Радиоизотопные источники электрической энергии и тепла. Атомная батарейка и принцип ее действия

Радиоизотопные источники энергии - устройства использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы
(radioisotope thermoelectric generator (RTG, RITEG)

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) преобразует тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов, в электроэнергию.
РИТЭГ состоят из двух основных элементов: источника тепла, который содержит радиоактивный изотоп, и твердотельных термопар, которые преобразуют тепловую энергию распада плутония в электричество. Термопары в РИТЭГе используют тепло от распада радиоактивного изотопа для нагрева горячей стороны термопары и холода пространства или планетарной атмосферы для получения низкой температуры на холодной стороне.
По сравнению с ядерными реакторами РИТЭГи значительно компактнее и проще конструктивно. Выходная мощность РИТЭГ весьма невелика (до нескольких сотен ватт) и небольшой КПД. Зато в них нет движущихся частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями.
В усовершенствованном типе РИТЭГа − The Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG), который стал применяться в последнее время, был изменен состав термопары. Вместо SiGe в MMRTG для термопар применяется PbTe/TAGS (Te, Ag, Ge, Sb).
MMRTG предназначен для производства 125 Вт электроэнергии в начале миссии, с падением до 100 Вт после 14 лет. При массе 45 кг MMRTG обеспечивает около 2.8 Вт/кг электроэнергии в начале жизни. Конструкция MMRTG способна работать как в вакууме космического пространства, так и в планетарных атмосферах, например, на поверхности Марса. MMRTG обеспечивает высокую степень безопасности, минимизацию веса оптимизацию уровней мощности в течение минимального срока службы в 14 лет.
NASA также работает над новой технологией RTG, называемой Advanced Stirling Radioisotope Generator ASRG (Радиоизотопный генератор Стирлинга). ASRG, как и MMRTG, преобразует тепло распада плутония-238 в электричество, но не использует термопары. Вместо этого тепло распада заставляет газ расширяться и осциллировать поршень, подобно двигателю автомобиля. Это перемещает магнит назад и вперед через катушку более 100 раз в секунду, генерируя электричество для космического корабля. Количество вырабатываемой электроэнергии больше, чем у MMRTG, примерно на 130 ватт, с гораздо меньшим количеством плутония-238 (примерно на 3.6 кг меньше). Это результат более эффективного преобразования цикла Стирлинга. Если для миссии требуется больше энергии, можно использовать несколько ASRG, чтобы генерировать больше энергии. На сегодняшний день нет запланированных миссий, которые будут использовать ASRG, но они разрабатываются для 14-летней миссии.
Существует концепция подкритических РИТЭГ. Подкритический генератор состоит из источника нейтронов и делящегося вещества с как можно большей критической массой. Нейтроны источника захватываются атомами делящегося вещества и вызывают их деление. 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, является уран-232. Основное преимущество такого генератора в том что энергия распада реакции с захватом нейтрона может быть гораздо выше энергии спонтанного деления. Соответственно, потребное количество вещества гораздо ниже. Количество распадов и радиационная активность в пересчете на тепловыделение также ниже. Это снижает вес и размеры генератора.

Требования к характеристикам радиоизотопов, использующихся в РИТЭГах, к сожалению часто противоречивы. Для того, чтобы достаточно долго поддерживать мощность для выполнения задачи период полураспада радиоизотопа должен быть достаточно велик. С другой стороны, у него должна быть достаточно высокая объёмная активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки. А это означает, что период полураспада у него не должен быть слишком мал, ибо удельная активность обратно пропорциональна периоду распада.
У радиоизотопа должен быть удобный для утилизации вид ионизирующего излучения. Гамма-излучение и нейтроны достаточно легко покидают конструкцию, унося заметную часть энергии распада. Высокоэнергетичные электроны β-распада хотя и неплохо задерживаются, однако при этом образуется тормозное рентгеновское излучение, уносящее часть энергии. Кроме того, гамма-, рентгеновское и нейтронное излучения зачастую требуют специальных конструктивных мер по защите персонала (если он присутствует) и близкорасположенной аппаратуры.
Предпочтительным для радиоизотопной генерации энергии является альфа-излучение.
Не последнюю роль в выборе радиоизотопа является его относительная дешевизна и простота его получения.
Типичные периоды полураспада для радиоизотопов, используемых в РИТЭГ, составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с более короткими периодами полураспада могут использоваться для специализированных применений.

Маломощные и малогабаритные радиоизотопные источники питания

Бета-вольтаические источники питания
(Betavoltaic power sources)

Также существуют нетермические генераторы, похожие по принципу работы на солнечные батареи. Это бета-гальванические и оптико-электрические источники. Они малогабаритны и предназначены для питания устройств, не требующих больших мощностей.
В бета-вольтаическом источнике питания изотопный источник испускает бета-частицы, которые собираются на полупроводнике. В результате генерируется постоянный ток. Процесс преобразования энергии, который аналогичен процессу фотогальванической (солнечной) ячейки, происходит эффективно даже в экстремальных условиях окружающей среды. Выбирая количество и тип изотопа, можно создать настраиваемый источник питания с заданным выходом и временем жизни. Такие батареи практически не дают гамма-лучей, а мягкое бета-излучение задерживается корпусом батарей и слоем фосфора. Бета-вольтаические источники обладают высокой плотностью энергии и сверхнизкой мощностью. Это позволяет бета вольтаическому устройству функционировать дольше, чем конденсаторам или батареям для маломощных устройств. Длительность работы, например бета-вольтаического источника на оксиде прометия примерно два с половиной года, а 5 мг оксида прометия дают энергию в 8 Вт. срок службы бета-вольтаических источников может превышать 25 лет.

Пьезоэлектрический радиоизотопный микроэлектрогенератор
(The Radioisotope Thin-film Mkropower Generator)

Сердце этого элемента питания - кантилевер, тонкая пластина из пьезокристаллического. Коллектор на кончике кантилевера захватывает заряженные частицы, испускаемые из тонкопленочного радиоактивного источника. За счет сохранения заряда, радиоизотопная пленка остается с равными и противоположными зарядами. Это приводит к электростатическим силам между кантилевером и радиоактивным источником, изгибу кантилевера и преобразованию излучаемой источником энергии в запасенную механическую энергию. Кантилевер все больше изгибается и наконец кончик кантилевера вступает в контакт с радиоактивной тонкой пленкой, а накопленные заряды нейтрализуются посредством переноса заряда. Это происходит периодически. При подавлении электростатической силы кантилевер высвобождается. Внезапное высвобождение возбуждает колебания, которые приводят к зарядам, индуцированным в пьезоэлектрическом элементе у основания кантилевера. Сигнал переменного тока от пьезоэлектрического источника питания можно использовать непосредственно через импеданс нагрузки или выпрямлять с помощью диодов и фильтровать через внешний конденсатор. Поднятое таким образом напряжение смещения используется для управления маломощными датчиками и электроникой.

Основная область применения изотопных источников – космические исследования. Изучение «глубокого космоса» без использования радиоизотопных генераторов невозможно, так как при значительном удалении от Солнца уровень солнечной энергии, который можно было бы использовать для производства электричества, необходимого для функционирования аппаратуры и передачи радиосигналов, очень мал. Химические источники также не оправдали себя.
На Земле радиоизотопные источники нашли применение в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам не было возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В частности, в СССР выпускались термоэлектрические генераторы нескольких видов. В качестве радиоактивных изотопов в них использовались 90 Sr и 238 Pu. Однако у них очень большой период достижения безопасной активности. Они выработали свой срок службы, составляющий 10 лет, и в настоящее время должны быть утилизированы. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых радиоизотопных источников в малодоступных местах прекратили.
Радиоизотопные источники энергии применяются там, где необходимо обеспечить автономность работы оборудования, компактность, надёжность.

Радиоизотопы и их использование

С развитием и ростом ядерной энергетики цены на важнейшие генераторные изотопы быстро падают, а производство изотопов быстро возрастает. В то же время стоимость изотопов, получаемых облучением (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242 и др.), снижается незначительно. В связи с чем изыскиваются способы более рациональных схем облучения мишеней, более тщательной переработки облучённого топлива. Большие надежды на расширение производства синтетических изотопов связаны с ростом сектора реакторов на быстрых нейтронах. В частности, именно реакторы на быстрых нейтронах с использованием значительных количеств тория позволяют надеяться на получение больших промышленных количеств урана-232.
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 источник значительного дохода. Практически полная переработка облучённого топлива способна приносить денежные средства, сопоставимые со стоимостью энергии, выработанной при делении ядер урана, плутония и других элементов.

Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами. Кроме них их в технологии и медицине используют еще около 30 радиоактивных изотопов.

238 Pu У 238 Pu период полураспада 87.7 года (потеря мощности 0.78 % в год), удельная мощность для чистого изотопа 0.568 Вт/г и исключительно низкие уровни гамма- и нейтронного излучения. 238 Pu имеет самые низкие требования к экранированию. Требуется менее 25 мм свинцового экранирования для блокирования излучения 238 Pu. 238 Pu стал наиболее широко используемым топливом для РИТЭГов, в форме оксида плутония (PuO 2).
В середине прошлого века 236 Pu и 238 Pu применялись для изготовления радиоизотопных электрических батареек для питания кардиостимуляторов срок службы которых достигал 5 и более лет. Однако вскоре вместо них стали применять нерадиоактивные литиевые батарейки, срок службы которых доходит до 17 лет.
238 Pu должен быть специально синтезирован; его мало (~1% - 2%) в ядерных отходах, изотопное его выделение затруднительно. Чистый 238 Pu может быть получен, например, с помощью облучения нейтронами 237 Np.
Кюрий. Два изотопа 242 Cm и 244 Cm являются альфа-излучателями (энергия 6 МэВ); Они имеют относительно короткие периоды полураспада 162.8 дней и 18.1 года и производят до 120 Вт/г и
2.83 Вт/г тепловой энергии соответственно. Кюрий-242 в виде окиси применяется для производства компактных и чрезвычайно мощных радиоизотопных источников энергии. Однако 242 Cm очень дорог (около 2000 долларов США за грамм). В последнее время все большую популярность приобретает более тяжелый изотоп кюрия − 244 Cm. Так как оба эти изотопы практически чистые альфа-излучатели, проблема радиационной защиты остро не стоит.
90 Sr. 90 Sr β-излучатель с незначительной γ-эмиссией. Его период полураспада в 28.8 лет намного короче, чем у 238 Pu, Цепочка из двух β-распадов (90 Sr → 90 Y→ 90 Zr) дает суммарную энергию 2.8 МэВ (один грамм дает ~0.46 Вт). Поскольку выход энергии ниже, он достигает более низких температур, чем 238 Pu, что приводит к снижению эффективности термоэлектрического преобразования. 90 Sr – продукт деления ядер и доступен в больших количествах по низкой цене. Стронций является источником ионизирующего излучения высокой проницаемости, что предъявляет относительно высокие требования к биологической защите.
210 Po. 210 Po имеет период полураспада всего 138 дней при огромном начальном тепловыделении в 142 Вт/г. Это практический чистый альфа-излучатель. Из-за малого периода полураспада 210 Po плохо подходит для РИТЭГов, а используется для создания мощных и компактных источников тепла (Половина грамма полония может нагреться до 500 °C). Стандартные источники с тепловой мощностью 10 Вт были установлены в космических аппаратах типа «Космос» и на «Луноходах» в качестве источника тепла для поддержания нормального функционирования аппаратуры в приборном отсеке.
210 Po также широко используется там, где нужна активная антистатика. Из-за малого периода полураспада утилизация отработанных устройств с 210 Po не требует никаких особых мер. В США допустимо выбрасывать их на помойку общего назначения.
При использовании альфа-активных изотопов с большим удельным энерговыделением часто необходимо разбавить рабочий изотоп для уменьшения тепловыделения. Кроме того, полоний весьма летуч, и требуется создание прочного химического соединения с каким-либо элементом. В качестве таких элементов предпочтительны свинец, иттрий, золото, так как они образуют тугоплавкие и прочные полониды.
241 Am. В связи с дефицитом 238 Pu, альтернативой ему в качестве топлива для РИТЭГов может стать 241 Am. У 241 Am период полураспада 432 года. Он практически чистый альфа-излучатель. 241 Am находится в ядерных отходах и почти изотопически чист. Однако удельная мощность 241 Am составляет только 1/4 от удельной мощности 238 Pu. Кроме того от продуктов распада 241 Am исходит более проникающее излучение и необходимо лучшее экранирование. Впрочем, требования к экранированию излучения для 241 Am не намного более строги чем в случае с 238 Pu.
241 Am широко используется в детекторах дыма. В ионизационном детекторе дыма используется крошечный кусочек америция-241. Заполненное воздухом пространство между двумя электродами создает камеру, которая позволяет течению небольшого постоянного тока между электродами. Если дым или тепло поступают в камеру, электрический ток между электродами прерывается и срабатывает сигнал тревоги. Эта дымовая сигнализация является менее дорогостоящей, чем другие устройства.
63 Ni. 63 Ni чистый β − -излучатель. Максимальная энергия электронов 67 кэВ, период полураспада 100.1 л. В начале двухтысячных годов в США и России были разработаны элементы питания, основой которых является 63 Ni. Срок работы устройств более 50 лет, а размеры меньше одного кубического миллиметра. Для получения электроэнергии используется бета-вольтаический эффект. Также ведутся работы по созданию пьезоэлектрического радиоизотопного генератра. Подобные батареи могут быть использованы в нейро- и кардиостимуляторах.
144 Ce. Источник тепла – 144 Ce. 144 Ce чистый β − -излучатель. Период полураспада 144 Ce 285 суток, Удельная мощность для чистого изотопа 2.6 Вт/г. РИТЭГ предназначается для питания радиопередатчиков и автоматических метеостанций. Стандартная мощность 200 Вт.
Радиоизотопы широко применяются в смеси с фосфором для обеспечения постоянного свечения в контрольных приборах на борту транспортных средств, в часах, фонарях на полярных аэродромах и в навигационных знаках и даже в ёлочных игрушках. Раньше чаще всего для этого применялся 226 Ra, период полураспада которого 1620 лет. Однако из соображений радиационной безопасности после 1970-х годов радий в этих целях не используется. В наши дни для этих целей чаще всего используют мягкими бета излучателями: прометием (147 Pm Т 1/2 = 2.64 года), криптоном (85 Kr Т 1/2 = 10.8 лет) и тритием (3 H Т 1/2 = 12.3 года). Конечно, периоды их полураспада маловаты, зато их ионизирующее излучение не проникает за оболочки устройств.

Тема сегодняшней статьи - радиоизотопные термоэлектрические генераторы , или проще - ядерные батарейки. Те самые штуковины, которые используют на севере в необслуживаемых навигационных маяках, в космических зондах и даже в искусственных сердцах! Вещь распространенная, однако слухов и страхов вокруг нее больше, чем фактов. Рассмотрим подробней, что же на самом деле представляет из себя такая «батарейка» со сроком службы в 10-20 лет.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ, РИТЕГ, англ. - radioisotope thermoelectric generator, RTG) является ядерным электрическим генератором, который конвертирует энергию радиоактивного распада в электрическую энергию. Правда, не на прямую, а опосредованно - сначала энергия распада преобразуется в тепловую, а та, в свою очередь, преобразуется в электрическую при помощи так называемых термопар. Остановимся на этом процессе детальней.

Начнем с термопар . Они представляют из себя соединение двух (как правило - металлических) проводников, разница в температуре которых генерирует слабый электрический ток. Это явление называется эффектом Зеебека . Наиболее распространенная и простая для представления термопара - соединение медного и алюминиевого проводов. Если один конец соединения такой пары нагреть, а другой наоборот - охладить, на холодном проводнике начнут скапливаться электроны, что и приведет к возникновению электрического тока. Чем выше разница в температуре проводников в месте соединения, площадь соединения и толщина самих проводников, тем лучше.

Понятно, что большие сплавы проводников сложно нагревать и охлаждать, они тяжелы и требуют много места, поэтому термопары в электрогенераторах, основанных на этом принципе, выполняют в виде последовательностей большого количества небольших соединений. Такие блоки термопар соединяют между собой для получения необходимых силы тока и напряжения. Хорошим показателем для одной термопары является напряжение порядка 40 микровольт на 1 кельвин температурной разницы.

Из этой мизерной величины, думаю, становится понятно, что КПД такого термоэлектрического генератора будет очень низок. Даже с применением современных дорогих полупроводников в качестве основы термопар на практике он не превышает 3-7% от затраченной тепловой энергии. Поэтому, говорить о какой-то феноменальной мощности РТГ не приходится.

Вернемся к нашим ядерным «батарейкам». Описанные последовательности термопар нагреваются в таком генераторе при помощи тепла, образующегося при распаде радиоактивного материала. Как известно, радиоактивный распад сопровождается выделением тепла. Чем быстрее радиоактивный материал распадается, тем больше при этом выделится тепла. Таким образом, в РТГ радиоактивное топливо, распадаясь, образует радиоактивное излучение, которое конвертируется в тепло. Тепло, в свою очередь, конвертируется в электроэнергию.

Конструктивно это реализовано так: термопары в самом генераторе обращены горячей стороной (проводником, имеющим положительный заряд) вовнутрь, а холодной стороной (проводником, имеющим отрицательный заряд) к оболочке генератора и соединены с радиатором теплоотвода, чтобы обеспечивать максимальную разницу температуры. Все особенности устройства того или иного типа радиоизотопного термоэлектрогенератора сводятся к тому, чтобы увеличить долговечность и повысить КПД устройства.

Отсюда следуют требования к «топливу», тому самому радиоактивному материалу, который будет распадаться и обеспечивать нас «теплом»:

Плутоний 238, раскаленный собственным распадом

1. Период полураспада должен одновременно быть длительным, чтобы обеспечивать батарею теплом, но в то же время таким, чтобы при распад шел достаточно интенсивно и сопровождался выделением большого количества радиоактивного излучения. Здесь приходится выбирать между мощностью батареи и ее «сроком службы». Чем короче период полураспада, тем радиоактивней вещество и выше тепловая энергия, выделяемая при распаде, тем выше «мощность» батареи. И наоборот, чем менее радиоактивно вещество (дольше период полураспада), тем меньше мы получим тепла и тем слабее будет наша батарея, но прослужит дольше. Как правило, выбирают изотопы с периодом полураспада в 80-90 лет со сроком службы в 10-50 лет, однако специализированные мощные батареи могут иметь срок службы и в полгода. Ценой сами знаете чего.

2. Топливо должно производить большее количество тепла на единицу массы и объема. Тонна плутония 239 (используется в ядерном оружии и АЭС) будет таким же радиоактивным, как примерно 3,6 килограмма плутония 238 и производить такое же количество тепла. Тонны урановой руды под поверхностью Земли, к примеру, согревают жизнь бактериям на глубине в несколько километров. Однако, ключевое слово здесь - тонны. Чем радиоактивней топливо, тем меньшая масса нужна для получения нужного эффекта.

3. Радиоактивное излучение, образуемое в результате распада, должно легко преобразовываться в тепло. Оно так же не должно быть проникающим. Нейтронное и гамма-излучение по этим причинам не подходят. Лучше всего подойдет альфа-излучение, так как почти не требует экранирования. Бета-излучение и рентгеновское уже требуют защитную свинцовую оболочку, что ведет к увеличению веса установки. Это не критично для стационарных наземных генераторов, но играет большую роль в случае использования в космических аппаратах, удорожая стоимость их запуска.

В настоящее время, самым распространенным топливом для РТГ является плутоний 238 - он обладает периодом полураспада в 87,7 лет, относительно низкую составляющую гамма и нейтронного излучения, и, в связи с этим, практически не требует защитного экранирования, в большинстве случае достаточно толщины самого корпуса генератора.

В Советском Союзе для питания РТГ удаленных необслуживаемых маяков также широко применялся стронций 90, который имея меньший период полураспада, значительную составляющую гамма-излучения (и, как следствие - меньше получаемого тепла на единицу массы) был дешевле. Экономика должна быть экономной!

В настоящее время ведутся активные исследования по применению в качестве топлива америция 241 , который лучше плутония 238 периодом полураспада - 432 года. Даже не смотря на то, что «энергоемкость» его в 4 раза ниже плутония, а доля нежелательного проникающего излучения выше, перспектива питать устройства столетиями выглядит заманчиво. В любом случае по всем параметрам такого рода топлива это второе лучшее после плутония 238 решение.

Теперь остановимся на сроке службы «генераторов». Как уже можно было догадаться, он зависит от типа выбранного топлива и для плутония 238 составляет -0.87% от исходной мощности за год работы. Однако и здесь не все так просто. Не забываем, что наши термопары тоже имеют свой срок службы и со временем, под воздействием постоянного радиоактивного излучения и высокой температуры деградируют. Быстрее, чем распадается топливо. К примеру, батарея зонда Voyager -1, запущенного в космос в 1977 году, к 2001 году имела 315 Ватт мощности вместо проектных 420 Ватт. Реальное уменьшение мощности за 24 года работы составило 25%.

КПД по преобразованию тепла в электричество, как уже сообщалось, у генераторов, использующих принцип Зеебека, весьма не высок и на практике редко превышает 5%. Так что, серьезным источником РТГ никем никогда не считались, до мощи, ассоциируемой с ядерной энергетикой, им — как часовым батарейкам до дизельных электрогенераторов. Однако, и здесь ведутся работы по улучшению. Правда, от оригинальной конструкции в перспективной разработке NASA осталось только преобразование радиоактивного излучения в тепло.

Речь идет о совмещении теплового двигателя Стирлинга (работающего как раз за счет разницы температур), генератора и, собственно, радиоактивного изотопа. Напомню коротко принцип работы двигателя Стирлинга: рабочее тело (газ) расширяясь и сжимаясь в холодном и горячем цилиндрах (либо в разных частях одного цилиндра) двигает поршень посредством теплового расширения либо теплового сжатия.

Сам газ не покидает двигателя, постоянно циркулируя внутри него. Такие двигатели еще называют двигателями внешнего сгорания (по аналогии с двигателями внутреннего), так как, тепло для нагревания газа необходимо брать извне. КПД и мощность двигателя Стирлинга зависит от все той же разницы температур холодного и горячего отсеков (силы сжатия и расширения газа). А теперь представим себе безграничные возможности для охлаждения в космосе и постоянный источник тепла в виде теплового стержня радиоизотопного топлива. По расчетам специалистов NASA, такой генератор будет иметь КПД в 20% — 25%, что уже намного лучше 3%-5% для РТГ.

И, напоследок, поговорим о самом животрепещущем вопросе - радиационной безопасности наших ядерных батареек. Пожалуй, самой знаменитой является фотография «занедбаних та спаплюжених» советских «маячных» генераторов на стронции 90, валяющихся на какой-то прибрежной свалке. Смотрите мол, вот к чему это все ведет, разобранные вандалами на металлолом, источники радиационного загрязнения окружающей среды валяются тут и там, излучая излучение, отравляя радиоактивной отравой все живое и как бы призывая террористов сделать из них «грязную бомбу ». На заднем плане не хватает гигантских крыс-мутантов.

В реальности все немного не так. Документированных случаев акта вандализма по отношению к отслужившим свое генераторам зафиксировано не было. Правда, в основном потому, что эти генераторы, якобы, особо не документировались. Вы верите в то, что в СССР могли без учета разбрасывать ядерные технологии? Я — нет. В интернете так же есть информация о каких-то грузинских пастухах, проспавших возле заброшенного РТГ холодной ночью, чтобы согреться. Их потом доставили в больницу с радиационными ожогами, а РТГ забрали. Кто, когда, куда, где? Ничего.

Страшные истории про радиоизотопные генераторы на этом заканчиваются, дальше идет вполне себе положительная и хорошо документированная статистика. Из 33 американских миссий с использованием плутониевых РТГ, 5 окончились аварией при запуске, либо вхождении в атмосферу . При этом, из 5 аварий только одна привела к повреждению контейнера с топливом РТГ при его сгорании в атмосфере, что привело появлению следов плутония 238 в атмосфере над Мадагаскаром через несколько месяцев после аварии. Судя по тому, что массового радиационного отравления не произошло и даже снят мультфильм, последствий этот выброс не возымел.

Советские спутники с РТГ на борту проблем не имели вообще никогда. Страшилки про падающие в океан военные и метеорологические зонды, доверху наполненные радиоактивной радиацией касаются аппаратов , оснащенных полноценными бортовыми ядерными реакторами, которые изначально проектировались так, чтобы упасть, а радиоактивная часть - сгореть в атмосфере.

Также успокою тех, кто боится, что с помощью топлива РТГ террористы смогу сделать атомную бомбу. Ни со стронцием 90 из советских РТГ ни с плутонием 238 из американских ядерной бомбы не получится . Эти изотопы слишком нестабильны, чтобы достичь критической массы и в дальнейшем поддерживать цепную реакцию деления ядер. Более того, добавление подобного изотопа в компоненты нормальной ядерной бомбы приведет к уменьшению силы взрыва , так, как своей высокой активностью этот компонент вызовет преждевременное начало ядерной реакции до того, как будут достигнуты оптимальные условия критической массы заряда.

Что касается грязной бомбы,

то и здесь для террористов все плохо. Топливо в том виде, в котором его можно снять с РТГ, во-первых, слишком горячее (рабочая температура тепловой головки 500-600 градусов Цельсия), во-вторых, таки да, радиоактивная, излучение действительно может быть очень вредным, на столько, что приготовить из этого всего рабочую бомбу можно не успеть. Ну и в-третьих, живет недолго по сравнению с радиоактивными отходами АЭС, достать которые значительно проще. В итоге, делать бомбу из постоянно очень горячих, опасных для самого подрывника элементов, по радиационному воздействию на единицу веса сравнимых с урановой рудой, не очень выгодно. Разве что, моральный эффект от использования плутония (ужос!ужос!) в бомбе выгодно отличал бы новостные заголовки от расплывчатого «радиоактивные отходы».

Подводя итоги, хочу сказать, что данный вид получения электроэнергии безусловно интересен, прежде всего, своей автономностью. Например, в США известны случаи, когда в пепле кремированных граждан находили рабочие радиоизотопные термоэлектрогенераторы, которые забыли удалить при подготовке к похоронам. Даже в таких малых корпусах, достаточных для работы кардиостимуляторов, генераторы сохраняли работоспособность, пережив кремацию носителя. Оба Вояджера своей длительной работой также обязаны установленным на них РТГ, как и энергетические установки американской лунной программы Apollo. Прогнозы погоды от Гидрометцентра России мы тоже получаем, в том числе, благодаря ядерным батарейкам. И даже камчатских крабов едим при их опосредованном участии. Так что, не пугайтесь, если услышите в новостях страшное «спутник с радиоизотопным генератором».

p align=»center»>Чадящий дизелем КамАз на ближайшей стройке гораздо вредней.

Еще в 50-е годы прошлого столетия, бетавольтика – технология извлечения энергии бета-излучения – рассматривалась учеными как основа для создания в будущем новых источников питания. Сегодня же есть реальные основания уверенно утверждать, что использование контролируемых ядерных реакций по своей природе является безопасным. Десятки ядерных технологий уже используются людьми в повседневной жизни, примером могут служить радиоизотопные детекторы дыма.

И вот, в марте 2014 года, ученые Чже Квон и Бек Ким, работающие в университете Миссури, Колумбия, США, воспроизвели первый в мире рабочий прототип компактного источника питания на основе стронция-90 и воды. В данном случае роль воды - энергетический буфер, что будет пояснено ниже.

Ядерная батарейка будет работать годами без обслуживания, и сможет производить электрический ток за счет процесса разложения молекул воды при их взаимодействии с бета-частицами и прочими продуктами распада радиоактивного стронция-90.

Мощности такой батарейки должно целиком хватить для питания электромобилей и даже космических аппаратов. Секрет нового продукта в объединении бетавольтаики и достаточно нового физического веяния - плазмонных резонаторов.

Плазмоны активно используются в последние несколько лет при разработке специфических оптических устройств, в числе которых сверхэффективные солнечные батареи, совершенно плоские линзы и специальная краска для печати с разрешением, во много раз превосходящим чувствительность наших глаз. Плазмонные резонаторы – это особые структуры, способные как поглощать, так и испускать энергию в виде световых волн и в виде других форм электромагнитного излучения.

Сегодня уже существуют радиоизотопные источники питания, которые преобразуют энергию распада атомов в электрическую, но это происходит не напрямую, а через цепочку промежуточных физических взаимодействий.

Вначале таблетки радиоактивных веществ нагревают корпус контейнера, в котором расположены, затем уже это тепло преобразуется в электричество посредством термопар.

На каждом этапе преобразования теряется огромное количество энергии, от этого КПД таких радиоизотопных батареек не превышает 7%. Бетавольтика же долгое время не использовалась на практике из-за весьма быстрого разрушения частей батареек от радиации.

Исследования показали, что эти, полученные в результате разложения, части молекул воды, можно использовать для прямого извлечения энергии, поглощенной ими в результате столкновения с бета-частицами.

Для того, чтобы водная ядерная батарейка заработала, необходима особая структура из сотен микроскопических столбиков оксида титана, покрытых пленкой из платины, похожая по форме на расческу. В ее зубьях и на поверхности платиновой оболочки расположено множество микро пор, через которые названные продукты распада воды смогут проникать внутрь устройства. Так в процессе работы батарейки в «расческе» протекает ряд химических реакций - происходит разложение и формирование молекул воды, при этом возникают и захватываются свободные электроны.

Выделяемая во время всех названных реакций энергия, поглощается «иголками» и преобразуется в электричество. Благодаря возникающим на поверхности столбиков плазмонам, обладающим особыми физическими свойствами, такая водно-ядерная батарейка достигает максимального КПД, который может составить 54%, а это почти десятикратно превосходит классические радиоизотопные источники тока.

Используемый здесь ионный раствор очень сложно заморозить даже при достаточно низких температурах окружающей среды, что позволяет применять батареи, изготовленные по новой технологии, для питания электромобилей, а при правильной упаковке, - и в космических летательных аппаратах для различных целей.

Период полураспада радиоактивного стронция-90 составляет примерно 28 лет, поэтому ядерная батарейка Квона и Кима сможет проработать без существенной потери в мощности в течение нескольких десятилетий, причем снижение мощности составит всего 2% за год. Такие параметры, считают ученые, открывают ясную перспективу для повсеместного распространения электромобилей.

Новый атомный источник питания, над которым работают в России, на основе источника бета-излучения (преобразуется в электроэнергию) изотопа никель-63 может почти 50 лет снабжать электронные устройства питанием. Как ранее , специалисты Томского политехнического университета станут единственным в стране поставщиком услуг по облучению мишени, которая создана из стабильного изотопа никеля-62.

Напомним, ранее специалисты ГХК совместно с сотрудниками Сибирского аэрокосмического университета имени Решетнева (СибГАУ) разработали технологию изготовления батарей, которые используют «мягкий» бета-распад радиоизотопа никель-63. Проект стал одним из лауреатов конкурса, который проводился Министерством образования и науки РФ. Теперь данный процесс подходит к опытным испытаниям.

«Мы уже изготовили мишени, никель-62 в Железногорске уже наработали, в октябре мы планируем загрузить мишени в реактор, примерно год уйдет на это. То есть, в конце 2016 года мы наработаем никель-63. К 2017 году появится первый прототип такой батарейки, раньше ожидать преждевременно» , - рассказал директор ФГУП ГХК (Горно-химический комбинат, входит в «Росатом») Петр Гаврилов .

Перспективу применения данной батарейки ее создатели видят в в космической индустрии, различных подводных системах, медицине и оборонной промышленности, а в перспективе и в транспортной индустрии. Кроме того, в сравнении с литий-ионными аккумуляторами, батарейка на основе никеля-63 в 30 раз компактнее, экологически безопасна и безвредна для человека за счет производимого мягкого бета-излучения, которое самопоглощается внутри аккумулятора: «Наши специалисты ездили в клиники Швейцарии и швейцарские медики очень заинтересовались изобретением для использования в кардиостимуляторе» .

Сегодня единственным препятствием повсеместного распространения «ядерных батареек» выступает их высокая стоимость. По оценкам экспертов, стоимость 1 грамма радиоактивного никеля составляет порядка 4000 долларов, а изготовление одной «батарейки» может обойтись в 4,5 миллиона рублей. Такое затратное производство объясняется сложной технологической цепочкой получения изотопа никель-63, не существующего в природе. Его можно наработать только на специальных ядерных реакторах, которые есть на трех российских предприятиях. Впрочем, если наукоемкие и технологичные устройства успешно апробируют технологию, то и необходимый для них объем будет расти, а себестоимость одной батарейки - падать. Будем надеяться, что отечественным ученым удастся сделать технологию доступной широкой общественности как можно скорее.

Разрабатываемая атомная батарейка на основе углерода-14 отличается рядом преимуществ по сравнению с атомными батарейками на основе других радиоактивных изотопов, а именно: экологичностью, дешевизной и длительным периодом эксплуатации. Эти преимущества обеспечиваются, во-первых, за счет применения в атомной батарейке углерода-14 в качестве радиоактивного источника. Период полураспада этого элемента составляет 5700 лет и при этом, в отличие, например, от Ni-63, углерод-14 нетоксичен и отличается низкой стоимостью.

Технология находится в процессе разработки!

Атомная батарейка:

Атомная батарейка — эта технология , которая базируется на идее преобразования энергии, которую излучает радиоактивный источник, в электрическую энергию. Простейшая атомная батарейка состоит из источника излучения и отделенного от нее диэлектрической пленкой коллектора. При распаде радиоактивный источник испускает бета-излучение, вследствие чего он заряжается положительно, а коллектор — отрицательно и между ними возникает разность потенциалов.

Над созданием источников питания, которые могли бы работать за счет энергии радиоизотопов, сейчас трудятся ученые по всему миру. Образцы ядерных батареек существуют и в России, и в США, и в других странах. При этом в качестве радиоактивных источников используется тритий, Ni-63 и углерод-14.

Атомная батарейка на основе углерода -14 отличается рядом преимуществ по сравнению с атомными батарейками на основе других радиоактивных изотопов, а именно: экологичностью, дешевизной и длительным периодом эксплуатации.

Эти преимущества обеспечиваются, во-первых, за счет применения в атомной батарейке углерода-14 в качестве радиоактивного источника. Период полураспада этого элемента составляет 5700 лет и при этом, в отличие, например, от Ni-63, углерод-14 нетоксичен и отличается низкой стоимостью.

Второе отличие атомной батарейки на основе углерода-14 состоит в том, что в качестве «подложки» под радиоактивный элемент используется принципиально новая структура – пористая карбидокремниевая гетероструктура. Технология производства карбидной пленки путем ее наращивания на готовой кремниевой подложке «методом эндотаксии» позволяет уменьшить стоимость «подложки» в 100 раз, что делает атомную батарейку дешевой.

Неоспоримым плюсом карбидокремниевой гетероструктуры также является ее устойчивость к радиации . При излучении изотопа она остается практически неизменной, что и позволяет говорить о том, что такая атомная батарейка будет работать неограниченно долгое время.

Карбид кремния — это тоже полупроводниковый материал. Он химически более устойчив, способен работать при температуре до 350 градусов. Кремниевые датчики температур работают максимум до 200. Карбид кремния работает при температуре на 150 градусов выше. Он в 10 раз радиационно пассивнее и устойчивее, чем кремний.

Преимущества атомной батарейки на основе углерода-14:

— углерод-14 нетоксичен,

— низкая стоимость атомной батарейки по сравнению с другими атомными батарейками на основе других радиоактивных источников,

— длительный период эксплуатации — срок службы более 100 лет,

— безопасность. Бета-излучение обладает малой проникающей способностью и задерживается оболочкой атомной батарейки,

— возможность работать в экстремальных условиях – при сверх низких и высоких температурах.

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Фрезерный станок по камню с ЧПУ...

Линия для производства стеклопластиковой арматуры...

Защитное и эвакуационное устройство для быстрой эв...

Солнечный вегетарий

Беспилотный комбайн

Катализаторы для нефтепереработки на основе оксидо...

Станен

Средство технической диагностики высоковольтных ли...

Металлургическая печь Ванюкова...