Организация по атомной энергии Ирана
- 1 year ago
- 0
- 0
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 ядерная реакция , а энергия естественного распада радиоактивных изотопов .
Радиоизотопные источники питания подразделяются на:
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 проникающих излучений: жёсткого гамма-излучения и нейтронов ), высокая температура плавления сплавов и соединений, большое удельное энерговыделение, а для изотопов, способных к делению, также и возможно бо́льшая 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 бо́льшим, чем у большинства других изотопов, является уран-232 . Недостатком его является то, что входящий в его радиоактивный ряд таллий-208 испускает очень жёсткое гамма-излучение ( 2,614 МэВ ), которое сложно экранировать. Известно более 3000 радиоизотопов, но лишь немногие подходят на роль источников тепла в радиоизотопных генераторах. Изотопы, наиболее часто используемые для радиоизотопных источников энергии в настоящее [ когда? ] время, перечислены в следующей таблице:
Изотоп | Получение (источник) | Удельная мощность для чистого изотопа, Вт/г | Объёмная мощность, Вт/см³ | Плотность топлива, г/см³ | Температура плавления топлива, °C | Количество топлива, кюри /Вт | T 1/2 | Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/г | Рабочая форма изотопа |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
60 Со | Облучение в реакторе | 2,9 | ~26 | 8,9 | ~1480 | ~390 | 5,271 года | 193,2 | Металл, сплав |
238 Pu | облучение нептуния-237 в реакторе | 0,568 | 5,9 | 11,5 | 2400 | 30,3 | 87,7 года | 608,7 | PuO 2 |
90 Sr | осколки деления | ~2,3 |
~9,2 (SrO)
~5,7 (SrTiO 3 ) |
4,7 (SrO)
5,1 (SrTiO 3 ) |
2430 (SrO)
2080 (SrTiO 3 ) |
~60 | 28,8 года | ~840 | SrO , SrTiO 3 |
осколки деления | 2,6 | ~16 | 7,6 | 2400 | 128 | 285 сут. | 57,439 | CeO 2 | |
атомный реактор | 121 | 1169 | 11,75 | ~2270 | 27,2 | 162 сут. | 677,8 | Cm 2 O 3 | |
147 Pm | осколки деления | 0,37 | 1,1 | 6,6 | 2300 | 2700 | 2,64 года | 12,34 | Pm 2 O 3 |
137 Cs | осколки деления | 0,27 | ~0,86 | 4 | 645 | 320 | 33 года | 230,24 | CsCl |
210 Po | облучение висмута в реакторе | 142 | 1320 | 9,4 | 600 ( PbPo ) | 31,2 | 138 сут. | 677,59 | сплавы с Pb , Y , Аu |
244 Cm | атомный реактор | 2,8 | 33,25 | 11,75 | ~2270 | 29,2 | 18,1 года | 640,6 | Cm 2 O 3 |
232 U | облучение тория в реакторе | 8,097 | ~77,9 | 10,95 ( UO 2 ) | 2850 | 68,9 года | 4887,103 | UO 2 , , . | |
осколки деления | 29,8 | 369,818 | 12,41 | 2250 | ~371,63 сут. | 9,854 | металл, сплав |
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.
Помимо урана-232 , интерес привлекают к себе изотопы тяжёлых трансурановых элементов , прежде всего плутоний-238 , , кюрий-244 , и другие изотопы трансурановых элементов, например , калифорний-249 , , , , а также ряд более лёгких изотопов, например полоний-208 , , актиний-227 .
Теоретический интерес представляют также различные ядерные изомеры и предполагаемые новые сверхтяжёлые элементы .
Изотоп | Производство в 1968 г., кВт(тепл.)/год | Производство в 1980 г., кВт(тепл.)/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 |
---|---|---|---|---|---|---|
60 Со | нет данных | 1000 | нет данных | 26 | 10 | 106 |
238 Pu | 17 | 400 | нет данных | 1600 | 540 | 242 |
90 Sr | 67 | 850 | 170 | 30 | 20 | 20 |
800 | 10000 | 39 | 19 | 2 | 50 | |
17 | 252 | |||||
147 Pm | 5,5 | 40 | 710 | 558 | 220 | 75 |
137 Cs | 48 | 850 | 95 | 26 | 24 | 10 |
210 Po | 14 | нет данных | нет данных | 780 | 20 | 1010 |
244 Cm | 29 | 64 | 612 | |||
232 U |
Изотоп | Вещество и масса мишени | Длительность облучения | Плотность потока нейтронов (см −2 ·с −1 ) | Выход изотопа в граммах | Неиспользованная часть мишени |
---|---|---|---|---|---|
60 Со | Кобальт-59 (100 г) | 1 год | 2⋅10 13 | 1,6 г | |
238 Pu | Нептуний-237 (100 г) | 3 года | 2⋅10 13 | 20 г | |
210 Po | Висмут-209 (1 тонна) | 1 год | 2⋅10 13 | 4 г | |
Америций-241 (100 г) | 1 год | 2⋅10 13 | 6 г | ||
232 U | 2⋅10 13 |
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 незначительно, и потому во многих странах, обладающих развитой радиоизотопной промышленностью, изыскиваются способы более рациональных схем облучения мишеней, более тщательной переработки облучённого топлива. В значительной мере надежды на расширение производства синтетических изотопов связаны с ростом сектора реакторов на быстрых нейтронах и возможным появлением 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 флюенса нейтронов, сокращением сроков облучения мишеней, разработкой непрерывных циклов отделения ценных изотопов .
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.
Год | 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 |
Радиоизотопные источники энергии применяются там, где необходимо обеспечить автономность работы оборудования, значительную надёжность, малый вес и габариты. В настоящее [ когда? ] время основные области применения — это космос (спутники, межпланетные станции и др), глубоководные аппараты, удалённые территории (крайний север, открытое море, Антарктика). Например, 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 освещённость 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.
Существующие области применения:
Перспективные области применения:
При конструировании 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 теплоёмкости), но в контакте с альфа-активным изотопом ввиду эффективности (α, n ) -реакций на лёгких ядрах источник тепла превратится в весьма опасный 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 . 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.
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.
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 не в состоянии. В то же время можно регулировать параметры вырабатываемой электроэнергии (а также давление рабочих газов или жидкостей). В настоящее [ когда? ] время все методы регулирования радиоизотопных источников энергии сводятся к следующему:
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, посеребрённую 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 СССР и США , 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.
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 отдалённых 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 ).
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 [ когда? ] время в США сформирован отдел систем радиоизотопной энергии при министерстве энергетики США, и таким образом радиоизотопная энергетика выделилась и стала самостоятельной областью энергетики.
На советских космических аппаратах « Космос-84 », « » (1965 г.), использовались радиоизотопные генераторы «Орион-1» и «11К» на основе полония-210 . Тот же изотоп (в составе ) был основой радиоизотопных источников тепла В3-Р70-4 с начальной тепловой мощностью 150—170 Вт на аппаратах « Луноход-1 » (1970 г.) и « Луноход-2 » (1973 г.) .
Российские радиоизотопные генераторы:
Английские радиоизотопные генераторы:
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 облучённого топлива существуют программы накопления и выделения плутония и калифорния, а также мощности и группы специалистов, работающие в этих программах .
Улучшение КПД радиоизотопных генераторов идёт по трём направлениям:
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, способное привести к ожогу, и радиоактивное излучение. Ниже приведён ряд используемых практически, а также перспективных изотопов, при этом наряду с периодом полураспада приводятся их сорта излучения, энергии, и удельная энергоёмкость.
Изотоп | Период полураспада T 1/2 | Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/г | Средняя энергия β -частиц, МэВ | Энергия α -частиц, МэВ | Энергия γ -квантов, МэВ |
---|---|---|---|---|---|
60 Co | 5,27 года | 193,2 | 0,31 (99,9 %); 1,48 (0,1 %) | 1,17 + 1,33 | |
238 Pu | 87,74 года | 608,7 | 5,5 (71 %); 5,46 (29 %) | ||
90 Sr | 28,8 года | ~840 | 0,546 + 2,28 | ||
284,9 сут. | 57,439 | 0,31 | |||
162,8 сут. | 677,8 | 6,11 (74 %); 6,07 (26 %) | |||
2,6234 года | 12,34 | 0,224 | |||
137 Cs | 30,17 года | 230,24 | 0,512 (94,6 %); 1,174 (5,4 %) | 0,662 (80 %) | |
210 Po | 138,376 сут. | 677,59 | 5,305 (100 %) | ||
244 Cm | 18,1 года | 640,6 | 5,8 (77 %); 5,76 (23 %) | ||
208 Po | 2,898 года | 659,561 | 5,115 (99 %) | ||
232 U | ~68,9 года | 4887,103 | 5,32 (69 %); 5,26 (31 %) | ||
333,5 сут. | 6,27(82 %); 6,22(18 %) | ||||
13,08 года | 6,03 (85 %); 5,99 (15 %) | ||||
275,7 сут. | 678,933 | 6,43 (93 %) | 0,27—0,31 (0,22 %); 0,063 (2 %) | ||
100,5 сут. | 680,493 | 6,52 (99,79 %) | |||
102 года | 626,472 | 4,881 (99,74 %) | 0,4 (0,261 %) | ||
227 Ac | 21,773 года | 13,427??? | 0,046 (98,62 %) | 4,95 (1,38 %) | |
93 года | 576,816 | 3,183 (100 %) | |||
371,63 сут. | 9,864 | 0,039 (100 %) | |||
128,6 сут | 153,044 | 0,97 (~99 %) | 0,084 (~1 %) | ||
194m Ir | 171 сут | 317,979 | 2,3 (100 %) | 0,15; 0,32; 0,63 | |
241 Am | 432,5 года | ~610 | 5,49 (85 %); 5,44 (15 %) | ||
8,8 года | 1,85 (10 %); 0,87 (90 %) | 0,123; 0,724; 0,876; 1; 1,278 |
Основными опасными факторами, сопутствующими применению радиоизотопных источников энергии, являются :
Меры по противодействию возникновения опасностей и аварий:
Здесь приведены некоторые примеры инцидентов, в ходе которых радиоизотопные источники энергии разрушились или могли разрушиться с попаданием радионуклидов в окружающую среду, либо привели к облучению людей.