Surse de energie radioizotopice

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 23 februarie 2021; verificările necesită 4 modificări .

Sursele de energie cu radioizotopi  sunt dispozitive de diferite modele care utilizează energia eliberată în timpul dezintegrarii radioactive pentru a încălzi lichidul de răcire sau pentru a-l transforma în energie electrică .

O sursă de energie radioizotopică este fundamental diferită de un reactor nuclear prin aceea că folosește nu o reacție nucleară controlată în lanț , ci energia dezintegrarii naturale a izotopilor radioactivi .

Tipuri și tipuri de generatoare și elemente

Sursele de energie radioizotopi sunt împărțite în:

Izotopi folosiți (combustibil) și cerințe pentru acesta

Sursa de căldură sau de combustibil pentru sursele de curent radioizotop sunt izotopi radioactivi de scurtă durată ai diferitelor elemente chimice. Principalele cerințe pentru izotopi și, în consecință, pentru sursele de căldură ale compușilor și aliajelor obținute din aceștia sunt: ​​un timp de înjumătățire suficient de lung , siguranță în manipulare și funcționare (de preferință absența radiațiilor penetrante: radiații gamma dure și neutroni ), topire ridicată. punct de aliaje și compuși, o eliberare mare de energie specifică, iar pentru izotopii capabili de fisiune, este de asemenea posibilă o masă critică mare . Un loc foarte important în alegerea unui izotop de lucru îl joacă formarea unui izotop fiică capabil să elibereze căldură semnificativă, deoarece lanțul de transformare nucleară în timpul dezintegrarii se prelungește și, în consecință, energia totală care poate fi utilizată crește. Cel mai bun exemplu de izotop cu un lanț lung de descompunere și o eliberare de energie cu un ordin de mărime mai mare decât majoritatea celorlalți izotopi este uraniul-232 . Dezavantajul său este că taliul-208 , care face parte din seria sa radioactivă, emite radiații gamma foarte dure ( 2,614 MeV ), care sunt greu de protejat. Sunt cunoscuți peste 3000 de radioizotopi, dar doar câțiva sunt potriviți pentru rolul surselor de căldură în generatoarele de radioizotopi. Izotopii cei mai folosiți astăzi pentru sursele de energie radioizotopice[ când? ] ora sunt listate în următorul tabel:

Surse de căldură cu radioizotopi practicate
Izotop Obținere (sursă) Putere specifică pentru izotop pur, W/g Putere volumetrică, W/cm³ Densitatea combustibilului, g/cm³ Punct de topire a combustibilului, °C Cantitatea de combustibil, curie /W T 1/2 Energie integrată de descompunere a izotopilor, kWh/g Forma de lucru a izotopului
60 Co Iradierea în reactor 2.9 ~26 8.9 ~1480 ~390 5.271 ani 193,2 Aliaj de metal
238 Pu iradierea neptuniului-237 în reactor 0,568 5.9 11.5 2400 30.3 87,7 ani 608,7 PuO 2
90Sr _ fragmente de fisiune ~2,3 [1] ~9,2 (SrO)
~5,7 ( SrTiO3 ) 		4,7 (SrO)
5,1 ( SrTiO3 ) 		2430 (SrO)
2080 ( SrTiO3 ) 		~60 28,8 ani ~840 [1] SrO , SrTiO 3
144 Ce fragmente de fisiune 2.6 ~16 7.6 2400 128 285 de zile 57.439 CeO 2
242 cm _ reactor atomic 121 1169 11.75 ~2270 27.2 162 de zile 677,8 Cm2O3 _ _ _
ora 147 fragmente de fisiune 0,37 1.1 6.6 2300 2700 2,64 ani 12.34 Pm 2 O 3
137Cs _ fragmente de fisiune 0,27 ~0,86 patru 645 320 33 de ani 230,24 CsCl
210po _ iradierea cu bismut în reactor 142 1320 9.4 600 ( PbPo ) 31.2 138 de zile 677,59 aliaje cu Pb , Y , Au
244 cm _ reactor atomic 2.8 33.25 11.75 ~2270 29.2 18,1 ani 640,6 Cm2O3 _ _ _
232 U iradierea toriului într-un reactor 8.097 [2] ~77,9 10,95 ( UO2 ) 2850 68,9 ani 4887.103 [2] UO 2 , UC , ONU .
106 Ru fragmente de fisiune 29.8 369.818 12.41 2250 ~371,63 zile 9.854 aliaj de metal

Trebuie remarcat faptul că alegerea unei surse de căldură izotopică este determinată în primul rând de gama de sarcini efectuate de sursa de energie și de timpul necesar pentru a finaliza aceste sarcini. Un dezavantaj uriaș al radioizotopilor este faptul că eliberarea lor de energie nu poate fi controlată (oprită sau accelerată), fiind doar posibilă întreruperea fluxului de căldură de la convertoare.

Pe lângă uraniu-232 , izotopi ai elementelor transuranice grele , în primul rând plutoniu-238 , curium-242 , curium-244 și alți izotopi ai elementelor transuranice, cum ar fi californium-248 , californium-249 , californium-250 , ein , atrag interesul. , fermiu-257 , precum și o serie de izotopi mai ușoare, cum ar fi poloniu-208 , poloniu-209 , actiniu-227 .

Diferiți izomeri nucleari și presupuse noi elemente supergrele sunt de asemenea de interes teoretic .

Caracteristicile economice ale celor mai importanți izotopi generatori

Date de cost și producție pentru radioizotopi cheie
Izotop Productie in 1968, kW(th)/an Productie in 1980, kW(th)/an Cost în 1959, USD/W Cost în 1968, USD/W Cost în 1980, USD/W Prețuri în 1975 (Oak Ridge), USD/gram
60 Co nu există date 1000 nu există date 26 zece 106
238 Pu 17 400 nu există date 1600 540 242
90Sr _ 67 850 170 treizeci douăzeci douăzeci
144 Ce 800 10000 39 19 2 cincizeci
242 cm _ 17 252
ora 147 5.5 40 710 558 220 75
137Cs _ 48 850 95 26 24 zece
210po _ paisprezece nu există date nu există date 780 douăzeci 1010
244 cm _ 29 64 612
232 U
Randamentul izotopilor generatorului produși în reactoare nucleare
Izotop Substanța și masa țintei Durata iradierii Densitatea fluxului de neutroni (cm −2 s −1 ) Randamentul izotopilor în grame Parte nefolosită a țintei
60 Co Cobalt-59 (100 g) 1 an 2⋅10 13 1,6 g
238 Pu Neptunium-237 (100 g) 3 ani 2⋅10 13 20 g
210po _ Bismut-209 (1 tonă) 1 an 2⋅10 13 4 g
242 cm _ Americiu-241 (100 g) 1 an 2⋅10 13 6 g
232 U 2⋅10 13

Odată cu dezvoltarea și creșterea energiei nucleare, prețurile pentru cei mai importanți izotopi generatori scad rapid, iar producția de izotopi este în creștere rapidă, ceea ce predetermina expansiunea energiei radioizotopilor. În același timp, costul izotopilor obținuți prin iradiere (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242 etc.) este ușor redus și, prin urmare, în multe țări cu o industrie dezvoltată a radioizotopilor, există modalități fiind cautate scheme de iradiere mai rationale.tinte, prelucrare mai amanuntita a combustibilului iradiat. În mare măsură, speranțele de extindere a producției de izotopi sintetici sunt asociate cu creșterea sectorului reactoarelor cu neutroni rapidi și cu posibila apariție a reactoarelor termonucleare. În special, tocmai reactoarele cu neutroni rapidi care folosesc cantități semnificative de toriu fac posibilă speranța pentru producerea de cantități comerciale mari de uraniu-232. Specialiștii atribuie creșterea volumelor producției de izotopi în primul rând creșterii puterii specifice a reactoarelor, scăderii scurgerilor de neutroni, creșterii fluentei neutronilor , reducerii timpului de iradiere țintă și dezvoltării ciclurilor continue pentru separarea izotopilor valoroși [3]. ] .

Odată cu utilizarea izotopilor, problema eliminării combustibilului nuclear uzat este în mare măsură rezolvată, iar deșeurile radioactive din deșeurile periculoase sunt transformate nu numai într-o sursă suplimentară de energie, ci și într-o sursă de venituri semnificative. Reprocesarea aproape completă a combustibilului iradiat este capabilă să aducă bani comparabili cu costul energiei generate în fisiunea uraniului, plutoniului și a altor elemente.

Capacitatea totală a produselor de fisiune produse de centralele nucleare
An Capacitate electrică instalată pe an, MW Putere totală, MW Puterea totală a reactorului, MW Puterea totală β și γ a radiației izotopice, kW
1961 161 161 644 386
1962 161 322 1288 772
1963 187 509 2036 1222
1964 187 696 2784 1670
1965 214 910 3640 2184
1966 428 1338 5352 3211
1967 670 2008 8032 4819
1968 830 2838 11352 6811
1969 1687 4525 18100 10860
1970 2062 6587 26348 15809
1971 2143 8730 34920 20952
1972 2357 11087 44348 26609
1973 2571 13658 54632 32779
1974 3080 16658 66632 39979
1975 4339 20997 83988 50393

Aplicații

Sursele de energie cu radioizotopi sunt utilizate acolo unde este necesar să se asigure autonomia de funcționare a echipamentelor, fiabilitate semnificativă, greutate și dimensiuni reduse. In prezent[ când? ] timp, principalele domenii de aplicare sunt spațiul (sateliți, stații interplanetare etc.), vehiculele de adâncime, teritoriile îndepărtate (nordul îndepărtat, marea deschisă, Antarctica). De exemplu, studiul „spațiului adânc” fără generatoare de radioizotopi este imposibil, deoarece la o distanță semnificativă de Soare , nivelul de energie solară care poate fi utilizat cu ajutorul fotocelulelor este extrem de mic. De exemplu, pe orbita lui Saturn , iluminarea Soarelui la zenit corespunde crepusculului terestru. În plus, la o distanță semnificativă de Pământ , este necesară o putere foarte mare pentru a transmite semnale radio de la o sondă spațială. Astfel, singura sursă posibilă de energie pentru o navă spațială în astfel de condiții, pe lângă un reactor nuclear, este tocmai un generator de radioizotopi.

Aplicații existente:

Domenii de aplicare promițătoare:

Constructii

La proiectarea surselor de energie cu radioizotopi, inginerii sunt ghidați de cele mai înalte caracteristici posibile ale materialelor și, în consecință, de cel mai bun rezultat final. În același timp, la crearea unui proiect trebuie să se țină cont și de factorii economici și de pericolele secundare. Deci, de exemplu, atunci când se utilizează izotopi de lucru care emit alfa cu o eliberare de energie specifică mare, este adesea necesar să se dilueze izotopul de lucru pentru a reduce eliberarea de căldură. Diferite metale sunt utilizate ca diluanți, în cazul utilizării unui izotop sub formă de oxid sau alt compus, diluarea este efectuată cu un oxid inert adecvat etc. Reacțiile secundare ale particulelor emise de un radioizotop de lucru cu un material diluant ar trebui să să fie luate în considerare; deci, deși beriliul sau compușii săi refractari (oxid, carbură, borură) sunt convenabile ca diluant pentru izotopii beta-activi (datorită conductivității termice ridicate, densității scăzute, capacității termice mari), dar în contact cu un izotop alfa-activ datorită la eficiența (α, n ) - reacții pe nuclee ușoare, sursa de căldură se va transforma într-o sursă foarte periculoasă de neutroni , ceea ce este complet inacceptabil din motive de siguranță.

Atunci când se proiectează învelișuri de protecție împotriva radiațiilor gamma, cele mai preferate materiale sunt în primul rând plumbul (datorită ieftinității sale) și uraniul sărăcit (datorită capacității sale mult mai bune de a absorbi radiațiile gamma).

La crearea elementelor emițătoare de poloniu, un rol important în diluare îl joacă faptul că poloniul , ca și teluriul , este foarte volatil și este necesară crearea unui compus chimic puternic cu orice element. Ca astfel de elemente, sunt preferate plumbul și ytriul, deoarece formează polonide refractare și puternice. Aurul formează, de asemenea, o polonidă extrem de tehnologică . Este eficient din punct de vedere economic utilizarea uraniului sărăcit pentru protecția împotriva radiațiilor gamma (eficiența absorbției cuantelor gamma de către uraniu este de 1,9 ori mai mare decât prin plumb) din cauza necesității de a asimila în tehnologie rezerve mari acumulate de uraniu sărăcit.

Materiale structurale și auxiliare pentru producția de RIE

În producerea surselor de energie radioizotopice se folosesc diverse materiale structurale și auxiliare care au proprietăți fizico-chimice, mecanice și nuclear-fizice specifice, care fac posibilă creșterea eficienței dispozitivelor și asigurarea unui nivel ridicat de siguranță atât în ​​timpul funcționării normale. și în condiții de urgență.

Reglarea modurilor de funcționare

Reglarea funcționării surselor de energie cu radioizotopi prezintă anumite dificultăți, datorită faptului că sursa în sine (radioizotopul) are parametrii de degajare a căldurii fixe, pe care tehnologia modernă nu este capabilă să-i influențeze (accelereze sau încetini). În același timp, pot fi ajustați parametrii energiei electrice generate (precum și presiunea gazelor sau lichidelor de lucru). In prezent[ când? ] timp, toate metodele de reglare a surselor de energie radioizotopice se reduc la următoarele:

Istoria generatoarelor de radioizotopi și bateriilor

Din punct de vedere istoric, prima sursă de radioizotop de energie electrică (Beta Cell) a fost creată și prezentată de fizicianul britanic G. Moseley în 1913 . Era (conform clasificării moderne) un element atomic - o sferă de sticlă, placată cu argint din interior, în centrul căreia se afla pe un electrod izolat o sursă de radiație ionizantă. Electronii emiși prin dezintegrarea beta au creat o diferență de potențial între stratul de argint al sferei de sticlă și electrodul de sare de radiu.

Primele generatoare practice de radioizotopi au apărut la mijlocul secolului al XX-lea în URSS și SUA , în legătură cu explorarea spațiului cosmic și apariția unui număr suficient de mare de fragmente de fisiune de combustibil nuclear (din cantitatea din care este necesar. izotopii se obțin prin metode de prelucrare radiochimică).

Unul dintre motivele importante pentru utilizarea surselor de energie cu radioizotop este o serie de avantaje față de alte surse de energie (practic fără întreținere, compactitate etc.), iar motivul decisiv a fost intensitatea energetică enormă a izotopilor. În practică, în ceea ce privește masa și intensitatea energiei volumetrice, dezintegrarea izotopilor utilizați este a doua după fisiunea uraniului , plutoniului și a altor nuclee de 4-50 de ori și depășește sursele chimice ( acumulatoare , pile de combustibil etc.). ) de zeci și sute de mii de ori.

Locuri de muncă în SUA

În 1956, în Statele Unite a apărut un program numit SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power - centrale nucleare auxiliare) . Programul a fost conceput pentru a satisface nevoia unei surse de alimentare fiabile, în afara rețelei, care să poată fi utilizată în locații îndepărtate pentru o perioadă semnificativă de timp, fără nicio întreținere. Succesul acestui program a fost apariția unor astfel de surse pe sateliții Tranzit (SNAP-11), Stația Antarctică Americană și Biroul Meteorologic Arctic (SNAP-7-D, SNAP-7-E, SNAP-10-A) . Generatoarele SNAP-1A, SNAP-2, SNAP-3, SNAP-3A1 (1969), SNAP-8, NAP-100 (1959), SNAP-50 au fost create folosind ciclul vapori-mercur Rankine ( turbogenerator ).

Generatoare americane de radioizotopi: NAP-100, SNAP-1A, SNAP-2, SNAP-3, SNAP-3A1, SNAP-7-D, SNAP-7-E, SNAP-8, SNAP-10-A, SNAP-11, SNAP-50, SNAP-9, SNAP-19, SNAP-21, SNAP-23, SNAP-25, SNAP-27, SNAP-29, Stirling Radioizotope Generator (SRG), etc.

In prezent[ când? ] timp în Statele Unite, departamentul de sisteme energetice cu radioizotopi a fost format la Departamentul de Energie al SUA și, astfel, energia radioizotopilor s-a remarcat și a devenit un domeniu independent de energie.

Lucrări în URSS și Rusia

Pe nava spațială sovietică „ Cosmos-84 ”, „ Cosmos-90 ” (1965), au fost utilizate generatoare de radioizotopi „Orion-1” și „11K” bazate pe poloniu-210 . Același izotop (în compoziția polonidei de ytriu ) a stat la baza surselor de căldură radioizotopice B3-P70-4 cu o putere termică inițială de 150-170 W pe aparatele Lunokhod-1 (1970) și Lunokhod-2 (1973) . [4] .

Generatoare de radioizotopi rusești :

Alte țări

Generatoare de radioizotopi englezești :

Modalități de dezvoltare și creștere a eficienței

Radioizotopii obținuți de industrie sunt destul de scumpi; în plus, unele dintre ele sunt încă produse în cantități foarte mici din cauza dificultăților de obținere, separare și acumulare. În primul rând, acest lucru se aplică celor mai importanți izotopi: plutoniu-238, curium-242 și uraniu-232, ca fiind cei mai promițători, avansati din punct de vedere tehnologic și care îndeplinesc setul principal de sarcini atribuite surselor de energie radioizotopice. În acest sens, în țările mari cu energie nucleară dezvoltată și complexe pentru prelucrarea combustibilului iradiat, există programe de acumulare și separare a plutoniului [6] și California, precum și instalații și grupuri de specialiști care lucrează în aceste programe [7] ] .

Îmbunătățirea eficienței generatoarelor de radioizotopi merge în trei direcții:

Caracteristici de securitate, sănătate și mediu în muncă. Eliminarea generatoarelor

Materialele radioactive utilizate în sursele de energie radioizotopice sunt substanțe extrem de periculoase atunci când sunt eliberate în mediul uman. Au doi factori dăunători: eliberarea de căldură, care poate duce la arsuri, și radiațiile radioactive. Mai jos este o serie de izotopi utilizați în practică, precum și de izotopi promițători, în timp ce, împreună cu timpul de înjumătățire, sunt date tipurile lor de radiație, energie și intensitatea energetică specifică.

Energiile radiațiilor și timpul de înjumătățire al surselor de căldură radioizotopice aplicate și viitoare:
Izotop Timp de înjumătățire T 1/2 Energie integrată de descompunere a izotopilor, kWh/g Energia medie a particulelor β , MeV Energia particulelor α , MeV Energia γ -quanta, MeV
60Co _ 5,27 ani 193,2 0,31 (99,9%); 1,48 (0,1%) 1,17 + 1,33
238 Pu 87,74 ani 608,7 5,5 (71%); 5,46 (29%)
90Sr _ 28,8 ani ~840 [1] 0,546 + 2,28 [1]
144 Ce 284,9 zile 57.439 0,31
242 cm _ 162,8 zile 677,8 6,11 (74%); 6,07 (26%)
ora 147 2,6234 ani 12.34 0,224
137Cs _ 30,17 ani 230,24 0,512 (94,6%); 1,174 (5,4%) 0,662 (80%)
210po _ 138.376 zile 677,59 5,305 (100%)
244 cm _ 18,1 ani 640,6 5,8 (77%); 5,76 (23%)
208po _ 2.898 de ani 659.561 5.115 (99%)
232 U ~68,9 ani 4887.103 [2] 5,32 (69%); 5,26 (31%)
248 cf 333,5 zile 6,27 (82%); 6,22 (18%)
250 cf 13,08 ani 6,03 (85%); 5,99 (15%)
254 Es 275,7 zile 678.933 6,43 (93%) 0,27-0,31 (0,22%); 0,063 (2%)
257 fm 100,5 zile 680.493 6,52 (99,79%)
209 Po 102 ani 626.472 4.881 (99,74%) 0,4 (0,261%)
227ac _ 21.773 ani 13.427??? 0,046 (98,62%) 4,95 (1,38%)
148 Gd 93 de ani 576.816 3.183 (100%)
106 Ru 371,63 zile 9.864 0,039 (100%)
170 Tm 128,6 zile 153.044 0,97 (~99%) 0,084 (~1%)
194m Ir 171 de zile 317.979 2,3 (100%) 0,15; 0,32; 0,63
241 am 432,5 ani ~610 5,49 (85%); 5,44 (15%)
154 Eu 8,8 ani 1,85 (10%); 0,87 (90%) 0,123; 0,724; 0,876; unu; 1.278

Principalele pericole asociate cu utilizarea surselor de energie radioizotopice sunt [8] :

Măsuri pentru contracararea apariției pericolelor și accidentelor:

Accidente

Iată câteva exemple de incidente în care sursele de energie cu radioizotopi au fost distruse sau ar putea fi distruse, eliberând radionuclizi în mediu sau ducând la expunerea omului.

Producători și furnizori

Note

  1. ↑ 1 2 3 4 Ținând cont de izotopul fiică de scurtă durată ( T 1/2 = 64 ore) al ytriului-90 .
  2. ↑ 1 2 3 Luând în considerare lanțul complet de descompunere a izotopilor fiice cu viață scurtă
  3. ↑ Pentagonul nu avea suficient plutoniu rusesc. America își desfășoară propria producție de centrale nucleare Arhivat 17 aprilie 2021 la Wayback Machine // Lenta.ru
  4. ↑ 1 2 Surse de căldură radioizotopice // Sarov ( copie )
  5. ↑ ANEXA 6. GENERATORE TERMOELECTRICE RADIOIZOTOP // Sarov ( copie )
  6. ↑ [1]  (link indisponibil din 13-01-2014 [3209 zile])
  7. ↑ SUA reia producția de plutoniu 238 Arhivat 14 ianuarie 2014 la Wayback Machine , 28 iunie 2005
  8. ↑ 1 2 RITEGI. Accidents in the Northern Fleet Arhivat 27 februarie 2007 la Wayback Machine // Bellona, ​​​​Rashid Alimov, 17/ 11-2003
  9. ↑ Radioactivitatea în mediul marin - Google Books . Preluat la 16 octombrie 2017. Arhivat din original la 11 septembrie 2020.
  10. ↑ Arthur W. Fihelly, Herbert N. Berkow și Charles F. Baxter. SNAP-19/NIMBUS B INTEGRATION EXPERIENCE Arhivat 16 februarie 2017 la Wayback Machine . NASA, Goddard Space Flight Center, august 1968.
  11. ↑ 1 2 Accidente de obiecte spațiale cu centrale nucleare . Preluat la 17 martie 2013. Arhivat din original la 31 martie 2012.
  12. ↑ Accident de radiații în regiunea Murmansk - hoții au demontat RITEG-uri, iradiate până la moarte. Arhivat pe 17 octombrie 2017 la Wayback Machine din REGNUM. 17 noiembrie 2003.

Literatură

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  În cataloagele bibliografice
 Colonizarea spațiului
Colonizarea
sistemului solar		 Colonizarea spațiului
Terraformarea
Colonizarea în afara
sistemului solar
Așezări spațiale
Resurse și energie