Radioizotopové zdroje energie

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 23. února 2021; kontroly vyžadují 4 úpravy .

Radioizotopové zdroje energie  jsou zařízení různých konstrukcí, která využívají energii uvolněnou při radioaktivním rozpadu k ohřevu chladicí kapaliny nebo k její přeměně na elektřinu .

Zdroj radioizotopové energie se zásadně liší od jaderného reaktoru v tom, že nepoužívá řízenou jadernou řetězovou reakci , ale energii přirozeného rozpadu radioaktivních izotopů .

Druhy a typy generátorů a prvků

Radioizotopové zdroje energie se dělí na:

Použité izotopy (palivo) a požadavky na ně

Zdrojem tepla nebo paliva pro zdroje radioizotopového proudu jsou spíše krátkodobé radioaktivní izotopy různých chemických prvků. Hlavní požadavky na izotopy a tedy i na zdroje tepla sloučenin a slitin z nich vyrobených jsou: dostatečně dlouhý poločas rozpadu , bezpečnost při manipulaci a provozu (nejlépe absence pronikajícího záření: tvrdé gama záření a neutrony ), vysoká teplota tání bod slitin a sloučenin, velké uvolňování specifické energie a pro izotopy schopné štěpení je také možné velké kritické množství . Velmi důležité místo při volbě pracovního izotopu hraje vytvoření dceřiného izotopu schopného významného uvolňování tepla, protože řetězec jaderné transformace během rozpadu se prodlužuje a v souladu s tím se zvyšuje celková energie, kterou lze použít. Nejlepším příkladem izotopu s dlouhým rozpadovým řetězcem a uvolněním energie o řád větší než většina ostatních izotopů je uran-232 . Jeho nevýhodou je, že thalium-208 , které je součástí jeho radioaktivní řady, vyzařuje velmi tvrdé gama záření ( 2,614 MeV ), které je obtížné odstínit. Je známo více než 3000 radioizotopů, ale jen několik z nich je vhodných pro roli zdrojů tepla v generátorech radioizotopů. Izotopy, které se dnes nejčastěji používají pro radioizotopové zdroje energie[ kdy? ] čas jsou uvedeny v následující tabulce:

Praktické radioizotopové zdroje tepla
Izotop Získání (zdroj) Měrný výkon pro čistý izotop, W/g Objemový výkon, W/cm³ Hustota paliva, g/cm³ Bod tání paliva, °C Množství paliva, Curie / W T 1/2 Integrovaná izotopová rozpadová energie, kWh/g Pracovní forma izotopu
60 Co Ozařování v reaktoru 2.9 ~26 8.9 ~1480 ~390 5,271 let 193,2 Kov, slitina
238 Pu ozařování neptunia-237 v reaktoru 0,568 5.9 11.5 2400 30.3 87,7 let 608,7 PuO 2
90 Sr _ štěpné fragmenty ~2,3 [1] ~9,2 (SrO)
~5,7 ( SrTi03 ) 		4,7 (SrO)
5,1 ( SrTi03 ) 		2430 (SrO)
2080 ( SrTi03 ) 		~60 28,8 let ~840 [1] SrO , SrTiO 3
144 Ce štěpné fragmenty 2.6 ~16 7.6 2400 128 285 dní 57,439 CeO 2
242 cm_ atomový reaktor 121 1169 11,75 ~2270 27.2 162 dní 677,8 Cm203 _ _ _
147 hodin štěpné fragmenty 0,37 1.1 6.6 2300 2700 2,64 roku 12,34 Pm 2 O 3
137Cs _ štěpné fragmenty 0,27 ~0,86 čtyři 645 320 33 let 230,24 CsCl
210 po _ ozařování bismutu v reaktoru 142 1320 9.4 600 ( PbPo ) 31.2 138 dní 677,59 slitiny s Pb , Y , Au
244 cm_ atomový reaktor 2.8 33,25 11,75 ~2270 29.2 18,1 let 640,6 Cm203 _ _ _
232 U ozařování thoria v reaktoru 8 097 [2] ~77,9 10,95 ( UO2 ) 2850 68,9 let 4887,103 [2] UO 2 , UC , OSN .
106 Ru štěpné fragmenty 29.8 369,818 12.41 2250 ~371,63 dnů 9,854 kov, slitina

Je třeba poznamenat, že výběr izotopového zdroje tepla je primárně určen rozsahem úkolů, které zdroj energie vykonává, a dobou potřebnou k dokončení těchto úkolů. Obrovskou nevýhodou radioizotopů je fakt, že jejich uvolňování energie nelze řídit (zastavit či urychlit), lze pouze odříznout tepelný tok z konvertorů.

Kromě uranu-232 izotopy těžkých transuranových prvků , především plutonium-238 , curium-242 , curium-244 , a další izotopy transuranových prvků, jako je californium-248 , californium-249 , californium- 250californium - 250steinium-250244 , fermium-257 , stejně jako řada lehčích izotopů, jako je polonium-208 , polonium-209 , aktinium-227 .

Různé jaderné izomery a domnělé nové supertěžké prvky jsou také teoretického zájmu .

Ekonomická charakteristika nejdůležitějších generátorových izotopů

Údaje o nákladech a výrobě klíčových radioizotopů
Izotop Výroba v roce 1968, kW(th)/rok Výroba v roce 1980, kW(th)/rok Cena v roce 1959, USD/W Náklady v roce 1968, USD/W Náklady v roce 1980, USD/W Ceny v roce 1975 (Oak Ridge), USD/gram
60 Co žádná data 1000 žádná data 26 deset 106
238 Pu 17 400 žádná data 1600 540 242
90 Sr _ 67 850 170 třicet dvacet dvacet
144 Ce 800 10 000 39 19 2 padesáti
242 cm_ 17 252
147 hodin 5.5 40 710 558 220 75
137Cs _ 48 850 95 26 24 deset
210 po _ čtrnáct žádná data žádná data 780 dvacet 1010
244 cm_ 29 64 612
232 U
Výtěžek generátorových izotopů produkovaných v jaderných reaktorech
Izotop Látka a hmotnost cíle Délka ozařování Hustota toku neutronů (cm −2 s −1 ) Výtěžek izotopu v gramech Nepoužitá část terče
60 Co kobalt-59 (100 g) 1 rok 2⋅10 13 1,6 g
238 Pu Neptunium-237 (100 g) 3 roky 2⋅10 13 20 g
210 po _ Bismut-209 (1 tuna) 1 rok 2⋅10 13 4 g
242 cm_ Americium-241 (100 g) 1 rok 2⋅10 13 6 g
232 U 2⋅10 13

S rozvojem a růstem jaderné energetiky rychle klesají ceny nejdůležitějších generátorových izotopů a rychle se zvyšuje produkce izotopů, což předurčuje expanzi radioizotopové energie. Zároveň se mírně snižují náklady na izotopy získané ozařováním (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242 atd.), a proto se v mnoha zemích s rozvinutým radioizotopovým průmyslem používají způsoby hledá se racionálnější schémata ozařování cíle, důkladnější zpracování ozářeného paliva. Naděje na rozšíření výroby syntetických izotopů jsou do značné míry spojeny s růstem sektoru rychlých neutronových reaktorů a možným výskytem termonukleárních reaktorů. Zejména jsou to právě reaktory s rychlými neutrony využívající značné množství thoria , které umožňují doufat v produkci velkého komerčního množství uranu-232. Specialisté připisují zvýšení objemu produkce izotopů především zvýšení měrného výkonu reaktorů, snížení úniku neutronů, zvýšení fluence neutronů , zkrácení doby ozařování cíle a rozvoji kontinuálních cyklů pro separaci cenných izotopů [3 ] .

S využitím izotopů je do značné míry vyřešen problém likvidace vyhořelého jaderného paliva a radioaktivní odpady z nebezpečných odpadů se přeměňují nejen na doplňkový zdroj energie, ale i na zdroj významných příjmů. Téměř úplné přepracování ozářeného paliva je schopno přinést peníze srovnatelné s cenou energie generované při štěpení uranu, plutonia a dalších prvků.

Celková kapacita štěpných produktů produkovaných jadernými elektrárnami
Rok Instalovaná elektrická kapacita za rok, MW Celkový výkon, MW Celkový výkon reaktoru, MW Celkový výkon β a γ izotopového záření, 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

Aplikace

Radioizotopové zdroje energie se používají tam, kde je potřeba zajistit autonomii provozu zařízení, výraznou spolehlivost, nízkou hmotnost a rozměry. V současnosti[ kdy? ] času, hlavními oblastmi použití jsou vesmír (satelity, meziplanetární stanice atd.), hlubinná vozidla, odlehlá území (daleký sever, otevřené moře, Antarktida). Například studium „hlubokého vesmíru“ bez radioizotopových generátorů je nemožné, protože ve značné vzdálenosti od Slunce je úroveň sluneční energie, kterou lze využít pomocí fotobuněk, mizející malá. Například na oběžné dráze Saturnu odpovídá osvětlení Sluncem v zenitu pozemskému soumraku. Navíc ve značné vzdálenosti od Země je k přenosu rádiových signálů z vesmírné sondy zapotřebí velmi vysoký výkon. Jediným možným zdrojem energie pro kosmickou loď za takových podmínek je tedy vedle jaderného reaktoru právě radioizotopový generátor.

Stávající aplikace:

Slibné oblasti použití:

Konstrukce

Při navrhování radioizotopových zdrojů energie se inženýři řídí nejvyššími možnými vlastnostmi materiálů a podle toho nejlepším konečným výsledkem. Při tvorbě návrhu je přitom třeba brát v úvahu i ekonomické faktory a sekundární nebezpečí. Takže například při použití pracovních izotopů emitujících alfa s vysokým uvolňováním specifické energie je často nutné pracovní izotop zředit, aby se snížilo uvolňování tepla. Jako ředidla se používají různé kovy, v případě použití izotopu ve formě oxidu nebo jiné sloučeniny se ředění provádí vhodným inertním oxidem apod. Sekundární reakce částic emitovaných pracovním radioizotopem s ředícím materiálem by měly být vzaty v úvahu; takže ačkoli berylium nebo jeho žáruvzdorné sloučeniny (oxid, karbid, borid) jsou vhodné jako ředidlo pro beta-aktivní izotopy (kvůli vysoké tepelné vodivosti, nízké hustotě, vysoké tepelné kapacitě), ale v kontaktu s alfa-aktivním izotopem díky k účinnosti (α, n ) -reakcí na lehkých jádrech se zdroj tepla změní na velmi nebezpečný zdroj neutronů , což je z bezpečnostních důvodů zcela nepřijatelné.

Při navrhování ochranných plášťů před gama zářením jsou nejpreferovanější materiály především olovo (kvůli jeho levnosti) a ochuzený uran (kvůli jeho mnohem lepší schopnosti absorbovat gama záření).

Při vytváření prvků emitujících polonium hraje důležitou roli při ředění skutečnost, že polonium , stejně jako telur , je velmi těkavé a je zapotřebí vytvoření silné chemické sloučeniny s jakýmkoli prvkem. Jako takové prvky jsou výhodné olovo a yttrium, protože tvoří žáruvzdorné a silné polonidy. Zlato také tvoří vysoce technologický polonid . Ekonomicky efektivní je využití ochuzeného uranu k ochraně před gama zářením (účinnost absorpce gama kvant uranem je 1,9x větší než olovem) z důvodu nutnosti asimilovat velké akumulované zásoby ochuzeného uranu v technologii.

Konstrukční a pomocné materiály pro výrobu RIE

Při výrobě radioizotopových zdrojů energie se používají různé konstrukční a pomocné materiály , které mají specifické fyzikálně-chemické, mechanické a jaderně-fyzikální vlastnosti, které umožňují zvýšit účinnost zařízení a zajistit vysokou úroveň bezpečnosti při běžném provozu. a za mimořádných podmínek.

Regulace provozních režimů

Regulace provozu radioizotopových zdrojů energie přináší určitá úskalí z toho důvodu, že samotný zdroj (radioizotop) má pevně dané parametry uvolňování tepla, které moderní technika není schopna ovlivnit (urychlit nebo zpomalit). Zároveň lze upravovat parametry vyráběné elektřiny (a také tlak pracovních plynů či kapalin). V současnosti[ kdy? ] času jsou všechny způsoby regulace zdrojů radioizotopové energie redukovány na následující:

Historie radioizotopových generátorů a baterií

Historicky první radioizotopový zdroj elektrické energie (Beta Cell) vytvořil a představil britský fyzik G. Moseley v roce 1913 . Jednalo se (podle moderní klasifikace) o atomový prvek - skleněnou kouli, zevnitř postříbřenou, v jejímž středu byl na izolované elektrodě umístěn radiový zdroj ionizujícího záření. Elektrony emitované beta rozpadem vytvořily potenciálový rozdíl mezi stříbrnou vrstvou skleněné koule a radiovou solnou elektrodou.

První praktické radioizotopové generátory se objevily v polovině 20. století v SSSR a USA , v souvislosti s průzkumem vesmíru a objevením se dostatečně velkého množství štěpných úlomků jaderného paliva (z jehož množství je potřeba izotopy se získávají metodami radiochemického zpracování).

Jedním z vážných důvodů pro využití radioizotopových zdrojů energie je řada výhod oproti jiným zdrojům energie (praktická bezúdržbovost, kompaktnost atd.) a rozhodujícím důvodem byla obrovská energetická náročnost izotopů. V praxi je z hlediska hmotnostní a objemové energetické náročnosti rozpad použitých izotopů na druhém místě po štěpení uranu , plutonia a dalších jader 4–50krát a předčí chemické zdroje ( akumulátory , palivové články atd.). ) desetitisíckrát a statisíckrát.

Práce v USA

V roce 1956 vznikl ve Spojených státech program nazvaný SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power – pomocné jaderné elektrárny) . Program byl navržen tak, aby vyhovoval potřebě spolehlivého zdroje napájení mimo síť, který lze používat na vzdálených místech po značnou dobu bez jakékoli údržby. Úspěchem tohoto programu bylo objevení se takových zdrojů na družicích Transit (SNAP-11), Americké antarktické stanici a Arctic Weather Bureau (SNAP-7-D, SNAP-7-E, SNAP-10-A) . Generátory SNAP-1A, SNAP-2, SNAP-3, SNAP-3A1 (1969), SNAP-8, NAP-100 (1959), SNAP-50 byly vytvořeny pomocí Rankinova parortuťového cyklu ( turbogenerátor ).

Americké generátory radioizotopů: 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, Stirlingův generátor radioizotopů (SRG) atd.

V současnosti[ kdy? ] čas ve Spojených státech, oddělení radioizotopových energetických systémů bylo vytvořeno na americkém ministerstvu energetiky, a tak radioizotopová energie vynikla a stala se nezávislým polem energie.

Působí v SSSR a Rusku

Na sovětských kosmických lodích " Cosmos-84 ", " Cosmos-90 " (1965) byly použity radioizotopové generátory "Orion-1" a "11K" na bázi polonia-210 . Stejný izotop (ve složení polonid yttria ) byl základem radioizotopových zdrojů tepla B3-P70-4 s počátečním tepelným výkonem 150-170 W na aparaturách Lunokhod-1 (1970) a Lunokhod-2 (1973) . [4] .

Ruské generátory radioizotopů:

Ostatní země

Anglické generátory radioizotopů:

Způsoby rozvoje a zvyšování efektivity

Radioizotopy získané průmyslem jsou poměrně drahé; kromě toho se některé z nich stále vyrábějí ve velmi malých množstvích kvůli potížím při získávání, oddělování a hromadění. Především to platí pro nejdůležitější izotopy: plutonium-238, curium-242 a uran-232, jako nejslibnější, technologicky vyspělé a splňující hlavní soubor úkolů uložených radioizotopovým zdrojům energie. V tomto ohledu ve velkých zemích s rozvinutou jadernou energetikou a komplexy na zpracování ozářeného paliva existují programy pro akumulaci a separaci plutonia [6] a Kalifornie, stejně jako zařízení a skupiny specialistů pracující v těchto programech [7 ] .

Zlepšení účinnosti radioizotopových generátorů jde třemi směry:

Prvky bezpečnosti práce, ochrany zdraví a životního prostředí. Likvidace generátorů

Radioaktivní materiály používané v radioizotopových zdrojích energie jsou vysoce nebezpečné látky, když se uvolní do životního prostředí člověka. Mají dva škodlivé faktory: uvolňování tepla, které může vést k popáleninám, a radioaktivní záření. Níže je uvedena řada v praxi používaných i nadějných izotopů, přičemž spolu s poločasem rozpadu jsou uvedeny jejich typy záření, energie a měrná energetická náročnost.

Energie záření a poločas rozpadu aplikovaných a budoucích radioizotopových zdrojů tepla:
Izotop Poločas T 1/2 Integrovaná izotopová rozpadová energie, kWh/g Průměrná energie β -částic, MeV Energie α -částic, MeV Energie γ -kvant, MeV
60Co _ 5,27 let 193,2 0,31 (99,9 %); 1,48 (0,1 %) 1,17 + 1,33
238 Pu 87,74 let 608,7 5,5 (71 %); 5,46 (29 %)
90 Sr _ 28,8 let ~840 [1] 0,546 + 2,28 [1]
144 Ce 284,9 dnů 57,439 0,31
242 cm_ 162,8 dne 677,8 6,11 (74 %); 6,07 (26 %)
147 hodin 2,6234 let 12,34 0,224
137Cs _ 30,17 let 230,24 0,512 (94,6 %); 1,174 (5,4 %) 0,662 (80 %)
210 po _ 138,376 dnů 677,59 5,305 (100 %)
244 cm_ 18,1 let 640,6 5,8 (77 %); 5,76 (23 %)
208 po _ 2 898 let 659,561 5,115 (99 %)
232 U ~68,9 let 4887,103 [2] 5,32 (69 %); 5,26 (31 %)
248 srov 333,5 dne 6,27 (82 %); 6,22 (18 %)
250 srov 13,08 let 6,03 (85 %); 5,99 (15 %)
254 Es 275,7 dnů 678,933 6,43 (93 %) 0,27-0,31 (0,22 %); 0,063 (2 %)
257 fm 100,5 dne 680,493 6,52 (99,79 %)
209 Po 102 let 626,472 4 881 (99,74 %) 0,4 (0,261 %)
227ac _ 21 773 let 13 427??? 0,046 (98,62 %) 4,95 (1,38 %)
148 Gd 93 let 576,816 3,183 (100 %)
106 Ru 371,63 dnů 9,864 0,039 (100 %)
170 Tm 128,6 dnů 153,044 0,97 (~99 %) 0,084 (~1 %)
194 m Ir 171 dní 317,979 2,3 (100 %) 0,15; 0,32; 0,63
241 ráno 432,5 let ~610 5,49 (85 %); 5,44 (15 %)
154 Eu 8,8 roku 1,85 (10 %); 0,87 (90 %) 0,123; 0,724; 0,876; jeden; 1,278

Hlavní rizika spojená s používáním radioizotopových zdrojů energie jsou [8] :

Opatření proti výskytu nebezpečí a nehod:

Nehody

Zde je několik příkladů incidentů, při kterých byly nebo by mohly být zničeny zdroje radioizotopové energie, přičemž se uvolnily radionuklidy do životního prostředí nebo vedly k ozáření člověka.

Výrobci a dodavatelé

Poznámky

  1. ↑ 1 2 3 4 Vezmeme-li v úvahu krátkodobý ( T 1/2 = 64 hodin) dceřiný izotop yttria-90 .
  2. ↑ 1 2 3 Vezmeme-li v úvahu kompletní řetězec rozpadu dceřiných izotopů s krátkou životností
  3. ↑ Pentagon neměl dostatek ruského plutonia. Amerika nasazuje vlastní výrobu jaderných elektráren Archivováno 17. dubna 2021 na Wayback Machine // Lenta.ru
  4. ↑ 1 2 Radioizotopové zdroje tepla // Sarov ( kopie )
  5. ↑ PŘÍLOHA 6. RADIOIZOTOPOVÉ TERMOELEKTRICKÉ GENERÁTORY // Sarov ( kopie )
  6. ↑ [1]  (odkaz nedostupný od 13-01-2014 [3209 dní])
  7. ↑ USA obnovují produkci plutonia 238 Archivováno 14. ledna 2014 na Wayback Machine , 28. června 2005
  8. ↑ 1 2 RITEGI. Nehody v Severní flotile archivovány 27. února 2007 na Wayback Machine // Bellona, ​​​​Rashid Alimov, 17/ 11-2003
  9. ↑ Radioaktivita v mořském prostředí - Google Books . Získáno 16. října 2017. Archivováno z originálu 11. září 2020.
  10. ↑ Arthur W. Fihelly, Herbert N. Berkow a Charles F. Baxter. ZKUŠENOSTI S INTEGRACÍ SNAP-19/NIMBUS B Archivováno 16. února 2017 na Wayback Machine . NASA, Goddard Space Flight Center, srpen 1968.
  11. ↑ 1 2 Havárie vesmírných těles s jadernými elektrárnami . Získáno 17. března 2013. Archivováno z originálu dne 31. března 2012.
  12. ↑ Radiační havárie v Murmanské oblasti – zloději rozebrali RITEGy, ozářené k smrti. Archivováno 17. října 2017 na Wayback Machine společnosti REGNUM. 17. listopadu 2003.

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  V bibliografických katalozích
 Kolonizace vesmíru
Kolonizace
sluneční soustavy		 Kolonizace vesmíru
Teraformování
Kolonizace mimo
sluneční soustavu
Vesmírné osady
Zdroje a energie