Источники тепла и электроэнергии

Поглощение излучения, испускаемого радионуклидами в самом образце, приводит к его нагреву. На этом основан принцип действия изотопных источников тепла и электрического тока. В изотопных (атомных) батареях тепловая энергия превращается в электрическую энергию путём термоэлектрического преобразователя; при этом коэффициент полезного действия составляет 3-^5%.

Радионуклидный источник энергии - источник энергии, основанный на превращении кинетической энергии, выделяющейся при распаде ядер радионуклидов, в тепловую; преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется с помощью термоэлектрических генераторов.

Ядерная батарея (атомная батарея) - блок источников электрического тока, работающих на энергии распада радиоактивных элементов (например, v°Sr или wCs). Мощность от нескольких Вт до нескольких сотен Вт. Миниатюрный автономный источник электроэнергии на космических аппаратах, маяках и бакенах, в мобильных телефонах, стимуляторах сердечной деятельности, слуховых аппаратах и часах, а также в системах регенерации воды, установленных на космических аппаратах. Атомные батареи занимают небольшой объём, не нуждаются в уходе и надёжны даже в экстремальных условиях.

Источники теплового потока обычно изготавливаются на основе таких радионуклидов, как *3Ni, 9о§г+9оу, »37Cs, *4*Се, ^7Рг, 210Ро, 2з#Ри, 242Ст, 244Ст и др.

Полониевая батарея. 21°Ро (Т=1з8 дн) - практически чистый а-излучатель, его распад сопровождается у-излучением слабой интенсивности. Удельная мощность излучателя на его базе Ро - 1200 Ватт на смз. Как источник энергии (а в паре с Be - и нейтронов), он служит источником питания удалённых маяков. Радиоизотопные источники тепла на Ро были успешно использованы в космических аппаратах серии «Космос».

Цериевая батарея изготавливается на базе /?-излучателя ‘««Се. Она предназначена для питания автоматических метеорологических станций и радиопередатчиков (мощность 200 вт.).

Прометиевая батарея работает на основе ионизации /?- излучением прометия пограничного слоя полупроводника, в результате чего возникает электрический ток (бетавольтэффект). Оксид ^Pi* массой в 24 г, запрессованный в платиновую капсулу, даёт энергию в 8 Вт. В батарее реализовано двукратное преобразование энергии. Сначала излучение прометия заставляет светиться люминесцирующий состав, а затем световая энергия преобразуется в электрическую в кремниевом фотоэлементе. Длительность работы батареи ограничена периодом полураспада (2,6 л).

Плутониевая батарея с 4 кг 2з8Ри02 при тепловой мощности 1480 Вт имеет электрическую мощность 6о Вт, срок эксплуатации ю лет.

При выборе типа термоионных изотопных батарей для конкретного аппарата следует руководствоваться их назначением. Если желательны долгоживущие источники энергии, например, для измерительных или запускаемых в космос приборов, для снабжения током светящихся буев и автоматических метеостанций либо для обогрева одежды водолазов, то предпочтителен 2*»Ст или 238pu. Если же требуется на короткое время выработка больших количеств энергии, то выгоднее батарея из 242Сш.

Изотопные источники широко применяются в космических ядер- ных энергетических установках. Способы преобразования энергии в них бывают двух видов: прямое и машинное. Типы преобразователей тепловой энергии в электрическую делятся на статические (т.е. без подвижных частей), и динамические (т.е. с подвижными, вращающимися или двигающимися частями).

Перспективными считаются установки, обеспечивающие прямое преобразование тепловой энергии в электрическую на основе термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей. Они упрощают схему установок, исключают промежуточные этапы превращения энергии и позволяют создать компактные и лёгкие энергетические установки.

Например, радиоизотопные термоэлектрические преобразователи типа SNAP-iA (США), загруженные 2з8Ри имели мощность 2,7 Вт и массу 1,84 кг. Малые размеры (11,875-12,25 см), относительно небольшая масса, и длительный период полураспада (89 лет), обеспечивающий указанную мощность в течение 5 лет, позволили использовать их как источники электроэнергии в навигационных спутниках. В полетах космических кораблей «Аполлон» источник энергии из 570 г 2з8Ри обеспечивал регенерацию питьевой воды. СССР использовал атомные батареи в спутниках типа «Космос». Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) на основе 210Ро имели электрическую мощность 20 Вт. Вес РИТЭГ составлял

14,8 кг, ресурс - 4 месяца. Источники энергии, снабженные долгоживущими изотопами, необходимы для космических зондов, направляющихся к удаленным планетам. Поэтому американские зонды к Марсу, Юпитеру и Плутону были снабжены подобными источниками тепла и электричества.

Однако при использовании спутников с большим энергопотреблением мощности радиоизотопных генераторов оказывается недостаточно. Космическая гонка, особенно в военной сфере, потребовала энергооснащенности спутников, в десятки раз превышающей ту, что могли обеспечить солнечные батареи или изотопные источники питания. Действительно, на базе радиоактивного изотопа трудно построить прямой преобразователь тепла в электроэнергию (на термоэлементах) большой мощности. При энергопотреблении более 500 Вт более рентабельно использовать ядерную реакцию деления, т.е. АЭС с небольшим атомным реактором.

Необходимую мощность дают компактные ядерно-энергетические установки, которые из-за ограниченных размеров спутников должны работать без парогенераторов или турбин. Использование термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии в сочетании с ядерными реакторами позволило создать установки, в которых источник тепловой энергии - ядерный реактор и преобразователь тепловой энергии в электрическую объединены в единый агрегат - реактор-преобразователь. Типичная ядерная энергетическая установка содержит реактор на быстрых нейтронах с бериллиевым отражателем, включающим регулирующие стержни; два контура теплоносителя (Na-K-эвтектика), электромагнитный насос, термоэлектрический генератор; радиационную защиту обеспечивающую ослабление ионизирующих излучений реактора; излучатель для сброса тепла в космос со второго контура теплоносителя; агрегаты системы выброса сборки ТВЭЛов из корпуса реактора.

Атомные батареи нашли широкое применение в качестве автономных источников питания маяков, бакенов, створных знаков, автоматических метеостанций, устанавливаемых в труднодоступных регионах.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) - источники автономного электропитания с постоянным напряжением от у до 30 В для различной автономной аппаратуры мощностью от нескольких ватт до 8о Вт. Используются в качестве источников электропитания навигационных маяков, световых знаков, радиомаяков и метеостанций.

РИТЭГ содержит корпус с теплоотводящим радиатором, блок с радиоизотопным источником тепла, тепловую изоляцию, термоэлектрический преобразователь, тепловой шунт с переменным тепловым сопротивлением, термостат с электронным преобразователем напряжений, высокотемпературный терморегулятор для термоэлектрического преобразователя и низкотемпературный терморегулятор для термостата. Конструкции РИТЭГ отличаются между собой применяемыми изотопами, термоэлектрическими материалами, параметрами по выходному электрическому напряжению, выходной электрической мощности, массе, габаритам, конструктивными формами и др. РИТЭГи выпускаются на базе 9°Sr активностью 304-180 Ки (срок службы ю лет) или 2з8Ри.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >