1 З урахуванням повного кола розпаду використовуваних короткоживучих дочірніх ізотопів
Слід відзначити ту обставину, що вибір ізотопного джерела тепла насамперед визначається діапазоном виконуваних енергоджерел завдань і часом виконання цих завдань. Величезним недоліком радіоізотопів є та обставина, що їх енерговиділення неможливо регулювати (зупинити або прискорити), можна лише відсікати потік тепла від перетворювачів.
Крім урану-232 величезний інтерес привертають до себе ізотопи важких трансуранових елементів. перш за все плутоній-238. кюрий-242, кюрий-244, кюрий-245 та інші ізотопи трансуранових елементів, наприклад калифорний-248, калифорний-249, калифорний-250, ейнштейній-254, фермій-257, а також ряд більш легких ізотопів, наприклад полоній-208, полоній-209, актиній-227.
Інтерес представляють також різні ядерні ізомери і передбачувані нові надважкі елементи.
Економічні показники найважливіших генераторних ізотопів
Дані про вартість і виробництві найважливіших радіоізотопів
Виробництво в 1968 р кВт · (т) / рік
Виробництво в 1980 р кВт · (т) / рік
Вартість в 1959 р дол. / Вт
З розвитком і ростом ядерної енергетики ціни на найважливіші генераторні ізотопи швидко падають, а виробництво ізотопів швидко зростає, що і зумовлює розширення радіоізотопної енергетики. У той же час вартість ізотопів, одержуваних опроміненням (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242 і ін.), Знижується незначно, і тому в багатьох країнах, що мають розвинену радіоізотопної промисловістю, вишукуються способи більш раціональних схем опромінення мішеней, більш ретельної переробки опроміненого палива. Значною мірою надії на розширення виробництва синтетичних ізотопів пов'язані з ростом сектора реакторів на швидких нейтронах і можливою появою термоядерних реакторів. Зокрема, саме реактори на швидких нейтронах з використанням значних кількостей торію дозволяють сподіватися на отримання великих промислових кількостей урану-232. Підвищення обсягів виробництва ізотопів фахівці пов'язують насамперед зі збільшенням питомої потужності реакторів, зменшенням витоку нейтронів, збільшенням флюенсу нейтронів, скороченням термінів опромінення мішеней, розробкою безперервних циклів відділення цінних ізотопів [3].
При використанні ізотопів багато в чому вирішується проблема утилізації відпрацьованого ядерного палива, і радіоактивні відходи з небезпечного сміття перетворюються не тільки в додаткове джерело енергії, але і в джерело значного доходу. Практично повна переробка опроміненого палива здатна приносити кошти, зіставні з вартістю енергії, виробленої при діленні ядер урану, плутонію та інших елементів.
Загальна потужність продуктів поділу, вироблених ядерними енергетичними установками
Встановлена електрична потужність за рік, МВт
Сумарна потужність, МВт
Сумарна потужність реактора, МВт
Загальна потужність β і γ випромінювання ізотопів, кВт
Конструкційні та допоміжні матеріали для виробництва Ріє
При виробництві радіоізотопних джерел енергії застосовуються різні конструкційні та допоміжні матеріали, що володіють специфічними фізико-хімічними, механічними і ядерно-фізичними властивостями, що дозволяють підвищити ККД пристроїв і забезпечити високий рівень безпеки як при нормальній експлуатації, так і в аварійних умовах.
Конструкційні матеріали та допоміжні матеріали:
- Високоміцні стали: в залежності від призначення.
- Мідь. теплообмінники.
- Полегшені: титан. алюміній. магній. ітрій. берилій і сплави.
- Радіаційний захист: Свинець. збіднений уран [4]. бориди, кадмій. европий. гадоліній. самарій і сплави.
- Теплоносії. сплави вісмуту. ртуть. сплави цезію. натрію, калію, літію, галію та ін. вода та ін.
- Термоелектричні матеріали. Залежно від температурного режиму роботи.
- Розріджувачі робочого ізотопу: мідь. свинець. золото. ітрій. нікель (розведення ізотопів кюрія (до 30% нікелю)) в сплаві з ізотопом для стабілізації властивостей, технологічності, зменшення радіації та ін.
- Припої: для герметизації, електричної комутації, монтажу теплообмінної арматури та ін.
При створенні радіоізотопних джерел енергії інженери керуються максимально можливими характеристиками матеріалів і відповідно найкращим підсумковим результатом. У той же час при створенні конструкції необхідно також враховувати економічні фактори і вторинні небезпеки. Так, наприклад, при використанні альфа-випромінюючих робочих ізотопів з великою питомою енерговиділенням часто необхідно розбавити робочий ізотоп для зменшення тепловиділення. Як розріджувачів використовуються різні метали, в разі застосування ізотопу в формі оксиду або іншого з'єднання - розведення проводиться відповідним інертним оксидом та ін. Слід враховувати вторинні реакції частинок, випромінюваних робочим радіоізотопом, з матеріалом-розчинником; так, хоча берилій або його тугоплавкі сполуки (оксид, карбід, борид) зручні в якості розчинника бета-активних ізотопів (внаслідок великої теплопровідності, малої щільності, великий теплоємності), але в контакті з альфа-активним ізотопом джерело тепла перетвориться в досить небезпечний і надзвичайно потужне джерело нейтронів - що з міркувань безпеки абсолютно неприпустимо.
При конструюванні захисних оболонок від гамма-випромінювання найбільш переважними матеріалами є перш за все свинець (з огляду на його дешевизну) і збіднений уран (з огляду на набагато кращу здатність до поглинання гамма-випромінювання).
При створенні полоніевих випромінювальних елементів важливу роль в розведенні грає та обставина, що полоній. подібно телуру. вельми летючий, і потрібне створення міцного хімічної сполуки з будь-яким елементом. В якості таких елементів кращі свинець і ітрій, так як вони утворюють тугоплавкі і міцні полоніди. Золото також утворює вельми технологічний полонід. Економічно ефективним є використання збідненого урану для захисту від гамма-випромінювання (ефективність поглинання гамма-квантів ураном в 1,9 рази більше, ніж свинцем) з огляду на необхідність асиміляції великих накопичених запасів збідненого урану в техніці.
Регулює режими роботи радіоізотопних джерел енергії
Регулює роботу радіоізотопних джерел енергії представляє відомі труднощі, з огляду на те що сам джерело (радіоізотопи) володіє фіксованими параметрами тепловиділення, вплинути на які (прискорити або сповільнити) сучасна технологія в даний час не в змозі. У той же час можна регулювати параметри вироблюваної електроенергії (а також тиск робочих газів або рідин). В даний час всі методи регулювання радіоізотопних джерел енергії зводяться до наступного:
- Регулювання потоку тепла від радіонукліда до перетворювача.
- Регулювання параметрів вироблюваної електроенергії.
- Регулювання тиску робочих тел.
Шляхи розвитку та підвищення ККД
Радіоізотопи, одержувані промисловістю, досить дороги; крім того, деякі з них виробляються поки ще в дуже малих кількостях через труднощі отримання, відділення, накопичення. В першу чергу це відноситься до найбільш важливих ізотопів: плутонію-238, кюрію-242 і урану-232, як найбільш перспективним, технологічним і відповідає основним комплексу завдань, покладених на ядерна батарея. У зв'язку з цим у великих країнах з розвиненою атомною енергетикою і комплексами по переробці опроміненого палива існують програми накопичення і виділення плутонію [5] і каліфорнія, а також потужності і групи фахівців, що працюють в цих програмах [6].
Поліпшення ККД радіоізотопних генераторів йде за трьома напрямками:
- Поліпшення напівпровідникових матеріалів, емісійних перетворювачів.
- Застосування нових матеріалів для конструкції теплообмінників та інших вузлів (зменшення теплових втрат).
- Зниження вартості палива (в зв'язку з цим кілька знижуються вимоги до ККД, так як матеріали дешевше і їх можна використовувати у великих кількостях).
Охорона праці, здоров'я і екологічні особливості. Утилізація генераторів
Радянський зруйнований радіоізотопний генератор БЕТА-М, який використовували на автоматичних маяках
Радіоактивні матеріали, що використовуються в радіоізотопних джерелах енергії, являють собою дуже небезпечні речовини при попаданні в середовище проживання людей. У них є два вражаючих фактора: тепловиділення, здатне привести до опіку, і радіоактивне випромінювання. Нижче наведено ряд використовуваних практично, а також перспективних ізотопів, при цьому поряд з періодом напіврозпаду, наводяться їх сорти випромінювання, енергії, і питома енергоємність.
Енергії випромінювання і період напіврозпаду застосовуваних і перспективних радіоізотопних джерел тепла:
Період напіврозпаду T 1/2
Інтегрована енергія розпаду ізотопу, кВт · год / г
Перевірка радіоактивності радіоізотопного термоелектричного генератора
Основними небезпечними факторами, супутніми застосування радіоізотопних джерел енергії, є [7]:
- Проникаюче гамма-випромінювання, нейтрони.
- Утворення радіоактивних аерозолів (виділення ізотопів радону і парів) у разі порушення герметичності капсул з ізотопами.
- Підвищення тиску гелію в капсулах з альфа-активними ізотопами (
Заходи з протидії виникнення небезпек і аварій:
- Застосування якісних і міцних конструкційних матеріалів.
- Радіаційний захист.
- Використання чистих ізотопів (виняток домішок легких елементів в контакті з альфа-які випромінюють ізотопами для запобігання виходу нейтронів).
- Використання найменш агресивних і активних теплоносіїв, збільшення міцності конструкції.
Виробники та постачальники
Області застосування радіоізотопних джерел енергії
Радіоізотопний генератор зонда «Вояджер»
Радіоізотопні джерела енергії застосовуються там, де необхідно забезпечити автономність роботи обладнання, значну надійність, мала вага і габарити. В даний час основні області застосування - це космос (супутники, міжпланетні станції та ін), глибоководні апарати, вилучені території (крайній північ, відкрите море, Антарктика). Взагалі, просто кажучи, вивчення «глибокого космосу» без радіоізотопних генераторів неможливо, так як при значній відстані від Сонця рівень сонячної енергії, який можна використовувати за допомогою фотоелементів, зникаюче малий. Наприклад, на орбіті Сатурна освітленість Сонцем в зеніті відповідає земним сутінків. Крім того, при значній відстані від Землі для передачі радіосигналів з космічного зонда потрібно дуже велика потужність. Таким чином, єдиним можливим джерелом енергії для КА в таких умовах, крім атомного реактора, виступає саме радіоізотопний генератор.
Існуючі області застосування:
- Міжпланетні зонди. Електротеплопітаніе космічних апаратів.
- Медицина: електроживлення електрокардіостимуляторів та ін.
- Енергоживлення маяків і бакенів.
Перспективні сфери застосування:
- Роботи-андроїди. Електротеплопітаніе. Як основне джерело енергії.
- Бойові лазери космічного базування: Накачування лазерів і електротеплопітаніе.
- Бойові машини: Потужні двигуни з великим ресурсом (безпілотні розвідувальні апарати - літаки і міні-човни, енергоживлення бойових вертольотів і літаків, а також танків і автономних пускових установок).
- Глибоководні гідроакустичні станції. тривале енергоживлення неповернутих апаратів.
література
Примітки
Дивитися що таке "Радіоізотопні джерела енергії" в інших словниках:
Ядерна батарея - джерела енергії, що перетворюють виділяється при радіоактивному розпаді нуклідів енергію в ін. Види енергії (напр. Теплову, електричну). Потужність Р. і. е. зазвичай не перевищує неск. кВт. Використовуються в важкодоступних р нах земної кулі і в ... ... Великий енциклопедичний політехнічний словник
Радіоізотопні джерела струму - Один з радіоізотопних генераторів зонда Кассіні Радіоізотопний генератор космічного апарату New Horizons радіоізотопні джерела енергії пристрою різного конструктивного виконання, що використовують енергію, що виділяється при радіоактивному ... ... Вікіпедія
Радіоізотопні термоелектричні генератори - РІТЕГ (радіоізотопний термоелектричний генератор) джерело електроенергії, що використовує теплову енергію радіоактивного розпаду. В якості палива для РІТЕГ використовується стронцій 90, а для високоенергоёмкіх генераторів плутоній 238. ... ... Вікіпедія
НЕЙТРОННІ ДЖЕРЕЛА - Дія всіх типів Н. і. засноване на використанні ядерних реакцій, що супроводжуються вильотом нейтронів. Найпростіші Н. і. (Ампульні) містять або спонтанно ділиться ядро (напр. 252Cf), або однорідну суміш порошків Be і a активного нуклида ... ... Фізична енциклопедія
РБ 054-09: Положення про склад і зміст звіту про стан радіаційної безпеки в організаціях, які використовують радіонуклідні джерела - Термінологія РБ 054 09: Положення про склад і зміст звіту про стан радіаційної безпеки в організаціях, які використовують радіонуклідні джерела: 1. Асоційоване обладнання (АССО ) комплекси, установки, апарати, обладнання та ... ... Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації
Ізотопна батарея - Один з радіоізотопних генераторів зонда Кассіні Радіоізотопний генератор космічного апарату New Horizons Радіоізотопні джерела енергії пристрою різного конструктивного виконання, що використовують енергію, що виділяється при радіоактивному ... ... Вікіпедія
Ядерна батарея - Один з радіоізотопних генераторів зонда Кассіні Радіоізотопний генератор космічного апарату New Horizons Радіоізотопні джерела енергії пристрою різного конструктивного виконання, що використовують енергію, що виділяється при радіоактивному ... ... Вікіпедія
Система енергопостачання космічного апарату - Супутник зв'язку Блискавка 1. Добре видно 6 панелей сонячних батарей, жорстко закріплених на корпусі. Для максимізації потужності такої установки необхідна постійна орієнтація корпусу апарату на Сонце, що зажадало розробки оригінальної ... ... Вікіпедія
Радіоактивні відходи - Цей термін має також інші значення див. РАО. У даній статті або розділі є список джерел або зовнішніх ... Вікіпедія
РРВ - Радіоактивні відходи (РАВ) відходи, що містять радіоактивні хімічні елементи і не мають практичної цінності. Часто це продукти ядерних процесів, таких як ядерне розподіл. Більшу частину РАО складають так звані «малоактивні ... ... Вікіпедія