Ядерні батареї - що це
Поділіться у соцмережах:
Тема сьогоднішньої статті – радіоізотопні термоелектричні генератори, чи простіше – ядерні батареї. Ті самі штуковини, які використовують на півночі у необслуговуваних навігаційних маяках, у космічних зондах і навіть у штучних серцях! Річ поширена, проте чуток та страхів навколо неї більше, ніж фактів. Розглянемо докладніше, що насправді являє собою така «батарейка» з терміном служби в 10-20 років.
Радіоізотопний термоелектричний генератор (РТГ, РІТЕГ, англ. - Radioisotope thermoelectric generator, RTG) є ядерним електричним генератором, який конвертує енергію радіоактивного розпаду в електричну енергію. Щоправда, не на пряму, а опосередковано – спочатку енергія розпаду перетворюється на теплову, а та, своєю чергою, перетворюється на електричну з допомогою про термопар. Зупинимося на цьому процесі детальніше.
Почнемо із термопар. Вони являють собою з'єднання двох (як правило – металевих) провідників, різниця в температурі яких генерує слабкий електричний струм. Це явище називається ефектом Зеєбека. Найбільш поширена і проста для представлення термопара – з'єднання мідного та алюмінієвого проводів. Якщо один кінець з'єднання такої пари нагріти, а інший навпаки – охолодити, на холодному провіднику почнуть накопичуватися електрони, що призведе до виникнення електричного струму. Чим вище різниця в температурі провідників у місці з'єднання, площа з'єднання та товщина самих провідників, тим краще.
Зрозуміло, що великі сплави провідників складно нагрівати та охолоджувати, вони важкі та вимагають багато місця, тому термопари в електрогенераторах, заснованих на цьому принципі, виконуютьу вигляді послідовностей великої кількості невеликих сполук. Такі блоки термопар з'єднують між собою для отримання необхідних сил струму і напруги. Хорошим показником однієї термопари є напруга близько 40 мікровольт на 1 кельвін температурної різниці.
З цієї мізерної величини, гадаю, стає зрозуміло, що ККД такого термоелектричного генератора буде дуже низьким. Навіть із застосуванням сучасних дорогих напівпровідників як основа термопар на практиці він не перевищує 3-7% від витраченої теплової енергії. Тому говорити про якусь феноменальну потужність РТГ не доводиться.
Повернемося до наших ядерних «батарейок». Описані послідовності термопар нагріваються в такому генераторі за допомогою тепла, що утворюється під час розпаду радіоактивного матеріалу. Як відомо, радіоактивний розпад супроводжується виділенням тепла. Чим швидше радіоактивний матеріал розпадається, тим більше виділиться при цьому тепла. Таким чином, в РТГ радіоактивне паливо утворює радіоактивне випромінювання, яке конвертується в тепло. Тепло, своєю чергою, конвертується в електроенергію.
Конструктивно це реалізовано так: термопари в самому генераторі звернені гарячою стороною (провідником, що має позитивний заряд) усередину, а холодною стороною (провідником, що має негативний заряд) до оболонки генератора і з'єднані з радіатором тепловідведення, щоб забезпечувати максимальну різницю температури. Всі особливості пристрою того чи іншого типу радіоізотопного термоелектрогенератора зводяться до того, щоб збільшити довговічність та підвищити ККД пристрою.
Звідси випливають вимоги до «палива», того самого радіоактивного матеріалу, який розпадатиметься і забезпечуватиме нас «теплом»:
Плутоній 238, розпечений власним розпадом
1. Період напіврозпаду повинен бути одночасно тривалим, щоб забезпечувати батарею теплом, але в той же час таким, щоб при розпад йшов досить інтенсивно і супроводжувався виділенням великої кількості радіоактивного випромінювання. Тут доводиться вибирати між потужністю батареї та її «терміном служби». Чим коротший період напіврозпаду, тим радіоактивніша речовина і вища теплова енергія, що виділяється при розпаді, тим вища «потужність» батареї. І навпаки, чим менш радіоактивна речовина (довше період напіврозпаду), тим менше ми отримаємо тепла і тим слабшою буде наша батарея, але прослужить довше. Як правило, вибирають ізотопи з періодом напіврозпаду 80-90 років з терміном служби 10-50 років, проте спеціалізовані потужні батареї можуть мати термін служби і півроку. Ціною самі знаєте чого.
2. Паливо має виробляти більшу кількість тепла на одиницю маси та обсягу. Тонна плутонію 239 (використовується в ядерній зброї та АЕС) буде таким же радіоактивним, як приблизно 3,6 кілограма плутонію 238 і виробляти таку ж кількість тепла. Тони уранової руди під поверхнею Землі, наприклад, зігрівають життя бактеріям на глибині кілька кілометрів. Однак ключове слово тут – тонни. Чим радіоактивніше паливо, тим менша маса потрібна для отримання потрібного ефекту.
3. Радіоактивне випромінювання, що утворюється в результаті розпаду, повинне легко перетворюватися на тепло. Воно так само не повинно бути проникаючим. Нейтронне та гамма-випромінювання з цих причин не підходять. Найкраще підійде альфа-випромінювання, оскільки майже не потребує екранування. Бета-випромінювання та рентгенівське вже потребують захисної свинцевої оболонки, що веде до збільшення ваги установки. Це не критично для стаціонарних наземних генераторів,Проте грає значної ролі у разі використання у космічних апаратах, подорожчаючи вартість їх запуску.
В даний час, найпоширенішим паливом для РТГ є плутоній 238 - він має період напіврозпаду в 87,7 років, відносно низьку складову гама і нейтронного випромінювання, і, у зв'язку з цим, практично не вимагає захисного екранування, в більшості випадків достатньо товщини самого корпус генератора.
У Радянському Союзі для живлення РТГ віддалених маяків, що не обслуговуються, також широко застосовувався стронцій 90, який маючи менший період напіврозпаду, значну складову гамма-випромінювання (і, як наслідок – менше одержуваного тепла на одиницю маси) був дешевше. Економіка має бути економною!
В даний час ведуться активні дослідження щодо застосування в якості палива америція 241, який кращий за плутонію 238 періодом напіврозпаду - 432 роки. Навіть не дивлячись на те, що «енергоємність» його в 4 рази нижча за плутонію, а частка небажаного проникаючого випромінювання вища, перспектива живити пристрої століттями виглядає привабливо. У будь-якому випадку по всіх параметрах такого роду палива це друге найкраще після плутонію 238 рішення.
Тепер зупинимося на термін служби «генераторів». Як можна було здогадатися, він залежить від типу обраного палива й у плутонію 238 становить -0.87% від вихідної потужності протягом року роботи. Однак і тут не все так просто. Не забуваємо, що наші термопари теж мають свій термін служби і згодом під впливом постійного радіоактивного випромінювання та високої температури деградують. Швидше, ніж розпадається паливо. Наприклад, батарея зонда Voyager -1, запущеного в космос в 1977 році, до 2001 року мала 315 Ватт потужності замість проектних 420 Ватт. Реальне зменшення потужності за 24року роботи становило 25%.
ККД з перетворення тепла в електрику, як уже повідомлялося, у генераторів, які використовують принцип Зеєбека, дуже невисокий і практично рідко перевищує 5%. Тож серйозним джерелом РТГ ніким ніколи не вважалися, до сили, що асоціюється з ядерною енергетикою, ним — як годинниковим батареям до дизельних електрогенераторів. Однак і тут ведуться роботи з покращення. Щоправда, від оригінальної конструкції у перспективній розробці NASA залишилося лише перетворення радіоактивного випромінювання на тепло.
Йдеться про суміщення теплового двигуна Стірлінга (працюючого якраз за рахунок різниці температур), генератора і, власне, радіоактивного ізотопу. Нагадаю коротко принцип роботи двигуна Стірлінга: робоче тіло (газ) розширюючись і стискаючись в холодному і гарячому циліндрах (або різних частинах одного циліндра) рухає поршень за допомогою теплового розширення або теплового стиску.
Сам газ не залишає двигуна, постійно циркулюючи усередині нього. Такі двигуни ще називають двигунами зовнішнього згоряння (за аналогією з двигунами внутрішнього), оскільки тепло для нагрівання газу необхідно брати ззовні. ККД і потужність двигуна Стірлінга залежить від тієї ж різниці температур холодного і гарячого відсіків (сили стиснення та розширення газу). А тепер уявімо безмежні можливості для охолодження в космосі і постійне джерело тепла у вигляді теплового стрижня радіоізотопного палива. За розрахунками фахівців NASA, такий генератор матиме ККД у 20% — 25%, що вже набагато краще за 3%-5% для РТГ.
І, насамкінець, поговоримо про найактуальніше питання – радіаційну безпеку наших ядерних батарейок. Мабуть, найвідомішою є фотографія «занедбаних та спаплюжених» радянських.«мийних» генераторів на стронції 90, що валяються на якомусь прибережному звалищі. Дивіться мовляв, ось до чого це все веде, розібрані вандалами на металобрухт, джерела радіаційного забруднення навколишнього середовища валяються тут і там, випромінюючи випромінювання, отруюючи радіоактивною отрутою все живе і закликаючи терористів зробити з них «брудну бомбу». На задньому плані не вистачає гігантських щурів-мутантів.
Насправді все трохи не так. Документованих випадків акту вандалізму стосовно генераторів, що відслужили своє, зафіксовано не було. Щоправда, переважно тому, що ці генератори, нібито, особливо не документувалися. Ви вірите, що в СРСР могли без урахування розкидати ядерні технології? Я – ні. В інтернеті також є інформація про якихось грузинських пастухів, які проспали біля покинутого РТГ холодної ночі, щоб зігрітися. Їх потім доправили до лікарні із радіаційними опіками, а РТГ забрали. Хто коли, куди, де? Нічого.
Страшні історії про радіоізотопні генератори на цьому закінчуються, далі йде цілком позитивна і добре документована статистика. З 33 американських місій з використанням плутонієвих РТГ, 5 закінчилися аварією під час запуску або входження в атмосферу. При цьому з 5 аварій лише одна призвела до пошкодження контейнера з паливом РТГ при його згорянні в атмосфері, що призвело до появи слідів плутонію 238 в атмосфері над Мадагаскаром через кілька місяців після аварії. Зважаючи на те, що масового радіаційного отруєння не відбулося і навіть знято мультфільм, наслідків цей викид не отримав.
Радянські супутники з РТГ на борту проблем взагалі не мали ніколи. Страшилки для падіння на океан військові і метеорологічні зонди, наповнені радіоактивною радіацією стосуються апаратів,оснащених повноцінними бортовими ядерними реакторами, які спочатку проектувалися так, щоб впасти, а радіоактивна частина згоріти в атмосфері.
Також вгамую тих, хто боїться, що за допомогою палива РТГ терористи зможу зробити атомну бомбу. Ні зі стронцієм 90 із радянських РТГ ні з плутонієм 238 із американських ядерної бомби не вийде. Ці ізотопи надто нестабільні, щоб досягти критичної маси та надалі підтримувати ланцюгову реакцію поділу ядер. Більш того, додавання подібного ізотопу до компонентів нормальної ядерної бомби призведе до зменшення сили вибуху, оскільки своєю високою активністю цей компонент викличе передчасне початок ядерної реакції до того, як будуть досягнуті оптимальні умови критичної маси заряду.
Що стосується брудної бомби,
то й тут для терористів усе погано. Паливо в тому вигляді, в якому його можна зняти з РТГ, по-перше, занадто гаряче (робоча температура теплової голівки 500-600 градусів Цельсія), по-друге, так, радіоактивна, випромінювання дійсно може бути дуже шкідливим, на стільки, що приготувати із цього всього робочу бомбу можна не встигнути. Ну і по-третє, живе недовго в порівнянні з радіоактивними відходами АЕС, дістати які значно простіше. В результаті, робити бомбу з дуже гарячих, небезпечних для самого підривника елементів, по радіаційному впливу на одиницю ваги порівнянних з уранової рудою, не дуже вигідно. Хіба що, моральний ефект від використання плутонію (ужос!ужос!) у бомбі вигідно відрізняв би заголовки новин від розпливчастого «радіоактивні відходи».
Підбиваючи підсумки, хочу сказати, що даний вид отримання електроенергії безумовно цікавий насамперед своєю автономністю. Наприклад, у США відомі випадки, коли в попелікремованих громадян знаходили робочі радіоізотопні термоелектрогенератори, які забули видалити під час підготовки до похорону. Навіть у таких малих корпусах, достатніх до роботи кардіостимуляторів, генератори зберігали працездатність, переживши кремацію носія. Обидва Вояджери своєю тривалою роботою також зобов'язані встановленим на них РТГ, як і енергетичні установки американської програми місячної Apollo. Прогнози погоди від Гідрометцентру України ми теж отримуємо, в тому числі завдяки ядерним батареям. І навіть камчатських крабів їмо за їхньої опосередкованої участі. Тож, не лякайтеся, якщо почуєте в новинах страшне «супутник із радіоізотопним генератором».
КамАЗ, що чадає дизелем, на найближчому будівництві набагато шкідливіший.