Радиоизотопные источники энергии

Ядерные процессы уже давно используются для производства тепла и потребление энергии для нужд человека. В большинстве из этих случаев как методы генерации, так и возможные применения часто связаны с крупномасштабными структурными электростанциями и распределением вырабатываемой энергии. Однако в действительности существуют гораздо менее масштабные ситуации, связанные с производством энергии с использованием ядерных процессов. Одним из таких примеров являются радиоизотопные источники энергии.

Радиоизотопные источники энергии   преобразуют отработанное тепло, выделяемое процессами радиоактивного распада в пригодную для использования электроэнергию и часто устанавливаются в космических объектах, требующих ресурсов и других удаленных машинах, которые не могут эффективно получать энергию любыми другими способами.

К ним относятся спутники, зонды, удаленные маяки.ядерный источник

В идеале радиоизотопные источники энергии   устанавливаются в системах при следующих обстоятельствах:

  1. Сложно постоянно поддерживать и обслуживать.
  2. Не способны эффективно накапливать альтернативную солнечную энергию.
  3. Потребность работать без людской помощи при длительной продолжительности времени.
  4. Минимальное взаимодействие с человеком.

Исходя из этих обстоятельств, главным использованием радиоизотопных источников энергии   в полностью автоматизированных системах, которые не нуждаются в человеческих контактах дольше, чем другие источники энергии, такие как батареи и топливные элементы. Также важны обстоятельства, которые не способствуют получению энергии естественным путем (солнечная, ветровая и т. д.).

Структура и принцип работы

Типичный радиоизотопный источник энергии состоит из: топливо которое распадется радиоактивно и большой набор термопар для того, чтобы преобразовать тепло в электричество.

Выбор топлива, безусловно, не является тривиальным вопросом. Существует несколько критериев, которые изотопы должны пройти, чтобы стать кандидатами. На самом деле, первоначальные исследования оценили более 1300 радиоактивных изотопов, но обнаружено, что только 47 из них имели подходящие характеристики.

Эти характеристики включают:

  1. Способность произвести радиацию высокой энергии.
  2. Тенденция произвести тепло.
  3. Обладание длительным периодом полураспада для непрерывного производства энергии.
  4. Большой коэффициент энергия/масса.

Требования к изотопу

Первый фактор достаточно очевиден и просто констатирует тот факт, что любой изотоп, выбранный в качестве топлива, должен быть способен выделять достаточно энергии в процессе своего распада, чтобы служить практичным и достаточно плодотворным источником для термоэлектрического преобразования. Эта характеристика сама по себе не исключает многих изотопов, но следующая черта способности производить тепло при распаде является более строгим ориентиром.

Тепло, связанное с большинством радиоактивных распадов, возникает в результате поглощения продуктов распада в различные материалы и вызывает тепловое движение атомов. Для компактного прибора эффективное выделение тепла должно произойти на относительно коротком маcштабе длины, в пределах стенок прибора. При рассмотрении различных типов радиоактивного распада (альфа, бета, гамма), порядок длин поглощения излучения от самого короткого до самого длинного — альфа, бета, а затем гамма. Это значит что большинство тепла будет произведена альфа частицами. Поэтому при выборе подходящего топлива лучше всего сначала найти изотопы, которые распадаются с альфа излучением. Следует, однако, отметить, что изотопы, дающие бета и гамма излучение, также могут быть жизнеспособными кандидатами, если соответствующие материалы используются для поглощения и преобразования в тепло для этих типов излучения.

длительный период полураспада Далее, следующий критерий выбора топлива — длительный период полураспада. Учитывая, что большинство радиоизотопных источников энергии в конечном итоге окажутся в изолированных средах с очень небольшим присутствием человека и, следовательно, шансами на повторное топливо. Поэтому потребность в изотопе, который может непрерывно производить энергию в течение длительных периодов времени, довольно очевидна. Конечно, точные требования к периоду полураспада изотопов будут варьироваться в зависимости от ситуации, но, как правило, желательны более длительные периоды полураспада, приводящие к устойчивым уровням производства энергии. Окончательный параметр для выбора приемлемого изотопа зависит от размера. Для создания компактного радиоизотопного источника энергии   каждый элемент должен быть достаточно мал, включая топливо. Даже если тот или иной изотоп проходит все вышеперечисленные критерии выбора топлива, если для получения необходимой энергии требуется чрезмерное количество вещества, он будет менее привлекательным. Для радиоизотопных источников энергии, которые окажутся в небольших внеземных транспортных средствах / приложениях, вес и эффективность в конечном итоге будут самыми важными факторами.

Исходя из всех вышеперечисленных факторов, к наиболее часто используемым изотопам для радиоизотопных источников энергии   относятся плутоний-238 (PU-238), стронций-90 (SR-90), и Кюрий-244 (244) с PU-238.

Pu-238 удовлетворяет всем вышеуказанным требованиям к топливу с высоким выходом энергии, очень длинным полувыведением 88 лет, и небольшими размерами. Другие изотопы могут также служить в качестве топлива, но страдают от различных недостатков по сравнению с Pu-238, включая более высокие требования к защите из-за распада не альфа-излучения, более короткими периодами полураспада и, как правило, меньшим выходом энергии.

Термопара

С учетом критериев топлива радиоизотопных источников энергии необходимо обсудить другой важный компонент — термопары. Термопары преобразовывают тепло в полезное электричество.

Термопары особенно не сложны и полагаются на один простой принцип, называемый эффектом Зеебека, впервые обнаруженный Томасом Зеебеком в 1821 году, который отмечает, что разница в температуре между двумя концами приведет к электрическому напряжению и наоборот.

Таким образом, если прибор можно построить для того чтобы достигнуть сильного температурного градиента в электрически проводном элементе, то разницу тока можно навести вместе с полезным электричеством. Это обычно требует использования материалов с низкой теплопроводностью, что позволит осуществлению большой разницы температуры между двумя концами.

В настоящее время термопары, используемые в радиоизотопных источниках энергии   содержат высокоэффективные термоэлектрические материалы, такие как теллурид висмута (укус), теллурид свинца (PbTe), теллуриды, содержащие сурьму, германий и серебро (теги), а также германий кремний (SiGe). Эти материалы поглощают тепло, генерируемое изотопным топливом радиоизотопного источника энергии, создают резкий температурный градиент из-за их низкой теплопроводности, а затем производят электрические токи, которые выводятся на элементы, которые должны быть приведены в действие.

Приложения

изотопный источник Простая конструкция радиоизотопных источников энергии   приводит к их использованию во многих приложениях, соответствующих параметрам, перечисленным во введении, как на Земле, так и в космосе.

На Земле используются в беспилотных установках, таких как сотни старых заброшенных российских маяков и различные объекты мониторинга Арктики, введенные в эксплуатацию США. Радиоизотопные источники энергии   размещены в труднодоступных местах, нечасто посещаемых людьми для обслуживания и используются в местах в течение продолжительного времени, длящегося десятилетиями. Радиоизотопные источники энергии Это оправдывает использование этих потенциально опасных ядерных устройств на Земле, сводя к минимуму опасность для людей.

Наиболее эффективное использование радиоизотопных источников энергии   в межзвездных проектах, включая довольно большое разнообразие космических зондов, отправленных на Луну, полеты на внешние планеты Солнечной системы, такие как «Вояджер» и «Пионер», а в последнее время роботизированный Ровер «Кьюриосити» работающий на Марсе.

Функционально, космические радиоизотопные источники энергии   фактически сохраняют точно такие же ингредиенты как все другие описанные выше, даже используя Pu-238 как их источник топлива.космический источник

Безопасность

Как и при внедрении любых ядерных процессов в функционирующие устройства, всегда существует озабоченность по поводу безопасности человека и радиоактивного загрязнения. Несмотря на то, что радиоизотопные источники энергии   предназначены для работы в отдаленных средах с редким человеческим населением, опасения не являются совершенно необоснованными, поскольку есть много вопросов относительно случая утечки топлива или возможных взрывов при запуске космических аппаратов.

При наихудшем сценарии развития этих ситуаций в окружающей среде будет наблюдаться значительное радиоактивное загрязнение наряду с потенциальным радиационным ущербом для людей. Это делает использование и запуск, по меньшей мере частично спорным.

Однако на практике для сведения к минимуму рисков радиоактивного загрязнения от радиоизотопных источников энергии   применяются меры безопасности. Например, изотопное топливо хранится в высокопрочных блоках графита и окружено слоем иридиевого металла, чтобы снизить риск случайных взрывов.

В конечном итоге, несмотря на потенциальные радиационные риски, преимущества использования радиоизотопных источников энергии значительно перевешивают все остальные факторы.