Изотопная энергетика

В радиоактивном распаде ядер испускаются заряженные частицы и g-кванты. Торможение заряженных частиц и поглощение g-квантов в веществе сопровождаются выделением тепла. Радиоактивные вещества, служащие источниками тепла, называют радиоизотопным топливом. Его используют в радиоизотопных ТЭГ.

Главными частями генератора являются радиоизотопный блок (ампула с радиоизотопным топливом), термобатарея, теплоизоляция, конструкционные связи и холодильник. На поверхности радиоизотопного блока расположены термобатарея и конструкционные связи, остальная поверхность радиоизотопного блока покрыта теплоизоляцией.

Поток тепла с поверхности радиоизотопного блока падает на термобатарею, в которой часть его расходуется на получение электроэнергии. Часть тепла передается через конструкционные связи к холодильнику с оребренной внешней поверхностью и сбрасывается в окружающее пространство.

Радиоизотопное топливо – это металл или химическое соединение с высокой удельной мощностью (энергия, выделяющаяся в единице массы или единице объема за 1 с), высокой теплопроводностью и минимальной температурой плавления (500 °С). К радиоизотопному топливу и конструкционным материалам предъявляются строгие требования. Они связаны как с уменьшением габарита и массы генератора, так и с радиационной безопасностью после аварийных ситуаций, при транспортировке и во время эксплуатации генератора.

Радиоактивный металл не всегда приемлем как топливо вследствие своей токсичности, химической активности с воздухом, водой и с материалами ампулы, низкой температуры плавления. Чаще используют химические соединения металлов, например, титанат стронция SrTiO₃, молибденат церия Ce₂(MoO₄)₃.

Термобатарея представляет собой ряд термопар, спаянных последовательно. Спай термопар, на который падает тепловой поток из радиоизотопного блока, называют горячим, второй спай термопар – холодным. Термопара состоит из двух полупроводниковых ветвей. Одну ветвь изготавливают из полупроводника с электронной проводимостью (n-полупроводника), другую – из полупроводника с дырочной проводимостью (p-полупроводника).

В термобатарее расходуется тепло на образование свободных электронов (n-полупроводник) и положительных ионов (p-полупроводник), причем количество зарядов увеличивается при повышении температуры. Так как температура горячего спая больше температуры холодного спая, то распределение зарядов по ветвям неравномерно и в термобатарее возникает электродвижущая сила. Наиболее приемлемы для изготовления термопар твердые растворы Bi₂Te₃–SbTe₃ и Bi₂Te₃–Bi₂Se₃ (рабочий интервал температур 200 - 600 К), сплавы Pb–Te (600 – 1000 К) и Si–Ge (900 – 1300 К).

Главные характеристики генератора – электрическая мощность Р_э, срок службы t_г, выходное напряжение U и коэффициент полезного действия h. Мощность Р_э(t) изменяется пропорционально активности радиоизотопного топлива. Срок службы t_г у различных генераторов имеет пределы от 0,2Т_1/2 до Т_1/2. Период полураспада Т_1/2 обычно составляет от 100 дней до 100 лет.

Напряжение пропорционально температурному перепаду Dt = t₁ – t₂ и количеству термопар в термобатарее. Коэффициент полезного действия зависит от температурного перепада температуры горячего спая и свойств полупроводниковых ветвей. Электрическая мощность действующих генераторов серии «Бета», «Эфир», «Пингвин» (РФ), SNAP-7 (США) и других достигает 100 Вт, напряжение на клеммах генераторов – 4 - 12 В, а значение h не превышает 10 %.

В ноябре 1969 г. во время своего пребывания на Луне экспедиция «Аполлон-12» оставила там комплекс научной аппаратуры для измерения магнитных полей, пыли, солнечного ветра, ионных потоков и сейсмической активности. Комплекс питался электроэнергией от источника мощностью 74 Вт, работавшего на изотопе Ри-239. При этом требовалась тепловая мощность 1480 Вт, соответствующая активности 500 Ки. Для этого требовалось около 2,6 кг Ри-239.

На рисунке 9.6. схематически показано устройство изотопного генератора электроэнергии. Между стержнем из двуокиси плутония и оболочкой из берилия расположено 442 свинцово-теллуровых термоэлемнта, соединеных так, что генерируется мощность 74 Вт при напряжении 16В, К.П.Д. составляет около 5 %. Рабочая температура изотопного соединения – 732⁰С. Термоэлементы работают между температурами 593 и 274^оС. Масса генератора равна 20,2 кг. Масса аккумуляторных батарей, обеспечивающих ту же мощность, составила бы 1812 кг. Источник обеспечивал выработку электроэнергии при колебаниях температур на Луне от–138 до+120 ^ОС. В полете изотоп транспортировался в специально контейнере, рассчитанном на сильный удар и перегрев. Такие меры были необходимы на случай, если экспедиция была бы прервана и вся аппаратура возвращалась бы на Землю. Подобный изотопный генератор мог быть использован для снабжения электроэнергией бортовой аппаратуры автоматической межпланетной станции в полетах на Юпитер и Марс. Срок его действия мог быть около двух лет.

Рис. 9.6. Изотопный генератор электроэнергии (SNAP-27, применявшийся в экспедиции «Аполлон-12»): 1 – стержень-капсула с радиоизотопом; 2 – внешняя оболочка; 3 – теплоотводящие ребра; 4 – термопары

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы служат источниками питания автоматических радиометеорологических станций, светорадиомаяков, бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли и т. д. Малогабаритные генераторы находят применение в медицине, например, для питания стимуляторов сердца.