Что такое атомная батарейка. Ядерные батарейки — что это

Тема сегодняшней статьи - радиоизотопные термоэлектрические генераторы , или проще - ядерные батарейки. Те самые штуковины, которые используют на севере в необслуживаемых навигационных маяках, в космических зондах и даже в искусственных сердцах! Вещь распространенная, однако слухов и страхов вокруг нее больше, чем фактов. Рассмотрим подробней, что же на самом деле представляет из себя такая «батарейка» со сроком службы в 10-20 лет.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ, РИТЕГ, англ. - radioisotope thermoelectric generator, RTG) является ядерным электрическим генератором, который конвертирует энергию радиоактивного распада в электрическую энергию. Правда, не на прямую, а опосредованно - сначала энергия распада преобразуется в тепловую, а та, в свою очередь, преобразуется в электрическую при помощи так называемых термопар. Остановимся на этом процессе детальней.

Начнем с термопар . Они представляют из себя соединение двух (как правило - металлических) проводников, разница в температуре которых генерирует слабый электрический ток. Это явление называется эффектом Зеебека . Наиболее распространенная и простая для представления термопара - соединение медного и алюминиевого проводов. Если один конец соединения такой пары нагреть, а другой наоборот - охладить, на холодном проводнике начнут скапливаться электроны, что и приведет к возникновению электрического тока. Чем выше разница в температуре проводников в месте соединения, площадь соединения и толщина самих проводников, тем лучше.

Понятно, что большие сплавы проводников сложно нагревать и охлаждать, они тяжелы и требуют много места, поэтому термопары в электрогенераторах, основанных на этом принципе, выполняют в виде последовательностей большого количества небольших соединений. Такие блоки термопар соединяют между собой для получения необходимых силы тока и напряжения. Хорошим показателем для одной термопары является напряжение порядка 40 микровольт на 1 кельвин температурной разницы.

Из этой мизерной величины, думаю, становится понятно, что КПД такого термоэлектрического генератора будет очень низок. Даже с применением современных дорогих полупроводников в качестве основы термопар на практике он не превышает 3-7% от затраченной тепловой энергии. Поэтому, говорить о какой-то феноменальной мощности РТГ не приходится.

Вернемся к нашим ядерным «батарейкам». Описанные последовательности термопар нагреваются в таком генераторе при помощи тепла, образующегося при распаде радиоактивного материала. Как известно, радиоактивный распад сопровождается выделением тепла. Чем быстрее радиоактивный материал распадается, тем больше при этом выделится тепла. Таким образом, в РТГ радиоактивное топливо, распадаясь, образует радиоактивное излучение, которое конвертируется в тепло. Тепло, в свою очередь, конвертируется в электроэнергию.

Конструктивно это реализовано так: термопары в самом генераторе обращены горячей стороной (проводником, имеющим положительный заряд) вовнутрь, а холодной стороной (проводником, имеющим отрицательный заряд) к оболочке генератора и соединены с радиатором теплоотвода, чтобы обеспечивать максимальную разницу температуры. Все особенности устройства того или иного типа радиоизотопного термоэлектрогенератора сводятся к тому, чтобы увеличить долговечность и повысить КПД устройства.

Отсюда следуют требования к «топливу», тому самому радиоактивному материалу, который будет распадаться и обеспечивать нас «теплом»:

Плутоний 238, раскаленный собственным распадом

1. Период полураспада должен одновременно быть длительным, чтобы обеспечивать батарею теплом, но в то же время таким, чтобы при распад шел достаточно интенсивно и сопровождался выделением большого количества радиоактивного излучения. Здесь приходится выбирать между мощностью батареи и ее «сроком службы». Чем короче период полураспада, тем радиоактивней вещество и выше тепловая энергия, выделяемая при распаде, тем выше «мощность» батареи. И наоборот, чем менее радиоактивно вещество (дольше период полураспада), тем меньше мы получим тепла и тем слабее будет наша батарея, но прослужит дольше. Как правило, выбирают изотопы с периодом полураспада в 80-90 лет со сроком службы в 10-50 лет, однако специализированные мощные батареи могут иметь срок службы и в полгода. Ценой сами знаете чего.

2. Топливо должно производить большее количество тепла на единицу массы и объема. Тонна плутония 239 (используется в ядерном оружии и АЭС) будет таким же радиоактивным, как примерно 3,6 килограмма плутония 238 и производить такое же количество тепла. Тонны урановой руды под поверхностью Земли, к примеру, согревают жизнь бактериям на глубине в несколько километров. Однако, ключевое слово здесь - тонны. Чем радиоактивней топливо, тем меньшая масса нужна для получения нужного эффекта.

3. Радиоактивное излучение, образуемое в результате распада, должно легко преобразовываться в тепло. Оно так же не должно быть проникающим. Нейтронное и гамма-излучение по этим причинам не подходят. Лучше всего подойдет альфа-излучение, так как почти не требует экранирования. Бета-излучение и рентгеновское уже требуют защитную свинцовую оболочку, что ведет к увеличению веса установки. Это не критично для стационарных наземных генераторов, но играет большую роль в случае использования в космических аппаратах, удорожая стоимость их запуска.

В настоящее время, самым распространенным топливом для РТГ является плутоний 238 - он обладает периодом полураспада в 87,7 лет, относительно низкую составляющую гамма и нейтронного излучения, и, в связи с этим, практически не требует защитного экранирования, в большинстве случае достаточно толщины самого корпуса генератора.

В Советском Союзе для питания РТГ удаленных необслуживаемых маяков также широко применялся стронций 90, который имея меньший период полураспада, значительную составляющую гамма-излучения (и, как следствие - меньше получаемого тепла на единицу массы) был дешевле. Экономика должна быть экономной!

В настоящее время ведутся активные исследования по применению в качестве топлива америция 241 , который лучше плутония 238 периодом полураспада - 432 года. Даже не смотря на то, что «энергоемкость» его в 4 раза ниже плутония, а доля нежелательного проникающего излучения выше, перспектива питать устройства столетиями выглядит заманчиво. В любом случае по всем параметрам такого рода топлива это второе лучшее после плутония 238 решение.

Теперь остановимся на сроке службы «генераторов». Как уже можно было догадаться, он зависит от типа выбранного топлива и для плутония 238 составляет -0.87% от исходной мощности за год работы. Однако и здесь не все так просто. Не забываем, что наши термопары тоже имеют свой срок службы и со временем, под воздействием постоянного радиоактивного излучения и высокой температуры деградируют. Быстрее, чем распадается топливо. К примеру, батарея зонда Voyager -1, запущенного в космос в 1977 году, к 2001 году имела 315 Ватт мощности вместо проектных 420 Ватт. Реальное уменьшение мощности за 24 года работы составило 25%.

КПД по преобразованию тепла в электричество, как уже сообщалось, у генераторов, использующих принцип Зеебека, весьма не высок и на практике редко превышает 5%. Так что, серьезным источником РТГ никем никогда не считались, до мощи, ассоциируемой с ядерной энергетикой, им — как часовым батарейкам до дизельных электрогенераторов. Однако, и здесь ведутся работы по улучшению. Правда, от оригинальной конструкции в перспективной разработке NASA осталось только преобразование радиоактивного излучения в тепло.

Речь идет о совмещении теплового двигателя Стирлинга (работающего как раз за счет разницы температур), генератора и, собственно, радиоактивного изотопа. Напомню коротко принцип работы двигателя Стирлинга: рабочее тело (газ) расширяясь и сжимаясь в холодном и горячем цилиндрах (либо в разных частях одного цилиндра) двигает поршень посредством теплового расширения либо теплового сжатия.

Сам газ не покидает двигателя, постоянно циркулируя внутри него. Такие двигатели еще называют двигателями внешнего сгорания (по аналогии с двигателями внутреннего), так как, тепло для нагревания газа необходимо брать извне. КПД и мощность двигателя Стирлинга зависит от все той же разницы температур холодного и горячего отсеков (силы сжатия и расширения газа). А теперь представим себе безграничные возможности для охлаждения в космосе и постоянный источник тепла в виде теплового стержня радиоизотопного топлива. По расчетам специалистов NASA, такой генератор будет иметь КПД в 20% — 25%, что уже намного лучше 3%-5% для РТГ.

И, напоследок, поговорим о самом животрепещущем вопросе - радиационной безопасности наших ядерных батареек. Пожалуй, самой знаменитой является фотография «занедбаних та спаплюжених» советских «маячных» генераторов на стронции 90, валяющихся на какой-то прибрежной свалке. Смотрите мол, вот к чему это все ведет, разобранные вандалами на металлолом, источники радиационного загрязнения окружающей среды валяются тут и там, излучая излучение, отравляя радиоактивной отравой все живое и как бы призывая террористов сделать из них «грязную бомбу ». На заднем плане не хватает гигантских крыс-мутантов.

В реальности все немного не так. Документированных случаев акта вандализма по отношению к отслужившим свое генераторам зафиксировано не было. Правда, в основном потому, что эти генераторы, якобы, особо не документировались. Вы верите в то, что в СССР могли без учета разбрасывать ядерные технологии? Я — нет. В интернете так же есть информация о каких-то грузинских пастухах, проспавших возле заброшенного РТГ холодной ночью, чтобы согреться. Их потом доставили в больницу с радиационными ожогами, а РТГ забрали. Кто, когда, куда, где? Ничего.

Страшные истории про радиоизотопные генераторы на этом заканчиваются, дальше идет вполне себе положительная и хорошо документированная статистика. Из 33 американских миссий с использованием плутониевых РТГ, 5 окончились аварией при запуске, либо вхождении в атмосферу . При этом, из 5 аварий только одна привела к повреждению контейнера с топливом РТГ при его сгорании в атмосфере, что привело появлению следов плутония 238 в атмосфере над Мадагаскаром через несколько месяцев после аварии. Судя по тому, что массового радиационного отравления не произошло и даже снят мультфильм, последствий этот выброс не возымел.

Советские спутники с РТГ на борту проблем не имели вообще никогда. Страшилки про падающие в океан военные и метеорологические зонды, доверху наполненные радиоактивной радиацией касаются аппаратов , оснащенных полноценными бортовыми ядерными реакторами, которые изначально проектировались так, чтобы упасть, а радиоактивная часть - сгореть в атмосфере.

Также успокою тех, кто боится, что с помощью топлива РТГ террористы смогу сделать атомную бомбу. Ни со стронцием 90 из советских РТГ ни с плутонием 238 из американских ядерной бомбы не получится . Эти изотопы слишком нестабильны, чтобы достичь критической массы и в дальнейшем поддерживать цепную реакцию деления ядер. Более того, добавление подобного изотопа в компоненты нормальной ядерной бомбы приведет к уменьшению силы взрыва , так, как своей высокой активностью этот компонент вызовет преждевременное начало ядерной реакции до того, как будут достигнуты оптимальные условия критической массы заряда.

Что касается грязной бомбы,

то и здесь для террористов все плохо. Топливо в том виде, в котором его можно снять с РТГ, во-первых, слишком горячее (рабочая температура тепловой головки 500-600 градусов Цельсия), во-вторых, таки да, радиоактивная, излучение действительно может быть очень вредным, на столько, что приготовить из этого всего рабочую бомбу можно не успеть. Ну и в-третьих, живет недолго по сравнению с радиоактивными отходами АЭС, достать которые значительно проще. В итоге, делать бомбу из постоянно очень горячих, опасных для самого подрывника элементов, по радиационному воздействию на единицу веса сравнимых с урановой рудой, не очень выгодно. Разве что, моральный эффект от использования плутония (ужос!ужос!) в бомбе выгодно отличал бы новостные заголовки от расплывчатого «радиоактивные отходы».

Подводя итоги, хочу сказать, что данный вид получения электроэнергии безусловно интересен, прежде всего, своей автономностью. Например, в США известны случаи, когда в пепле кремированных граждан находили рабочие радиоизотопные термоэлектрогенераторы, которые забыли удалить при подготовке к похоронам. Даже в таких малых корпусах, достаточных для работы кардиостимуляторов, генераторы сохраняли работоспособность, пережив кремацию носителя. Оба Вояджера своей длительной работой также обязаны установленным на них РТГ, как и энергетические установки американской лунной программы Apollo. Прогнозы погоды от Гидрометцентра России мы тоже получаем, в том числе, благодаря ядерным батарейкам. И даже камчатских крабов едим при их опосредованном участии. Так что, не пугайтесь, если услышите в новостях страшное «спутник с радиоизотопным генератором».

p align=»center»>Чадящий дизелем КамАз на ближайшей стройке гораздо вредней.

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.