Тема сьогоднішньої статті - радіоізотопні термоелектричні генератори , Або простіше - ядерні батарейки. Ті самі штуковини, які використовують на півночі в необслуговуваних навігаційних маяках, в космічних зондах і навіть в штучних серцях! Річ поширена, однак чуток і страхів навколо неї більше, ніж фактів. Розглянемо детальніше, що ж насправді представляє з себе 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. Правда, не на пряму, а опосередковано - спочатку енергія розпаду перетворюється в теплову, а та, в свою чергу, перетворюється в електричну за допомогою так званих термопар. Зупинимося на цьому процесі детальніше.

Почнемо з термопар . Вони являють собою поєднання двох (як правило - металевих) провідників, різниця в температурі яких генерує слабкий електричний струм. Це явище називається ефектом Зеєбека . Найбільш поширена і проста для подання термопара - з'єднання мідного та алюмінієвого проводів. Якщо один кінець з'єднання такої пари нагріти, а інший навпаки - охолодити, на холодному провіднику почнуть скупчуватися електрони, що і призведе до виникнення електричного струму. Чим вище різниця в температурі провідників в місці з'єднання, площа з'єднання і товщина самих провідників, тим краще.

Зрозуміло, що великі сплави провідників складно нагрівати і охолоджувати, вони важкі і вимагають багато місця, тому термопари в електрогенераторах, заснованих на цьому принципі, виконують у вигляді послідовностей великої кількості невеликих з'єднань. Такі блоки термопар з'єднують між собою для отримання необхідних сили струму і напруги. Хорошим показником для однієї термопари є напруга близько 40 мікровольт на 1 кельвін температурної різниці.

З цієї мізерної величини, думаю, стає зрозуміло, що ККД такого термоелектричного генератора буде дуже низький. Навіть із застосуванням сучасних дорогих напівпровідників в якості основи термопар на практиці він не перевищує 3-7% від витраченої теплової енергії. Тому, говорити про якийсь феноменальною потужності РТГ не доводиться.

Повернемося до наших ядерних «батареям». Описані послідовності термопар нагріваються в такому генераторі за допомогою тепла, що утворюється при розпаді радіоактивного матеріалу. Як відомо, радіоактивний розпад супроводжується виділенням тепла. Чим швидше радіоактивний матеріал розпадається, тим більше при цьому виділиться тепла. Таким чином, в РТГ радіоактивне паливо, розпадаючись, утворює радіоактивне випромінювання, яке конвертується в тепло. Тепло, в свою чергу, конвертується в електроенергію.

Конструктивно це реалізовано так: термопари в самому генераторі звернені гарячої стороною (провідником, що має позитивний заряд) всередину, а холодної 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 термоелектрогенераторов зводяться до того, щоб збільшити довговічність і підвищити ККД пристрою.

Звідси випливають вимоги до «паливу», того самого радіоактивного матеріалу, який буде розпадатися і забезпечувати нас «теплом»:

Плутоній 238, розпечений власним розпадом

1. Період напіврозпаду повинен одночасно бути 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 і її «терміном служби». Чим коротший період напіврозпаду, тим радіоактивніший речовина і вище теплова енергія, що виділяється при розпаді, тим вище «потужність» батареї. І навпаки, чим менше радіоактивно речовина ( довше період напіврозпаду ), Тим менше ми отримаємо тепла і тим слабкіше буде наша батарея, але прослужить довше. Як правило, вибирають ізотопи з періодом напіврозпаду в 80-90 років з терміном служби в 10-50 років, однак спеціалізовані потужні батареї можуть мати термін служби і на півроку. Ціною самі знаєте чого.

2. Паливо повинно виробляти більшу кількість тепла на одиницю маси і об'єму. Тонна плутонію 239 (використовується в ядерній зброї і АЕС) буде таким же радіоактивним, як приблизно 3,6 кілограма плутонію 238 і виробляти таку ж кількість тепла. Тонни уранової руди під поверхнею Землі, наприклад, зігрівають життя бактеріям на глибині в кілька кілометрів. Однак, ключове слово тут - тонни. Чим радіоактивніший паливо, тим менша маса потрібна для отримання потрібного ефекту.

3. Радіоактивне випромінювання, що утворюється в результаті розпаду, має легко перетворюватися в тепло. Воно так само не повинно бути проникаючим. Нейтронне і гамма-випромінювання з цих причин не підходять. Найкраще підійде альфа-випромінювання, так як майже не вимагає екранування. Бета-випромінювання і рентгенівське вже вимагають захисну свинцеву оболонку, що веде до збільшення ваги установки. Це не критично для стаціонарних наземних генераторів, але відіграє велику роль в разі використання в космічних апаратах, здорожуючи вартість їх запуску.

В даний час, найпоширенішим паливом для РТГ є плутоній 238 - він володіє періодом напіврозпаду в 87,7 років, відносно низьку складову гамма і нейтронного випромінювання, і, в зв'язку з цим, практично не вимагає захисного екранування, в більшості випадків досить товщини самого корпусу генератора.

У Радянському Союзі для харчування РТГ віддалених необслуговуваних маяків 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 повинна бути економною!

В даний час ведуться активні дослідження щодо застосування в якості палива америцію 241 , Який краще плутонію 238 періодом напіврозпаду - 432 року. Навіть не дивлячись на те, що «енергоємність» його в 4 рази нижче плутонію, а частка небажаної проникаючого випромінювання вище, перспектива живити пристрої століттями виглядає заманливо. У будь-якому випадку за всіма параметрами такого роду палива це друге краще після плутонію 238 рішення.

Тепер зупинимося на терміні служби «генераторів». Як вже можна було здогадатися, він залежить від типу обраного палива і для плутонію 238 становить -0.87% від вихідної потужності за рік роботи. Однак і тут не все так просто. Не забуваємо, що наші термопари теж мають свій термін служби і з часом, під впливом постійного радіоактивного випромінювання і 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 24 роки роботи склало 25%.

ККД по перетворенню тепла в електрику, як уже повідомлялося, у генераторів, що використовують принцип Зеебека, вельми невисокий і на практиці рідко перевищує 5%. Так що, серйозним джерелом РТГ ніким ніколи не вважалися, до мощі, що асоціюється з ядерною енергетикою, їм - як годинним батареям до дизельних електрогенераторів. Однак, і тут ведуться роботи по поліпшенню. Правда, від оригінальної конструкції в перспективній розробці NASA залишилося тільки перетворення радіоактивного випромінювання в тепло.

Йдеться про суміщення теплового двигуна Стірлінга (Працює як раз 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 в різних частинах одного циліндра) рухає поршень за допомогою теплового розширення або теплового стиску.

Сам газ не залишає двигуна, постійно циркулюючи всередині нього. Такі двигуни ще називають двигунами зовнішнього згоряння (по аналогії з двигунами внутрішнього), так як, тепло для нагрівання газу необхідно брати ззовні. ККД і потужність двигуна Стірлінга залежить від все тієї ж різниці температур холодного і гарячого відсіків (сили стиснення і розширення газу). А тепер уявімо собі безмежні можливості для охолодження в космосі і постійне джерело тепла у вигляді теплового стрижня радіоізотопного палива. За розрахунками фахівців NASA, такий генератор матиме ККД в 20% - 25%, що вже набагато краще 3% -5% для РТГ.

І, наостанок, поговоримо про самому актуальному питанні - радіаційної безпеки наших ядерних батарейок. Мабуть, найзнаменитішою є фотографія «занедбаніх та спаплюженіх» радянських «маякових» генераторів на стронцій 90, що валяються на якийсь прибережній 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 радіоактивної отрутою все живе і як би закликаючи терористів зробити з них « брудну бомбу ». На задньому плані не вистачає гігантських щурів-мутантів.

В реальності все трохи не так. Документованих випадків акту вандалізму по відношенню до відслужив своє генераторів зафіксовано не було. Правда, в основному тому, що ці генератори, нібито, особливо не документувалися. Ви вірите в те, що в СРСР могли без урахування розкидати ядерні технології? Я - ні. В інтернеті так само є інформація про якісь грузинських пастухів, які проспали біля покинутого РТГ холодної вночі, щоб зігрітися. Їх потім доставили в лікарню з радіаційними опіками, а РТГ забрали. Хто, коли, куди, де? Нічого.

Страшні історії про радіоізотопні генератори на цьому закінчуються, далі йде цілком собі позитивна і добре документована статистика. З 33 американських місій з використанням плутонієвих РТГ, 5 закінчилися аварією при запуску, або входження в атмосферу . При цьому, з 5 аварій тільки одна призвела до пошкодження контейнера з паливом РТГ при його згорянні в атмосфері, що призвело появі слідів плутонію 238 в атмосфері над Мадагаскаром через кілька місяців після аварії. Судячи з того, що масового радіаційного отруєння не відбулося і навіть знятий мультфільм, наслідків цей викид не вплинув.

Радянські супутники з РТГ на борту проблем не мали взагалі ніколи. Страшилки про падаючі в океан військові і метеорологічні зонди, вщерть наповнені радіоактивної радіацією стосуються апаратів , Оснащених повноцінними бортовими ядерними реакторами, які спочатку проектувалися так, щоб впасти, а радіоактивна частина - згоріти в атмосфері.

Також заспокою тих, хто боїться, що за допомогою палива РТГ терористи зможу зробити атомну бомбу. Ні зі стронцієм 90 з радянських РТГ ні з плутонієм 238 з американських ядерної бомби не вийде . Ці ізотопи занадто нестабільні, щоб досягти критичної маси і надалі підтримувати ланцюгову реакцію ділення ядер. Більш того, додавання подібного ізотопу в компоненти нормальної ядерної бомби призведе до зменшення сили вибуху , Так, як своєю високою активністю цей компонент викличе передчасний початок ядерної реакції до того, як будуть досягнуті оптимальні умови критичної маси заряду.

Що стосується брудної бомби,

то і тут для терористів все погано. Паливо в тому вигляді, в якому його можна зняти з РТГ, по-перше, занадто гаряче (робоча температура теплової головки 500-600 градусів Цельсія), по-друге, таки так, радіоактивна, випромінювання дійсно може бути дуже шкідливим, на стільки, що приготувати з цього всього робочу бомбу можна не встигнути. Ну і по-третє, живе недовго в порівнянні з радіоактивними відходами АЕС, дістати які значно простіше. У підсумку, робити бомбу з постійно дуже гарячих, небезпечних для самого підривника елементів, по радіаційного впливу на одиницю ваги порівнянних з урановою рудою, не дуже вигідно. Хіба що, моральний ефект від використання плутонію (Ужос! Ужос!) В бомбі вигідно відрізняв би новинні заголовки від розпливчастого «радіоактивні відходи».

Підводячи підсумки, хочу сказати, що даний вид отримання електроенергії безумовно цікавий, перш за все, своєю автономністю. Наприклад, в США відомі випадки, коли в попелі кремують громадян знаходили робочі радіоізотопні термоелектрогенератори, які забули видалити при підготовці до похорону. Навіть в таких малих корпусах, достатніх для роботи кардіостимуляторів, генератори зберігали працездатність, переживши кремацію носія. Обидва Вояджера своєї тривалої роботою також зобов'язані встановленим на них РТГ, як і енергетичні установки американської місячної програми Apollo. Прогнози погоди від Гідрометцентру Росії ми теж отримуємо, в тому числі, завдяки ядерним батареям. І навіть камчатських крабів їмо при їх опосередковану участь. Так що, не лякайтеся, якщо почуєте в новинах страшне «супутник з радіоізотопним генератором».

<

p align = "center"> чадних дизелем КамАЗ на найближчій будівництві набагато вредней.