Radioisotooppienergialähteet ovat erityyppisiä laitteita, jotka käyttävät radioaktiivisen hajoamisen aikana vapautuvaa energiaa jäähdytysnesteen lämmittämiseen tai muuntamiseen sähköksi .
Radioisotooppienergian lähde eroaa ydinreaktorista pohjimmiltaan siinä, että se ei käytä hallittua ydinketjureaktiota , vaan radioaktiivisten isotooppien luonnollisen hajoamisen energiaa .
Radioisotooppivirtalähteet jaetaan:
Radioisotooppivirtalähteiden lämmön tai polttoaineen lähde ovat melko lyhytikäisiä eri kemiallisten alkuaineiden radioaktiivisia isotooppeja . Tärkeimmät vaatimukset isotoopeille ja vastaavasti niistä valmistettujen yhdisteiden ja seosten lämmönlähteille ovat: riittävän pitkä puoliintumisaika , käsittely- ja käyttöturvallisuus (mieluiten ilman läpäisevää säteilyä: kova gammasäteily ja neutronit ), korkea sulamisnopeus lejeerinkien ja yhdisteiden piste, suuri ominaisenergian vapautuminen ja fissiokykyisille isotoopeille suuri kriittinen massa on myös mahdollista . Erittäin tärkeä paikka toimivan isotoopin valinnassa on tytär-isotoopin muodostumisella, joka pystyy vapauttamaan merkittävästi lämpöä, koska hajoamisen aikana tapahtuva ydinmuutosketju pitenee ja vastaavasti käytettävä kokonaisenergia kasvaa. Paras esimerkki isotoopista, jolla on pitkä hajoamisketju ja jonka energian vapautuminen on suuruusluokkaa suurempi kuin useimmat muut isotoopit, on uraani-232 . Sen haittapuoli on, että tallium-208 , joka kuuluu sen radioaktiiviseen sarjaan, lähettää erittäin kovaa gammasäteilyä ( 2,614 MeV ), jota on vaikea suojata. Radioisotooppeja tunnetaan yli 3000, mutta vain muutama soveltuu lämmönlähteeksi radioisotooppigeneraattoreihin. Isotoopit, joita käytetään nykyään yleisimmin radioisotooppien energialähteinä[ milloin? ] aika on lueteltu seuraavassa taulukossa:
Isotooppi | Haetaan (lähde) | Ominaisteho puhtaalle isotoopille, W/g | Volumetrinen teho, W/cm³ | Polttoaineen tiheys, g/cm³ | Polttoaineen sulamispiste, °C | Polttoaineen määrä, curie / W | T 1/2 | Integroitu isotoopin hajoamisenergia, kWh/g | Isotoopin työskentelymuoto |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
60 Co | Säteilytys reaktorissa | 2.9 | ~26 | 8.9 | ~1480 | ~390 | 5,271 vuotta | 193.2 | Metalli, metalliseos |
238 Pu | neptunium-237 :n säteilytys reaktorissa | 0,568 | 5.9 | 11.5 | 2400 | 30.3 | 87,7 vuotta | 608,7 | PuO 2 |
90Sr_ _ | fission palaset | ~2,3 [1] | ~9,2 (SrO) ~5,7 (SrTiO 3 ) |
4,7 (SrO) 5,1 (SrTiO 3 ) |
2430 (SrO) 2080 (SrTiO 3 ) |
~60 | 28,8 vuotta | ~840 [1] | SrO , SrTiO3 _ |
144 Ce | fission palaset | 2.6 | ~16 | 7.6 | 2400 | 128 | 285 päivää | 57,439 | toimitusjohtaja 2 |
242 cm_ | atomireaktori | 121 | 1169 | 11.75 | ~2270 | 27.2 | 162 päivää | 677,8 | cm 2 O 3 |
klo 147 | fission palaset | 0,37 | 1.1 | 6.6 | 2300 | 2700 | 2,64 vuotta | 12.34 | Pm 2 O 3 |
137Cs _ | fission palaset | 0,27 | ~0,86 | neljä | 645 | 320 | 33 vuotta | 230,24 | CsCl |
210po _ | vismuttisäteilytys reaktorissa _ | 142 | 1320 | 9.4 | 600 ( PbPo ) | 31.2 | 138 päivää | 677,59 | seokset, joissa on Pb , Y , Au |
244 cm_ | atomireaktori | 2.8 | 33.25 | 11.75 | ~2270 | 29.2 | 18,1 vuotta vanha | 640,6 | cm 2 O 3 |
232 U | toriumin säteilytys reaktorissa | 8 097 [2] | ~77.9 | 10,95 ( UO2 ) | 2850 | 68,9 vuotta vanha | 4887.103 [2] | UO 2 , UC , YK . | |
106 Ru | fission palaset | 29.8 | 369.818 | 12.41 | 2250 | ~371,63 päivää | 9,854 | metalli, metalliseos |
On huomattava, että isotooppisen lämmönlähteen valinta määräytyy ensisijaisesti energialähteen suorittamien tehtävien laajuuden ja tehtävien suorittamiseen kuluvan ajan mukaan. Radioisotooppien valtava haittapuoli on se, että niiden energian vapautumista ei voida kontrolloida (pysäyttää tai kiihdyttää), on mahdollista vain katkaista lämmön virtaus muuntimista.
Uraani-232 :n lisäksi raskaiden transuraanialkuaineiden isotoopit , pääasiassa plutonium-238 , curium-242 , curium-244 ja muut transuraanisten alkuaineiden isotoopit, kuten kalifornium-248 , kalifornium-249 , kalifornium-250-2 , einstein , herättää kiinnostusta. , fermium-257 , sekä joukko kevyempiä isotooppeja, kuten polonium-208 , polonium-209 , aktinium-227 .
Erilaiset ydinisomeerit ja oletetut uudet superraskaat alkuaineet ovat myös teoreettisesti kiinnostavia .
Isotooppi | Tuotanto vuonna 1968, kW(th)/vuosi | Tuotanto vuonna 1980, kW(th)/vuosi | Kustannukset vuonna 1959, USD/W | Kustannukset vuonna 1968, USD/W | Kustannukset vuonna 1980, USD/W | Hinnat vuonna 1975 (Oak Ridge), USD/gramma |
---|---|---|---|---|---|---|
60 Co | ei dataa | 1000 | ei dataa | 26 | kymmenen | 106 |
238 Pu | 17 | 400 | ei dataa | 1600 | 540 | 242 |
90Sr_ _ | 67 | 850 | 170 | kolmekymmentä | kaksikymmentä | kaksikymmentä |
144 Ce | 800 | 10 000 | 39 | 19 | 2 | viisikymmentä |
242 cm_ | 17 | 252 | ||||
klo 147 | 5.5 | 40 | 710 | 558 | 220 | 75 |
137Cs _ | 48 | 850 | 95 | 26 | 24 | kymmenen |
210po _ | neljätoista | ei dataa | ei dataa | 780 | kaksikymmentä | 1010 |
244 cm_ | 29 | 64 | 612 | |||
232 U |
Isotooppi | Kohteen aine ja massa | Säteilytyksen kesto | Neutronivuon tiheys (cm −2 s −1 ) | Isotooppisaanto grammoina | Kohteen käyttämätön osa |
---|---|---|---|---|---|
60 Co | Koboltti-59 (100 g) | 1 vuosi | 2⋅10 13 | 1,6 g | |
238 Pu | Neptunium-237 (100 g) | 3 vuotta | 2⋅10 13 | 20 g | |
210po _ | Vismutti-209 (1 tonni) | 1 vuosi | 2⋅10 13 | 4 g | |
242 cm_ | Americium-241 (100 g) | 1 vuosi | 2⋅10 13 | 6 g | |
232 U | 2⋅10 13 |
Ydinenergian kehityksen ja kasvun myötä tärkeimpien generaattoriisotooppien hinnat laskevat nopeasti ja isotooppien tuotanto kasvaa nopeasti, mikä määrää radioisotooppienergian laajenemisen. Samaan aikaan säteilyttämällä saatujen isotooppien (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242 jne.) kustannukset pienenevät hieman, ja siksi monissa maissa, joissa radioisotooppiteollisuus on kehittynyt, on olemassa tapoja Etsitään järkevämpiä säteilytysjärjestelmiä, tavoitteet, säteilytetyn polttoaineen perusteellisempi käsittely. Toiveet synteettisten isotooppien tuotannon laajentamisesta liittyvät suurelta osin nopeiden neutronien reaktorisektorin kasvuun ja termoydinreaktorien mahdolliseen ilmestymiseen. Erityisesti nimenomaan nopeat neutronireaktorit, jotka käyttävät merkittäviä määriä toriumia , mahdollistavat suurten kaupallisten uraani-232-määrien tuotannon. Asiantuntijat pitävät isotooppien tuotantomäärien kasvua ensisijaisesti reaktorien ominaistehon kasvun, neutronivuodon vähenemisen, neutronivirtauksen lisääntymisen, tavoitesäteilytysajan lyhenemisen ja jatkuvien syklien kehittymisen seurauksena arvokkaiden isotooppien erottamiseksi [3 ] .
Isotooppien käytöllä käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitusongelma on suurelta osin ratkaistu, ja vaarallisen jätteen radioaktiivinen jäte muutetaan paitsi lisäenergian lähteeksi myös merkittäväksi tulonlähteeksi. Säteilytetyn polttoaineen lähes täydellinen jälleenkäsittely pystyy tuomaan rahaa, joka on verrattavissa uraanin, plutoniumin ja muiden alkuaineiden fissiossa syntyvän energian kustannuksiin.
vuosi | Asennettu sähkökapasiteetti vuodessa, MW | Kokonaisteho, MW | Reaktorin kokonaisteho, MW | Isotooppisäteilyn kokonaisteho β ja γ , 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 |
Radioisotooppienergian lähteitä käytetään silloin, kun on tarpeen varmistaa laitteiden toiminnan autonomia, merkittävä luotettavuus, pieni paino ja mitat. Nykyisessä[ milloin? ] aikaa, pääasialliset käyttöalueet ovat avaruus (satelliitit, planeettojen väliset asemat jne.), syvänmeren ajoneuvot, syrjäiset alueet (kaukopohjoinen, avomeri, Etelämanner). Esimerkiksi "syvän avaruuden" tutkiminen ilman radioisotooppigeneraattoreita on mahdotonta, koska merkittävällä etäisyydellä Auringosta valokennojen avulla käytettävä aurinkoenergian taso on häviävän pieni. Esimerkiksi Saturnuksen kiertoradalla auringon valaistus zeniitissä vastaa maanpäällistä hämärää. Lisäksi merkittävällä etäisyydellä Maasta tarvitaan erittäin suurta tehoa radiosignaalien lähettämiseen avaruusluotaimesta. Siten ainoa mahdollinen energianlähde avaruusalukselle tällaisissa olosuhteissa ydinreaktorin lisäksi on juuri radioisotooppigeneraattori.
Olemassa olevat sovellukset:
Lupaavat käyttöalueet:
Radioisotooppivirtalähteitä suunniteltaessa insinöörejä ohjaavat materiaalien mahdollisimman korkeat ominaisuudet ja sitä kautta paras lopputulos. Samalla suunnittelua laadittaessa on otettava huomioon myös taloudelliset tekijät ja toissijaiset vaaratekijät. Joten esimerkiksi käytettäessä alfasäteileviä työisotooppeja, joilla on korkea ominaisenergian vapautuminen, on usein tarpeen laimentaa toimivaa isotooppia lämmön vapautumisen vähentämiseksi. Laimentimina käytetään erilaisia metalleja, jos käytetään oksidin tai muun yhdisteen muodossa olevaa isotooppia, laimennus suoritetaan sopivalla inertillä oksidilla jne. Toimivan radioisotoopin emittoimien hiukkasten sekundäärireaktioiden laimennusaineen kanssa tulisi ottaa huomioon; joten vaikka beryllium tai sen tulenkestävät yhdisteet (oksidi, karbidi, boridi) ovat käteviä beeta-aktiivisten isotooppien laimentimena (suuren lämmönjohtavuuden, alhaisen tiheyden ja suuren lämpökapasiteetin vuoksi), mutta joutuvat kosketuksiin alfa-aktiivisen isotoopin kanssa. tehokkuus (α, n ) -reaktioihin kevyissä ytimissä, lämmönlähde muuttuu erittäin vaaralliseksi neutronien lähteeksi , mikä on turvallisuussyistä täysin mahdotonta hyväksyä.
Gammasäteilyltä suojaavia kuoria suunniteltaessa edullisimmat materiaalit ovat ensisijaisesti lyijy (halvuutensa vuoksi) ja köyhdytetty uraani (sen paljon paremman gammasäteilyn absorbointikyvyn vuoksi).
Poloniumia emittoivia alkuaineita luotaessa tärkeä rooli laimentamisessa on sillä, että polonium , kuten telluuri , on erittäin haihtuvaa, ja minkä tahansa alkuaineen kanssa vaaditaan vahvan kemiallisen yhdisteen luominen. Tällaisina alkuaineina lyijy ja yttrium ovat edullisia, koska ne muodostavat tulenkestäviä ja vahvoja polonideja. Kulta muodostaa myös erittäin teknologisen polonidin . Köyhdytettyä uraania on taloudellisesti tehokasta käyttää suojautumiseen gammasäteilyltä (uranan gamma-kvanttien absorption tehokkuus on 1,9 kertaa suurempi kuin lyijyn) johtuen tarpeesta ottaa käyttöön suuria köyhdytetyn uraanin varantoja.
Rakenne- ja apumateriaalit RIE:n tuotantoonRadioisotooppien energialähteiden valmistuksessa käytetään erilaisia rakenne- ja apumateriaaleja , joilla on erityisiä fysikaalis-kemiallisia, mekaanisia ja ydinfysikaalisia ominaisuuksia, jotka mahdollistavat laitteiden tehokkuuden lisäämisen ja korkean turvallisuustason sekä normaalin käytön aikana. ja hätätilanteissa.
Radioisotooppien toiminnan säätely aiheuttaa tiettyjä vaikeuksia johtuen siitä, että itse lähteellä (radioisotoopilla) on kiinteät lämmönluovutusparametrit, joihin nykyaikainen tekniikka ei pysty vaikuttamaan (kiihdyttämään tai hidastamaan). Samalla voidaan säätää tuotetun sähkön parametreja (sekä työkaasujen tai nesteiden painetta). Nykyisessä[ milloin? ] aikaa, kaikki radioisotooppien energialähteiden säätelymenetelmät rajoittuvat seuraaviin:
Historiallisesti ensimmäisen sähköenergian radioisotooppilähteen (Beta Cell) loi ja esitteli brittiläinen fyysikko G. Moseley vuonna 1913 . Se oli (nykyaikaisen luokituksen mukaan) atomielementti - sisäpuolelta hopeoitu lasipallo, jonka keskellä ionisoivan säteilyn radiumlähde sijaitsi eristetyllä elektrodilla. Beetahajoamisen emittoimat elektronit loivat potentiaalieron lasipallon hopeakerroksen ja radiumsuolaelektrodin välille.
Ensimmäiset käytännölliset radioisotooppigeneraattorit ilmestyivät 1900- luvun puolivälissä Neuvostoliitossa ja USA :ssa ulkoavaruuden tutkimisen ja riittävän suuren määrän ydinpolttoaineen fissiokappaleiden ilmaantumisen yhteydessä (jonka määrästä tarvittava määrä isotoopit saadaan radiokemiallisilla prosessointimenetelmillä).
Yksi painavista perusteista radioisotooppien energialähteiden käytölle on joukko etuja muihin energialähteisiin verrattuna (käytännöllisesti katsoen huoltovapaa, kompakti jne.), ja ratkaiseva syy oli isotooppien valtava energiaintensiteetti. Käytännössä käytettyjen isotooppien hajoaminen on massa- ja tilavuusenergian intensiteetillä mitattuna 4–50-kertainen uraanin , plutoniumin ja muiden ytimien halkeamisen jälkeen ja ylittää kemialliset lähteet ( akut , polttokennot jne.). ) kymmeniä ja satoja tuhansia kertoja.
Vuonna 1956 Yhdysvalloissa syntyi ohjelma nimeltä SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power - auxiliary ydinvoimalat) . Ohjelma on suunniteltu vastaamaan luotettavan off-grid-virtalähteen tarpeeseen, jota voidaan käyttää syrjäisissä paikoissa huomattavan pitkän ajan ilman huoltoa. Tämän ohjelman menestys oli tällaisten lähteiden ilmestyminen Transit-satelliiteille (SNAP-11), American Antarktic Station -asemalle ja Arctic Weather Bureaulle (SNAP-7-D, SNAP-7-E, SNAP-10-A). . Generaattorit SNAP-1A, SNAP-2, SNAP-3, SNAP-3A1 (1969), SNAP-8, NAP-100 (1959), SNAP-50 luotiin käyttämällä Rankinen höyry-elohopeasykliä ( turbogeneraattori ).
Amerikkalaiset radioisotooppigeneraattorit: 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, Stirling-radioisotooppigeneraattori (SRG) jne.
Nykyisessä[ milloin? ] aikaan Yhdysvalloissa radioisotooppienergiajärjestelmien osasto perustettiin Yhdysvaltain energiaministeriön yhteyteen, ja siten radioisotooppienergia erottui joukosta ja siitä tuli itsenäinen energia-ala.
Neuvostoliiton avaruusaluksissa " Cosmos-84 ", " Cosmos-90 " (1965) käytettiin polonium-210 :een perustuvia radioisotooppigeneraattoreita "Orion-1" ja "11K" . Sama isotooppi ( yttriumpolonidin koostumuksessa) oli B3-P70-4-radioisotooppilämpölähteiden perusta , joiden alkuperäinen lämpöteho oli 150-170 W Lunokhod-1 (1970) ja Lunokhod-2 (1973) laitteissa. [4] .
Venäläiset radioisotooppigeneraattorit:
Englantilaiset radioisotooppigeneraattorit:
Teollisuuden saamat radioisotoopit ovat melko kalliita; lisäksi joitain niistä tuotetaan edelleen hyvin pieniä määriä, koska niiden saaminen, erottaminen ja kerääminen on vaikeaa. Ensinnäkin tämä koskee tärkeimpiä isotooppeja: plutonium-238, curium-242 ja uraani-232, jotka ovat lupaavimpia, teknisesti edistyneimpiä ja täyttävät radioisotooppien energialähteille asetetut päätehtävät. Tältä osin suurissa maissa, joissa on kehittynyt ydinenergia ja komplekseja säteilytetyn polttoaineen käsittelyyn, on olemassa ohjelmia plutoniumin keräämiseksi ja erottamiseksi [6] ja Kaliforniassa sekä näissä ohjelmissa työskenteleviä laitoksia ja asiantuntijaryhmiä [7] ] .
Radioisotooppigeneraattoreiden tehokkuuden parantaminen tapahtuu kolmeen suuntaan:
Radioisotooppien energialähteissä käytetyt radioaktiiviset materiaalit ovat erittäin vaarallisia aineita joutuessaan ihmisympäristöön. Niissä on kaksi haitallista tekijää: lämmön vapautuminen, joka voi johtaa palovammoihin, ja radioaktiivinen säteily. Alla on useita käytännössä käytettyjä ja lupaavia isotooppeja, ja puoliintumisajan lisäksi on annettu niiden säteilytyypit, energia ja ominaisenergiaintensiteetti.
Isotooppi | Puoliintumisaika T 1/2 | Integroitu isotoopin hajoamisenergia, kWh/g | β -hiukkasten keskimääräinen energia , MeV | α -hiukkasten energia , MeV | γ -kvantin energia , MeV |
---|---|---|---|---|---|
60Co _ | 5,27 vuotta | 193.2 | 0,31 (99,9 %); 1,48 (0,1 %) | 1,17 + 1,33 | |
238 Pu | 87,74 vuotta vanha | 608,7 | 5,5 (71 %); 5,46 (29 %) | ||
90Sr_ _ | 28,8 vuotta | ~840 [1] | 0,546 + 2,28 [1] | ||
144 Ce | 284,9 päivää | 57,439 | 0,31 | ||
242 cm_ | 162,8 päivää | 677,8 | 6,11 (74 %); 6,07 (26 %) | ||
klo 147 | 2,6234 vuotta | 12.34 | 0,224 | ||
137Cs _ | 30,17 vuotta vanha | 230,24 | 0,512 (94,6 %); 1,174 (5,4 %) | 0,662 (80 %) | |
210po _ | 138,376 päivää | 677,59 | 5,305 (100 %) | ||
244 cm_ | 18,1 vuotta vanha | 640,6 | 5,8 (77 %); 5,76 (23 %) | ||
208po _ | 2 898 vuotta | 659.561 | 5,115 (99 %) | ||
232 U | ~68,9 vuotta | 4887.103 [2] | 5,32 (69 %); 5,26 (31 %) | ||
248 vrt | 333,5 päivää | 6,27 (82 %); 6,22 (18 %) | |||
250 vrt | 13,08 vuotta | 6,03 (85 %); 5,99 (15 %) | |||
254 Es | 275,7 päivää | 678.933 | 6,43 (93 %) | 0,27-0,31 (0,22 %); 0,063 (2 %) | |
257 fm | 100,5 päivää | 680.493 | 6,52 (99,79 %) | ||
209 Po | 102 vuotta vanha | 626.472 | 4 881 (99,74 %) | 0,4 (0,261 %) | |
227ac _ | 21.773 vuotta | 13 427??? | 0,046 (98,62 %) | 4,95 (1,38 %) | |
148 Gd | 93 vuotta vanha | 576.816 | 3,183 (100 %) | ||
106 Ru | 371,63 päivää | 9,864 | 0,039 (100 %) | ||
170 Tm | 128,6 päivää | 153.044 | 0,97 (~ 99 %) | 0,084 (~ 1 %) | |
194m Ir | 171 päivää | 317,979 | 2,3 (100 %) | 0,15; 0,32; 0,63 | |
klo 241 | 432,5 vuotta | ~610 | 5,49 (85 %); 5,44 (15 %) | ||
154 euroa | 8,8 vuotta | 1,85 (10 %); 0,87 (90 %) | 0,123; 0,724; 0,876; yksi; 1,278 |
Radioisotooppien energialähteiden käyttöön liittyvät suurimmat vaarat ovat [8] :
Toimenpiteet vaarojen ja onnettomuuksien esiintymisen torjumiseksi:
Tässä on joitain esimerkkejä tapauksista, joissa radioisotooppienergialähteitä on tuhoutunut tai voidaan tuhota, jolloin radionuklidien vapautuminen ympäristöön tai ihmisten altistuminen.
Bibliografisissa luetteloissa |
|
---|
Avaruuden kolonisaatio | ||
---|---|---|
Aurinkokunnan kolonisaatio |
| |
Terraformointi | ||
Kolonisaatio aurinkokunnan ulkopuolella | ||
Avaruusasutus | ||
Resurssit ja energia |
|