Радиоизотопные источники энергии реферат
Обновлено: 04.07.2024
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.
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.
| Изотоп | Получение (источник) | Удельная мощность для чистого изотопа. Вт/г | T 1 /2 |
|---|---|---|---|
| 60 Со | Облучение в реакторе | 2.9 | 5.271 года |
| 238 Pu | атомный реактор | 0.568 | 87.7 лет |
| 90 Sr | осколки деления | ~2.3 | 28.8 лет |
| 144 Ce | осколки деления | 2.6 | 285 дней |
| 242 Cm | атомный реактор | 121 | 162 дня |
| 147 Pm | осколки деления | 0.37 | 2.64 года |
| 137 Cs | осколки деления | 0.27 | 33 года |
| 210 Po | облучение висмута | 142 | 138 дней |
| 244 Cm | атомный реактор | 2.8 | 18.1 года |
| 232 U | облучение тория | 8.097 | 68.9 лет |
| 106 Ru | осколки деления | 29.8 | ~371.63сут |
Изучение этапов разработки космических аппаратов с радиоизотопным источником энергии. Рассмотрение устройства и принципа действия ядерной энергетической установки с радиоизотопным термоэлектрическим генератором и с термоэмиссионным преобразователем.
| Рубрика | Астрономия и космонавтика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 16.04.2015 |
| Размер файла | 880,8 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
1.1 Первые этапы разработки космических аппаратов с радиоизотопным источником энергии
1.2 Термоэлектрические реакторы-преобразователи
1.3 Американские космические аппараты с ЯЭУ
1.4 Советские космические аппараты с ЯЭУ
1.5 ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями
2. Принцип действия ЯЭУ
2.1 ЯЭУ с радиоизотопным термоэлектрическим генератором
2.2 ЯЭУ с термоэмиссионным преобразователем
3. Применение ЯЭУ в современных космических аппаратах
Список используемой литературы
Проблема оснащения космических аппаратов надежными системами энергообеспечения стала очевидна почти сразу после запусков первых искусственных спутников Земли. Химические аккумуляторные батареи, применявшиеся в те годы, не могли удовлетворить стремительно растущие потребности в энергообеспечении для решения серьезных энергоемких задач в космосе.
Проведенные исследования показали, что для решения этой проблемы возможны несколько вариантов энергообеспечения.
Один из них предусматривал применение солнечных батарей для питания бортовой аппаратуры полезной нагрузки и служебных систем космического аппарата (КА). Этот вариант было достаточно просто реализовать в техническом плане, он был относительно дешев и надежен при эксплуатации. Однако в те годы элементы солнечных батарей в процессе эксплуатации достаточно быстро деградировали, плюс ко всему они не могли обеспечить энергией спутник, когда он находился на теневом участке орбиты - в этом случае энергия поступала от аккумуляторов, имеющих значительную массу и небольшой срок службы.
радиоизотопный термоэмиссионный термоэлектрический энергия
1.1 Первые этапы разработки космических аппаратов с радиоизотопным источником энергии
Сравнительно низкая энергоемкость, высокая стоимость РИТЭГ, сложности с решением проблем их использования в космосе, успехи в разработке энергетических установок на основе ядерного реактора явились причиной прекращения работ по новым РИТЭГ для космоса.
1.2 Термоэлектрические реакторы-преобразователи
Использование термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии в сочетании с ядерными реакторами позволило создать принципиально новый тип установок, в которых источник тепловой энергии (ядерный реактор) и преобразователь тепловой энергии в электрическую объединены в единый агрегат - реактор-преобразователь.
1.3 Американские космические аппараты с ЯЭУ
Первой в мировой практике ядерной энергетической установкой (ЯЭУ), примененной на космическом аппарате, стала американская ЯЭУ SNAP-10A, размещенная на космическом аппарате Snapshot, который был выведен на орбиту 3 апреля 1965 года.
Предполагалось провести летные испытания реактора в течение 90 суток. Реактор на тепловых нейтронах использовал уран-235 в качестве топлива, гидрид циркония как замедлитель и натрий-калиевый расплав в качестве теплоносителя. Тепловая мощность реактора составляла около 40 кВт. Электрическая мощность, обеспечиваемая термоэлектрическим преобразователем, составляла от 500 до 650 Вт. Реактор успешно проработал 43 дня - до 16 мая 1965 года.
1.4 Советские космические аппараты с ЯЭУ
Рисунок 3. КА УС-АМ
1.5 ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями
2. Принцип действия ЯЭУ
2.1 ЯЭУ с радиоизотопным термоэлектрическим генератором
Радиоизотопный источник энергии принципиально отличается от атомного реактора тем, что в нём используется не управляемая цепная реакция, а энергия естественного распада радиоактивных изотопов.
Рисунок 5. Схема РИТЭГа, используемого на космическом аппарате Кассини-Гюйгенс
При распаде атомных ядер выделяется тепло, которое преобразуется в электроэнергию с помощью батареи термоэлектрических преобразователей (например, элементов Пельтье).
2.2 ЯЭУ с термоэмиссионным преобразователем
Рисунок 6. Рисунок 7.
Различают два режима работы: длина свободного пробега больше расстояния между катодом и анодом lc > d (кнудсеновский режим) и lc
Ядерные процессы уже давно используются для производства тепла и потребление энергии для нужд человека. В большинстве из этих случаев как методы генерации, так и возможные применения часто связаны с крупномасштабными структурными электростанциями и распределением вырабатываемой энергии. Однако в действительности существуют гораздо менее масштабные ситуации, связанные с производством энергии с использованием ядерных процессов. Одним из таких примеров являются радиоизотопные источники энергии.
Радиоизотопные источники энергии преобразуют отработанное тепло, выделяемое процессами радиоактивного распада в пригодную для использования электроэнергию и часто устанавливаются в космических объектах, требующих ресурсов и других удаленных машинах, которые не могут эффективно получать энергию любыми другими способами.
К ним относятся спутники, зонды, удаленные маяки.
В идеале радиоизотопные источники энергии устанавливаются в системах при следующих обстоятельствах:
- Сложно постоянно поддерживать и обслуживать.
- Не способны эффективно накапливать альтернативную солнечную энергию.
- Потребность работать без людской помощи при длительной продолжительности времени.
- Минимальное взаимодействие с человеком.
Исходя из этих обстоятельств, главным использованием радиоизотопных источников энергии в полностью автоматизированных системах, которые не нуждаются в человеческих контактах дольше, чем другие источники энергии, такие как батареи и топливные элементы. Также важны обстоятельства, которые не способствуют получению энергии естественным путем (солнечная, ветровая и т. д.).
Структура и принцип работы
Типичный радиоизотопный источник энергии состоит из: топливо которое распадется радиоактивно и большой набор термопар для того, чтобы преобразовать тепло в электричество.
Выбор топлива, безусловно, не является тривиальным вопросом. Существует несколько критериев, которые изотопы должны пройти, чтобы стать кандидатами. На самом деле, первоначальные исследования оценили более 1300 радиоактивных изотопов, но обнаружено, что только 47 из них имели подходящие характеристики.
Эти характеристики включают:
- Способность произвести радиацию высокой энергии.
- Тенденция произвести тепло.
- Обладание длительным периодом полураспада для непрерывного производства энергии.
- Большой коэффициент энергия/масса.
Требования к изотопу
Первый фактор достаточно очевиден и просто констатирует тот факт, что любой изотоп, выбранный в качестве топлива, способен выделять достаточно энергии в процессе своего распада, чтобы служить практичным и достаточно плодотворным источником для термоэлектрического преобразования. Эта характеристика сама по себе не исключает многих изотопов, но следующая черта способности производить тепло при распаде является более строгим ориентиром.
Тепло, связанное с большинством радиоактивных распадов, возникает в результате поглощения продуктов распада в различные материалы и вызывает тепловое движение атомов. Для компактного прибора эффективное выделение тепла должно произойти на относительно коротком маcштабе длины, в пределах стенок прибора.
При рассмотрении различных типов радиоактивного распада (альфа, бета, гамма), порядок длин поглощения излучения от самого короткого до самого длинного — альфа, бета, а затем гамма. Это значит что большинство тепла будет произведена альфа частицами. Поэтому при выборе подходящего топлива лучше всего сначала найти изотопы, которые распадаются с альфа излучением. Следует, однако, отметить, что изотопы, дающие бета и гамма излучение, также могут быть жизнеспособными кандидатами, если соответствующие материалы используются для поглощения и преобразования в тепло для этих типов излучения.
Далее, следующий критерий выбора топлива — длительный период полураспада. Учитывая, что большинство радиоизотопных источников энергии в конечном итоге окажутся в изолированных средах с очень небольшим присутствием человека и, следовательно, шансами на повторное топливо. Поэтому потребность в изотопе, который может непрерывно производить энергию в течение длительных периодов времени, довольно очевидна. Конечно, точные требования к периоду полураспада изотопов будут варьироваться в зависимости от ситуации, но, как правило, желательны более длительные периоды полураспада, приводящие к устойчивым уровням производства энергии. Окончательный параметр для выбора приемлемого изотопа зависит от размера. Для создания компактного радиоизотопного источника энергии каждый элемент должен быть достаточно мал, включая топливо. Даже если тот или иной изотоп проходит все вышеперечисленные критерии выбора топлива, если для получения необходимой энергии требуется чрезмерное количество вещества, он будет менее привлекательным. Для радиоизотопных источников энергии, которые окажутся в небольших внеземных транспортных средствах / приложениях, вес и эффективность в конечном итоге будут самыми важными факторами.
Исходя из всех вышеперечисленных факторов, к наиболее часто используемым изотопам для радиоизотопных источников энергии относятся плутоний-238 (PU-238), стронций-90 (SR-90), и Кюрий-244 (244) с PU-238.
Плутоний Pu-238 удовлетворяет всем вышеуказанным требованиям к топливу с высоким выходом энергии, очень длинным полувыведением 88 лет, и небольшими размерами. Другие изотопы могут также служить в качестве топлива, но страдают от различных недостатков по сравнению с Pu-238, включая более высокие требования к защите из-за распада не альфа-излучения, более короткими периодами полураспада и, как правило, меньшим выходом энергии.
Термопара
С учетом критериев топлива радиоизотопных источников энергии необходимо обсудить другой важный компонент — термопары. Термопары преобразовывают тепло в полезное электричество .
Термопары особенно не сложны и полагаются на один простой принцип, называемый эффектом Зеебека, впервые обнаруженный Томасом Зеебеком в 1821 году, который отмечает, что разница в температуре между двумя концами приведет к электрическому напряжению и наоборот.
Таким образом, если прибор можно построить для того чтобы достигнуть сильного температурного градиента в электрически проводном элементе, то разницу тока можно навести вместе с полезным электричеством. Это обычно требует использования материалов с низкой теплопроводностью, что позволит осуществлению большой разницы температуры между двумя концами.
В настоящее время термопары, используемые в радиоизотопных источниках энергии содержат высокоэффективные термоэлектрические материалы, такие как теллурид висмута (укус), теллурид свинца (PbTe), теллуриды, содержащие сурьму, германий и серебро (теги), а также германий кремний (SiGe). Эти материалы поглощают тепло, генерируемое изотопным топливом радиоизотопного источника энергии, создают резкий температурный градиент из-за их низкой теплопроводности, а затем производят электрические токи, которые выводятся на элементы, которые должны быть приведены в действие.
Приложения
Простая конструкция радиоизотопных источников энергии приводит к их использованию во многих приложениях, соответствующих параметрам, перечисленным во введении, как на Земле, так и в космосе.
На Земле используются в беспилотных установках, таких как сотни старых заброшенных российских маяков и различные объекты мониторинга Арктики, введенные в эксплуатацию США. Радиоизотопные источники энергии размещены в труднодоступных местах, нечасто посещаемых людьми для обслуживания и используются в местах в течение продолжительного времени, длящегося десятилетиями. Это оправдывает использование этих потенциально опасных ядерных устройств на Земле, сводя к минимуму опасность для людей.
Функционально, космические радиоизотопные источники энергии фактически сохраняют точно такие же ингредиенты как все другие описанные выше, даже используя Pu-238 как их источник топлива.
Безопасность
Как и при внедрении любых ядерных процессов в функционирующие устройства, всегда существует озабоченность по поводу безопасности человека и радиоактивного загрязнения. Несмотря на то, что радиоизотопные источники энергии предназначены для работы в отдаленных средах с редким человеческим населением, опасения не являются совершенно необоснованными, поскольку есть много вопросов относительно случая утечки топлива или возможных взрывов при запуске космических аппаратов.
При наихудшем сценарии развития этих ситуаций в окружающей среде будет наблюдаться значительное радиоактивное загрязнение наряду с потенциальным радиационным ущербом для людей. Это делает использование и запуск, по меньшей мере частично спорным.
Однако на практике для сведения к минимуму рисков радиоактивного загрязнения от радиоизотопных источников энергии применяются меры безопасности. Например, изотопное топливо хранится в высокопрочных блоках графита и окружено слоем иридиевого металла, чтобы снизить риск случайных взрывов.
В конечном итоге, несмотря на потенциальные радиационные риски, преимущества использования радиоизотопных источников энергии значительно перевешивают все остальные факторы.
Ракету, спутник или автоматическую межпланетную станцию трудно представить без веера солнечных батарей для питания бортовой аппаратуры. Но с Солнцем приходится считаться, и это не всегда удобно. Космические исследования требуют независимости – в том числе и от источника энергии.
В космосе можно использовать практически любые силовые агрегаты и источники энергии. Вопрос только в стоимости доставки топлива на орбиту. Именно поэтому в качестве альтернативы солнечной энергии рассматриваются порой весьма экстравагантные варианты.
Радиоизотопные источники
Иной раз бесплатная энергия обходится слишком дорого. В частности, солнечные батареи должны быть постоянно повернуты к источнику света, иначе они теряют эффективность. В земных условиях этим неудобством можно пренебречь, запасая энергию в аккумуляторах. Но в космосе бесполезное утяжеление конструкции недопустимо. Приходится разворачивать аппарат, чтобы удерживать правильную ориентацию. В противном случае системы навигации и связи окажутся обесточенными. Кроме того, солнечные батареи не действуют в тени планеты или ночью (последнее актуально для автономных станций на поверхности Марса и Луны). А на затянутой облаками Венере они будут бесполезны и днем.
Mars Science Laboratory представляет собой мобильную лабораторию, способную провести анализ почв и атмосферы красной планеты. Теоретически он прослужит порядка двух земных лет.
Солнечные батареи более или менее приемлемы разве что в условиях земной орбиты. Но уже на орбите Марса их площадь и масса для получения той же мощности должны быть увеличены в 2,5 раза, на орбите Юпитера — в 27 раз, на орбите Сатурна — в 91, а на орбите Нептуна — аж в 900. В любом случае аккумуляторы, устанавливавшиеся на первых спутниках, а также генераторы, использующие энергию химических реакций, не могут рассматриваться в качестве альтернативы солнечным батареям. Уже на заре космической эры надежду возлагали на радиоизотопные источники.
Mars Science Laboratory имеет шанс стать последним американским аппаратом, использующим плутониевую батарею.
Причиной вероятного отказа США от использования генераторов такого типа мо-жет показаться фантастической: американские запасы плутония-238 просто закончи-лись. Проблема наметилась еще в 2006 году. Запуск предназначенного для исследования окраин Солнечной системы аппарата New Horizons неоднократно откладывался, так как NASA не располагала 11 кг плутония, необходимыми для заправки термоэлектрического генератора.
Завершение холодной войны повлекло за собой прекращение выработки данного изотопа. Несмотря на то что потребности NASA составляют всего 2 кг в год, нехватка топлива уже рассматривается как критическая. Предпринимаемые с 2009 года попытки возобновить производство плутония-238 путем переоборудования исследовательских реакторов успехом не увенчались ввиду недостаточного финансирования. А закупки изотопа в России Штаты предпочли бы прекратить по политическим соображениям.
Запасы оружейного плутония, пополняемые в результате утилизации старых бое-головок, очень велики. Но 239-й изотоп с периодом полураспада 24 000 лет не годен для использования при производстве радиоизотопных источников энергии. Изотоп же за номером 238, имеющий период полураспада всего 88 лет, может быть получен лишь на специальных установках в результате нейтронного облучения нептуния-237. Для получения 20 г плутония 100-граммовую нептуниевую мишень необходимо облу-чать в течение трех лет.
В середине прошлого века конструкция радиоизотопных источников энергии усложнилась. Капсула с изотопом стала рассматриваться только как тепловыделяющий элемент. Электричество же вырабатывалось полупроводниковым термоэлектрогенератором либо термоэмиссионным преобразователем, использующим эффект испускания электронов нагретыми телами. Современные генераторы используют для производства электроэнергии эффект Зеебека, или термоэлектрический эффект — возникновение ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различные температуры. Устройства такого типа эксплуатируются с 1960 года и применялись во время пилотируемых полетов на Луну.
Радиоизотопные генераторы показали себя идеально подходящими для космических аппаратов источниками энергии, очень компактными и эффективными. Особенно высокой оценки заслуживает надежность радиоизотопных батарей. Отказ возможен только в случае механического разрушения устройства. Неудивительно, что на принципе преобразования отдаваемого плутонием-238 тепла в электричество основана и силовая установка Mars Science Laboratory — марсохода, которому предстоит попасть на Красную планету в 2012 году.
Стирлинг в космосе
Несмотря на доработки, проведенные со времен Мозли, недостатком радиоизотопных источников остается крайне низкий КПД: в электроэнергию удается преобразовать не более 7% энергии распада ядер.
Выбор изотопа для радиационного генератора энергии представляет собой ре-шение задачи на оптимум. Изотопы с периодом полураспада, исчисляемым тысячеле-тиями, удобны и безопасны, но малоэффективны. Батарея на основе оружейного плу-тония будет весить не килограммы, а тонны. С другой стороны, 10 кг плутония-238 можно заменить всего 40 граммами полония-210 (время полураспада 138 суток). Но интенсивность распада в радиоизотопном генераторе будет спадать по экспоненте, и в случае применения короткоживущих изотопов потеря мощности окажется очень быстрой: полониевые генераторы непригодны для длительных миссий. Идеальным считается период полураспада, составляющий десятки лет.
Значение имеет также характер ядерных реакций. Например, бета-распад (типичные представители – кобальт-60, стронций-90 и цезий-137) менее эффективен, поскольку значительная часть выделяющейся при этом энергии уносится анти-нейтрино – частицей, которая очень слабо взаимодействует с веществом. Энергию альфа-распада с образованием тяжелых альфа-частиц (ядер гелия) утилизировать гораздо проще.
Вне конкуренции в качестве перспективного источника энергии уран-232 с периодом полураспада 67 лет, – немногим меньше, чем у плутония-238. Но при этом уран выделяет в восемь раз больше энергии. Секрет заключается в восьмиступенчатом распаде, на каждом этапе которого образуется новый короткоживущий изотоп. Итогом становятся стабильное ядро свинца, шесть ядер гелия (альфа-частиц) и еще два электрона (бета-частицы) в качестве бонуса.
В настоящее время американские исследователи работают над усовершенствованным ядерным генератором, имеющим много общего с известным еще с 1816 года двигателем Роберта Стирлинга. Работа устройства, КПД которого может достигать 30%, основана на циклическом изменении температуры рабочего тела. Нагреваемый газ расширяется, толкая поршень, и заполняет охлаждаемую часть цилиндра. Остывая, он сжимается. Эффективность тепловой машины повышается рекуператором — дополнительной камерой, проходя через которую разогретое рабочее тело отдает часть тепла, с тем чтобы при обратном движении холодный газ нагрелся.
Читайте также: