1/2 Энергия β- частиц Энергия α частиц Энергия γ частиц
Плутоний-238 87,74 лет 5,5Мэв(72%),5,46Мэв(28%)
Стронций-90 28,6 лет 0,546Мэв
Церий-144 284,9 дней 0,31Мэв
Кюрий-242 162,8 дня 6,11Мэв(74%),6,07Мэв(26%)
Прометий-147 2,6234 года 0,224Мэв
Цезий-137 30 лет 1,176Мэв
Полоний-210 138,376 суток 5,305Мэв(100%)
Кюрий-244 18,1 года 5,8Мэв(77%),5,76Мэв(23%)
Полоний-208 2,898 года 5,115Мэв(99%)
Уран-232 74 года 5,32Мэв(69%),5,26Мэв(31%)
беркелий-249 320 суток 0,125Мэв(99%) 5,42Мэв(0,0015%)
калифорний-248 333,5 суток 6,27Мэв(82%),6,22Мэв(18%)
калифорний-250 13,08 года 6,03Мэв(85%),5,99Мэв(15%)
эйнштейний-254 275,7 суток 6,43Мэв(93%), 0,27-0,31Мэв(0,22%)+0,063Мэв(2%)
фермий-257 100,5 сут 6,52Мэв(99,79%)
полоний-209 102 года 4,881Мэв(99,74%) 0,4Мэв(0,261%)
актиний-227 21,773 года 0,046Мэв(98,62%) 4,95Мэв(1,38%)
Гадолиний-148 93 года 3,183Мэв(100%)
Рутений-106 371,63 сут 0,039Мэв(100%)

Основными опасными факторами сопутствующими применению радиоизотопных источников энергии являются:

  • Проникающее гамма-излучение, нейтроны.
  • Образование радиоактивных аэрозолей при нарушении герметичности капсул с изотопами.
  • Повышение давления гелия в капсулах с альфа-активными изотопами.
  • 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

Этот раздел статьи ещё не написан.
Согласно замыслу одного из участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел.
Вы можете помочь проекту, написав этот раздел.

Области применения радиоизотопных источников энергии

Радиоизотопные источники энергии применяются там где необходимо обеспечить автономность работы оборудования, значительную надежность, малый вес и габариты. В настоящее время области применения в основном это космос(спутники, межпланетные станции и др), глубоководные аппараты, удаленные территории(крайний север, открытое море, Антарктика).

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.

См. также

Литература

  • Материалы и горючее для высокотемпературных ядерных энергетических установок.Перевод О.А.Алексеева.Москва.Атомиздат.1966.г.
  • В.Ю.Рогинский.Электропитание радиоустройств."ЭНЕРГИЯ",Ленинград.1970.г.
  • Физические величины.Справочник.под.ред И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. Москва.Энергоатомиздат.1991.г.
 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home