Меры безопасности при использовании ядерных батареек. Недостатки атомного источника питания

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.

ЯДЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Применение энергии ядерного распада дает в отличие, например, от солнечных источников питания качественно иные типы космических электростанций длительного действия. Дело в том, что источники энергии, космических ядерных установок (реактор или радиоактивный изотоп) не получают эту энергию из космоса, a являются как бы аккумуляторами. В то же время ядерный реактор не является непосредственно источником электроэнергии. Реактор или изотоп - это мощный источник тепла. Получение электрического тока в ядерном источнике питания сводится к преобразованию тепловой энергии в электрическую.

Ядерный источник энергии будет находиться непосредственно на борту ОКС, а это дает возможность получать энергию практически непрерывно и независимо от каких-либо внешних факторов.

Здесь мы не будем останавливаться на принципе действия и устройстве ядерного реактора, об этом написано достаточно много и обстоятельно. Рассмотрим лишь некоторые способы преобразования тепловой энергии в электрическую.

Турбогенераторная установка с ядерным реактором считается одной из наиболее перспективных систем для длительного применения в космосе, поэтому рассмотрим ее подробнее.

На рис. 31 показана принципиальная схема такой установки, с теплопередающим агентом и рабочим телом которой является жидкость.

Рис. 31. Схема ядерной турбогенераторной установки:

1 - реактор; 2 - кипятильник; 3 - насос; 4 - турбина; 5 - электрогенератор; 6 - холодильник; 7 - насос

Выделяющееся в ядерном реакторе тепло воспринимается теплоносителем первичного контура. Нагретая до высокой температуры жидкость поступает в теплообменный аппарат - кипятильник, где отдает свое тепло рабочему телу вторичного контура. После этого первичный теплоноситель насосом высокого давления перегоняется снова в реактор.

Основной рабочий цикл установки осуществляется во вторичном контуре. Рабочее тело (также жидкость) сначала нагревается до температуры кипения в кипятильнике, а затем здесь же полностью испаряется. Пар, который поступает на рабочие лопатки паровой турбину, приводит во вращение обыкновенный машинный электрогенератор. Отработанный пар по выходе из турбины поступает в холодильник, где полностью конденсируется, т. е. снова превращается в жидкость.

Как мы уже говорили, единственным способом отдача тепла в окружающее пространство в космосе является радиационное излучение. Поэтому холодильником любой космической установки является излучатель тепла. Рабочее тело, пришедшее к первоначальному жид-кому состоянию, перегоняется насосом снова в кипятильник. На этом цикл основного рабочего контура замыкается.

Схема, в которой основное рабочее тело не нагревается непосредственно в реакторе, а воспринимает тепло через промежуточный теплоноситель, называется двухконтурной .

Возможно применение и одноконтурной схемы теплопередачи, в которой нет первичного контура и рабочее тело нагревается и испаряется не в кипятильнике, а непосредственно в каналах тепловыделяющих элементов реактора.

Очевидно, что одноконтурная схема проще и легче, так как в ней нет теплообменного аппарата - кипятильника и магистралей первичного контура. Кроме того, при такой схеме можно было бы значительно увеличить съем тепла с тепловыделяющей поверхности реактора, получить более высокую температуру цикла, а следовательно, и больший к.п.д. Но несмотря на все эти преимущества, одноконтурную схему нельзя применить для ОКС. Главная причина - засорение теплоносителя системы радиоактивными продуктами распада и возникновение так называемой наведенной активности в элементах конструкции установки. А это влечет за собой увеличение веса антирадиационной защиты для экипажа и, кроме того, делает в значительной мере невозможным ремонт и профилактику установки в условиях эксплуатации. При двухконтурной схеме основное рабочее тело не имеет непосредственного контакта с ядерным реактором и вторичный контур системы вполне доступен для обслуживания.

Реальное осуществление космической электротурбоустановки с ядерным реактором связано с выбором подходящего рабочего тела для основного (вторичного) контура.

В наземных атомных электростанциях с турбогенератором в качестве рабочего тела применяется вода. Но высокая коррозионная активность, большие давления пара (до 280 атм и более), высокая наведенная радиоактивность, а главное, низкие максимальные температуры цикла (не выше 300 °C) делают воду совершенно неприменимой для космических энергоустановок.

Наилучшие свойства имеют жидкометаллические теплоносители. Жидкие металлы: ртуть, натрий, калий, рубидий, цезий и некоторые другие - обладают очень высокой теплопроводностью, большой скрытой теплотой парообразования, небольшими давлениями паров при высоких температурах, что и оправдывает их широкое распространение в конструктивных разработках ядерных турбогенераторных установок. Антикоррозионные свойства и наведенная активность их также вполне приемлемы.

Принципиально турбогенераторная схема может осуществляться не только на парах жидких металлов, но и с газом в качестве рабочего тела - по так называемому циклу Брайтона, т. е. как газотурбинная установка, в состав которой вместо насоса входит компрессор. Но такая схема при некоторых преимуществах (более высокие температуры и высокие эксплуатационные качества) имеет очень существенные недостатки, в частности очень большой удельный вес.

Конструктивное решение турбогенераторной ядерной установки можно рассмотреть на примере разработанной в США системы SNAP-2 с электрической мощностью 3 квт (рис. 32).

Рис. 32. Энергетическая установка SNAP-2:

1 - трубка конденсатора; 2 - излучатель; 3 - активная зона реактора; 4 - дополнительный подогреватель; 5 - насос теплоносителя; 6 - отражатель реактора; 7 - управление нагрузкой; 8 - полезная нагрузка; 9 - расширительный бак; 10 - ртутный насос; 11 - подшипник скольжения и упорные подшипники; 12 - статор электрогенератора; 13 - турбина; 14 - подшипник скольжения; 15 - насос

В качестве теплоносителя первичного контура применен сплав натрия с калием, температура которого на выходе из реактора 650 °C. Теплоноситель вторичного контура - ртуть. Максимальная температура рабочего цикла 621 °C. Турбина - двухступенчатая. Площадь радиационного холодильника - излучателя - 9,3 м 2 . Электрический генератор дает переменный ток напряжением 110 в, частотой 2000 гц.

Полный к. п. д. SNAP-2 равен всего лишь 6,5 %. Это значит, что из 50 квт тепловой мощности реактора около 47 квт рассеивается излучателем или уходит на нагрев конструкции. Общий вес системы SNAP-2 без биологической защиты - 270 кг (из них 90 кг приходится на реактор), т. е. удельный вес установки без защиты составляет 90 кг/квт.

Но и этот довольно высокий удельный вес ядерной установки заметно увеличится из-за веса биологической защиты, который в большой степени зависит от размещения энергоустановки на станции, а также от условии эксплуатации, в частности от места запуска реактора - будет ли он производиться на Земле или после выведения ОКС на орбиту.

Наземный запуск ядерной установки усложняет обслуживание стартовой площадки, но обеспечивает условия для полной проверки работы всей энергосистемы.

Запуск же на орбите связан со снижением надежности всей энергетической системы и довольно сложен в осуществлении. В случае запуска на Земле экипаж в момент подготовки к старту и в полете при прохождении атмосферы должен быть полностью защищен не только от направленной радиации, но и от «разбрызгивания» ее молекулами окружающего воздуха, т. е. практически защита должна быть круговой, сплошной. На орбите же достаточно лишь так называемой теневой защиты экипажа, вес которой, очевидно, намного меньше. Кроме того, на орбите энергоустановка может быть удалена от основной конструкции ОКС на некоторое расстояние, например с помощью выдвижной телескопической штанги или другим способом. А так как толщина защиты зависит от расстояния до источника радиации, то вес теневого защитного экрана можно будет сделать еще меньше. Сколько же должна весить биологическая защита для турбогенератора SNAP-2? При ее расчете исходят из допустимой дозы облучения экипажа. Если принять, что суммарная доза для экипажа ОКС за три месяца не должна превысить 15 рентген, то вес защиты при удавлении реактора от экипажа на 15 м составит от 200 до 450 кг в зависимости от взаимной компоновки реактора и кабины экипажа.

Таким образом, суммарный вес установки может достичь 720 кг, а удельный вес - 240 кг/квт. Следует заметить, однако, что с увеличением мощности установки эти Цифры значительно уменьшаются.

Турбогенераторная установка - не единственный способ использования энергии ядерного реактора в космосе. Существуют и другие способы преобразования ее в электричество. Об этих способах мы расскажем в разделе о немашинных методах преобразования энергии.

Энергия ядерного распада может быть получена не только в реакторе, но и с помощью радиоактивных изотопов . Основные достоинства этого источника энергии, применимого для небольших мощностей до 0,5 квт), - малый вес и длительное время непрерывной и стабильной работы.

Принципиальная схема использования изотопов ничем не отличается от схемы турбогенераторной установки с реактором - теплоноситель прокачивается через специальный котел с трубками из материала, насыщенного изотопом, например стронцием-90 или цезием-144. Но может использоваться я схема, применяемая в солнечных батареях: облученный теплом от изотопа слой люминофора излучает фотоны, которые попадают на кремниевый элемент, аналогичный солнечной батарее. Получить большую электрическую мощность с помощью радиоизотопов очень трудно, да и вряд ли выгодно, если учесть сложность получения изотопов и их высокую стоимость.