Радиоизотопные источники энергии

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Радиоизотопный генератор зонда «Новые горизонты»
Радиоизотопный генератор зонда «Кассини»

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[править]

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 радиохимической переработки). Одним из веских оснований к применению радиоизотопных источников энергии служит ряд приемуществ перед другими источниками энергии(практическая необслуживаемость, компактность и др), и решающим основанием явилась громадная энергоемкость изотопов. Практически по массовой и объемной энергоемкости 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[править]

Радиоизотопный генератор зонда «Пионер»

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 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» (SNAP-11), Американской антарктической станции, Арктическом бюро погоды (SNAP-7-D, SNAP-7-Е), SNAP-10-А. Появление генераторов SNAP-1А, SNAP-2, SNAP-3, SNAP-3А1(1969.г.), SNAP-8, NAP-100 (1959.г), SNAP-50 использующих парортутный цикл Ренкина (турбогенератор). 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[править]

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]

Русские 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 многие другие[2].

Английские радиоизотопные генераторы[править]

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

Виды и типы генераторов и элементов[править]

Простейший цилиндрический атомный элемент (1-изотоп, 2-корпус, 3-отрицательный цилиндрический электрод, 4- выводы напряжения, 5- высоковольтная изоляция)
Дисковый атомный элемент (1- изотоп, 2- корпус-изолятор, 3- электрический вывод, 4- фотоэлемент, 5- изоляционная прокладка, 6- вакуумный промежуток, 7- радиолюминесцентный слой)

Радиоизотопные источники питания подразделяются на:

Радиоизотопные генераторы[править]

  • Радиоизотопные термоэлектрические генераторы: используются термоэлементы.
  • Радиоизотопные термоэмиссионные генераторы: используется термоэмиссионный преобразователь.
  • Радиоизотопные комбинированные генераторы: используется термоэмиссионный преобразаватель (1-я ступень) и используются термоэлементы (2-я ступень преобразования).
  • Радиоизотопные паротурбинные генераторы: парортутные турбины или водопаровые турбины и электрогенератор.

Атомные элементы[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Атомный элемент
  • 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 вспомогательные установки[править]

  • 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 двигатели[править]

  • 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[править]

Источником тепла, или топливом радиоизотопных источников тока являются достаточно короткоживущие радиоактивные изотопы различных химических элементов неустойчивые к альфа-распаду и бета-распаду. 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 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 общий объем энергии который 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 еще стоит немало задач. Известно очень большое количество радиоизотопов, но лишь немногие подходят на роль источников тепла в радиоизотопных генераторах. В настоящее время такими, наиболее применяемыми изотопами, являются:

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. Огромный интерес представляют, также, различные ядерные изомеры и предполагаемые новые сверхтяжёлые элементы.

Экономические характеристики важнейших генераторных изотопов[править]

С развитием и ростом ядерной энергетики, во временном аспекте хорошо заметно что цены на важнейшие генераторные изотопы резко падают, а объем изотопов резко 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 термоядерные реакторы. В частности именно реакторы на быстрых нейтронах с использованием значительных количеств тория, позволяют надеятся на получение больших промышленных количеств урана—232. Повышение объемов 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]. Огромное значение применяемые изотопы имеют не только как источник огромной энергии, но и в экономическом плане, так как объемы их производства постоянно возрастают с расширением использования природного урана. При использовании изотопов сама собой 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.

Конструкционные и вспомогательные материалы для производства РИЭ[править]

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

Конструкционные материалы и вспомогательные материалы:

Отдельной строкой необходимо указать на то обстоятельство что 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 стабилизации тепловыделения. В качестве разбавителей используются различные металлы или в случае применения изотопа в форме оксида или другого соединения - разбавление производится подходящим инертным оксидом и др. Весьма заманчиво было бы использовать в качестве разбавителя бериллий(вследствие большой теплопроводности, малой плотности, большой теплоемкости) или его тугоплавкие соединения(оксид, карбид, борид) 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 обедненный 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, иттрий, так как образуют тугоплавкие и прочные полониды. Золото также образует полонид и весьма технологичный. Важно также использование обедненного урана для защиты от гамма-излучения ввиду его в 1,9 раза большей эффективности чем у свинца, и в качестве ассимиляции обедненного урана в технике.

Регулирование режимов работы радиоизотопных источников энергии[править]

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[править]

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 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 плутониевые [5] и калифорниевые программы накопления и выделения, а так же 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 больших количествах).

Охрана труда, здоровья и экологические особенности. Утилизация генераторов[править]

Ни для кого не будет секретом то обстоятельство, что работа с радиоактивными материалами (производство и эксплуатация) 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 только 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 задуматься. Радиоактивные материалы, используемые в радиоизотопных источниках энергии, представляют собой весьма опасные вещества при попадании в среду обитания людей, и у них есть два поражающих фактора: тепловыделение, могущее привести к ожогу, и радиоактивное излучение, которое и является весьма опасным. Ниже приведен ряд используемых практически, а также перспективных изотопов, при этом наряду с периодом полураспада, приводятся их сорта излучения, энергии, и удельная энергоемкость.

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 (~200кг/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[править]

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

Области применения радиоизотопных источников энергии[править]

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 помимо атомного реактора источником энергии для КА 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.
  • Энергопитание шаров-зондов.

См. также[править]

Литература[править]

  • 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.
  • 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. Москва.изд."Мир". 1964.г.
  • Проблемы радиационной безопасности при обращениис радиоизотопными термоэлектрическими генераторами. «Атомная стратегия», Санкт-Петербург, N1(6) июнь 2003. Стр. 32.

Примечания[править]


Ссылки[править]