Sorgenti radioisotopiche di energia elettrica e calore. Batteria atomica e suo principio di funzionamento

Le fonti di energia radioisotopica sono dispositivi che utilizzano l'energia rilasciata durante il decadimento radioattivo per riscaldare un liquido di raffreddamento o convertirlo in elettricità.

Generatori termoelettrici a radioisotopi
(generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG, RITEG)

Un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG) converte l'energia termica rilasciata durante il decadimento naturale degli isotopi radioattivi in ​​energia elettrica.
Gli RTG sono costituiti da due elementi principali: una fonte di calore che contiene un isotopo radioattivo e termocoppie a stato solido che convertono l'energia termica del decadimento del plutonio in elettricità. Le termocoppie in un RTG utilizzano il calore derivante dal decadimento di un isotopo radioattivo per riscaldare il lato caldo della termocoppia e il freddo dello spazio o dell'atmosfera planetaria per produrre una bassa temperatura sul lato freddo.
Rispetto ai reattori nucleari, gli RTG sono molto più compatti e semplici nel design. La potenza di uscita degli RTG è molto bassa (fino a diverse centinaia di watt) e l'efficienza è bassa. Ma non hanno parti mobili e non richiedono manutenzione per tutta la loro vita utile, che può durare decenni.
In un tipo migliorato di RTG, il generatore termoelettrico radioisotopico multimissione (MMRTG), entrato in uso di recente, la composizione della termocoppia è stata modificata. Invece di SiGe, MMRTG utilizza PbTe/TAGS (Te, Ag, Ge, Sb) per le termocoppie.
L'MMRTG è progettato per produrre 125 W di elettricità all'inizio della missione, scendendo a 100 W dopo 14 anni. Con una massa di 45 kg, MMRTG fornisce circa 2,8 W/kg di elettricità all'inizio della vita. Il design MMRTG è in grado di funzionare sia nel vuoto dello spazio esterno che nelle atmosfere planetarie, ad esempio sulla superficie di Marte. L'MMRTG offre un elevato grado di sicurezza, peso ridotto al minimo e livelli di potenza ottimizzati per una durata operativa minima di 14 anni.
La NASA sta anche lavorando su una nuova tecnologia RTG chiamata Advanced Stirling Radioisotope Generator ASRG (Stirling Radioisotope Generator). ASRG, come MMRTG, converte il calore di decadimento del plutonio-238 in elettricità, ma non utilizza termocoppie. Invece, il calore di decadimento fa sì che il gas si espanda e faccia oscillare il pistone, proprio come il motore di un'auto. Questo muove il magnete avanti e indietro attraverso la bobina più di 100 volte al secondo, generando elettricità per la navicella spaziale. La quantità di elettricità prodotta è maggiore dell'MMRTG di circa 130 watt, con molto meno plutonio-238 (circa 3,6 kg in meno). Questo è il risultato di una conversione più efficiente del ciclo Stirling. Se una missione richiede più potenza, è possibile utilizzare più ASRG per generare più potenza. Al momento non sono previste missioni che utilizzeranno gli ASRG, ma sono in fase di sviluppo per una missione di 14 anni.
Esiste il concetto di RTG subcritici. Un generatore subcritico è costituito da una sorgente di neutroni e materiale fissile con la massa critica più grande possibile. I neutroni della sorgente vengono catturati dagli atomi della sostanza fissile e provocano la loro fissione. Un posto molto importante nella scelta di un isotopo funzionante è giocato dalla formazione di un isotopo figlia capace di un significativo rilascio di calore, poiché la catena di trasformazione nucleare durante il decadimento si allunga e, di conseguenza, aumenta l'energia totale che può essere utilizzata. Il miglior esempio di isotopo con una lunga catena di decadimento e un rilascio di energia di un ordine di grandezza maggiore rispetto alla maggior parte degli altri isotopi è l'uranio-232. Il vantaggio principale di un tale generatore è che l'energia di decadimento di una reazione con cattura di neutroni può essere molto superiore all'energia della fissione spontanea. Di conseguenza, la quantità richiesta della sostanza è molto inferiore. Anche il numero di decadimenti e l'attività radiante in termini di rilascio di calore sono inferiori. Ciò riduce il peso e le dimensioni del generatore.

Sfortunatamente, i requisiti per le caratteristiche dei radioisotopi utilizzati negli RTG sono spesso contraddittori. Per mantenere l'energia abbastanza a lungo da completare l'operazione, il tempo di dimezzamento del radioisotopo deve essere sufficientemente lungo. D'altro canto, deve avere un'attività volumetrica sufficientemente elevata per ottenere un rilascio energetico significativo in un volume limitato dell'impianto. Ciò significa che la sua emivita non dovrebbe essere troppo breve, perché l'attività specifica è inversamente proporzionale al periodo di decadimento.
Il radioisotopo deve avere un tipo di radiazione ionizzante conveniente per lo smaltimento. Le radiazioni gamma e i neutroni lasciano la struttura abbastanza facilmente, portando via una parte significativa dell'energia di decadimento. Sebbene gli elettroni ad alta energia del decadimento β vengano trattenuti abbastanza bene, producono raggi X di bremsstrahlung, che portano via parte dell’energia. Inoltre, le radiazioni gamma, raggi X e neutroniche spesso richiedono misure di progettazione speciali per proteggere il personale (se presente) e le apparecchiature vicine.
La radiazione alfa è preferita per la generazione di energia radioisotopica.
Il ruolo non meno importante nella scelta di un radioisotopo è la sua relativa economicità e facilità di produzione.
L'emivita tipica dei radioisotopi utilizzati negli RTG è di diversi decenni, sebbene gli isotopi con emivita più breve possano essere utilizzati per applicazioni specializzate.

Sorgenti di energia a radioisotopi a bassa potenza e di piccole dimensioni

Alimentatori Beta Voltaici
(Fonti di energia betavoltaiche)

Esistono anche generatori non termici simili nel principio di funzionamento ai pannelli solari. Si tratta di sorgenti beta-galvaniche e ottico-elettriche. Sono di piccole dimensioni e progettati per alimentare dispositivi che non richiedono elevata potenza.
In un alimentatore beta voltaico, una sorgente isotopica emette particelle beta che si raccolgono sul semiconduttore. Di conseguenza, viene generata corrente continua. Il processo di conversione dell'energia, simile a quello di una cella fotovoltaica (solare), avviene in modo efficiente anche in condizioni ambientali estreme. Selezionando la quantità e il tipo di isotopo, è possibile creare una fonte di energia personalizzabile con una potenza e una durata specificate. Tali batterie praticamente non producono raggi gamma e la radiazione beta morbida viene bloccata dall'alloggiamento della batteria e da uno strato di fosforo. Le fonti beta voltaiche hanno un'elevata densità di energia e una potenza estremamente bassa. Ciò consente al dispositivo beta voltaico di durare più a lungo dei condensatori o delle batterie per dispositivi a bassa potenza. La durata di funzionamento, ad esempio, di una sorgente beta-voltaica a base di ossido di promezio è di circa due anni e mezzo e 5 mg di ossido di promezio forniscono un'energia di 8 W. La vita utile delle sorgenti betavoltaiche può superare i 25 anni.

Generatore microelettrico di radioisotopi piezoelettrici
(Il generatore Mkropower a film sottile di radioisotopi)

Il cuore di questa batteria è il cantilever, una sottile lastra di cristallo piezoelettrico. Un collettore sulla punta del cantilever cattura le particelle cariche emesse da una sorgente radioattiva a film sottile. A causa della conservazione della carica, la pellicola del radioisotopo rimane con cariche uguali e opposte. Ciò si traduce in forze elettrostatiche tra il cantilever e la sorgente radioattiva, che piegano il cantilever e convertono l'energia emessa dalla sorgente in energia meccanica immagazzinata. Il cantilever si piega sempre di più e alla fine la punta del cantilever entra in contatto con la pellicola sottile radioattiva e le cariche accumulate vengono neutralizzate mediante trasferimento di carica. Questo accade periodicamente. Quando la forza elettrostatica viene soppressa, il cantilever viene rilasciato. Il rilascio improvviso eccita vibrazioni che provocano l'induzione di cariche nell'elemento piezoelettrico alla base del cantilever. Il segnale AC proveniente dall'alimentatore piezoelettrico può essere utilizzato direttamente attraverso l'impedenza di carico oppure raddrizzato utilizzando diodi e filtrato tramite un condensatore esterno. La tensione di polarizzazione aumentata in questo modo viene utilizzata per pilotare sensori ed elettronica a basso consumo.

L'area principale di applicazione delle fonti isotopiche è la ricerca spaziale. Lo studio dello "spazio profondo" senza l'uso di generatori di radioisotopi è impossibile, poiché a una distanza significativa dal Sole il livello di energia solare che potrebbe essere utilizzato per produrre l'elettricità necessaria per il funzionamento delle apparecchiature e la trasmissione dei segnali radio è molto elevato. piccolo. Anche le fonti chimiche non si sono giustificate.
Sulla Terra, le sorgenti di radioisotopi hanno trovato impiego nei fari di navigazione, nei radiofari, nelle stazioni meteorologiche e in apparecchiature simili installate in aree dove, per ragioni tecniche o economiche, non era possibile utilizzare altre fonti di energia. In particolare, nell'URSS furono prodotti diversi tipi di generatori termoelettrici. Hanno usato 90 Sr e 238 Pu come isotopi radioattivi. Tuttavia, hanno un periodo molto lungo per raggiungere un’attività sicura. Hanno raggiunto la fine della loro vita utile di 10 anni e ora devono essere smaltiti. Attualmente, a causa del rischio di fuoriuscita di radiazioni e materiali radioattivi, la pratica di installare sorgenti di radioisotopi non presidiate in luoghi inaccessibili è stata interrotta.
Le fonti di energia radioisotopica vengono utilizzate laddove è necessario garantire il funzionamento autonomo delle apparecchiature, compattezza e affidabilità.

Radioisotopi e loro usi

Con lo sviluppo e la crescita dell’energia nucleare, i prezzi degli isotopi generatori più importanti stanno rapidamente diminuendo e la produzione di isotopi è in rapido aumento. Allo stesso tempo, il costo degli isotopi ottenuti mediante irradiazione (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242, ecc.) Diminuisce leggermente. A questo proposito si stanno cercando metodi per schemi più razionali per l'irradiazione target e per un trattamento più accurato del combustibile irradiato. Grandi speranze di espandere la produzione di isotopi sintetici sono legate alla crescita del settore dei reattori a neutroni veloci. In particolare, sono i reattori a neutroni veloci che utilizzano quantità significative di torio che fanno sperare nell'ottenimento di grandi quantità industriali di uranio-232.
Utilizzando gli isotopi, il problema dello smaltimento del combustibile nucleare esaurito viene in gran parte risolto e i rifiuti radioattivi si trasformano da rifiuti pericolosi non solo in un'ulteriore fonte di energia, ma anche in una fonte di reddito significativo. Il ritrattamento quasi completo del combustibile irradiato può generare fondi paragonabili al costo dell'energia generata durante la fissione dell'uranio, del plutonio e di altri elementi.

Plutonio-238, curio-244 e stronzio-90 sono gli isotopi più comunemente usati. Oltre a questi, circa altri 30 isotopi radioattivi vengono utilizzati nella tecnologia e nella medicina.

238 Pu 238 Pu ha un'emivita di 87,7 anni (perdita di potenza dello 0,78% all'anno), una densità di potenza isotopica pura di 0,568 W/g e livelli eccezionalmente bassi di radiazioni gamma e neutroniche. 238 Pu ha i requisiti di schermatura più bassi. Per bloccare la radiazione 238 Pu sono necessari meno di 25 mm di schermatura in piombo. Il 238 Pu è diventato il combustibile più utilizzato per gli RTG, sotto forma di ossido di plutonio (PuO 2 ).
A metà del secolo scorso, 236 Pu e 238 Pu venivano utilizzati per produrre batterie elettriche a radioisotopi per alimentare pacemaker, la cui durata raggiungeva i 5 anni o più. Ben presto però iniziarono ad essere utilizzate batterie al litio non radioattive, con una durata fino a 17 anni.
238 Pu deve essere appositamente sintetizzato; è piccolo (~ 1% - 2%) nelle scorie nucleari, il suo isolamento isotopico è difficile. Il 238 Pu puro può essere ottenuto, ad esempio, mediante irradiazione neutronica di 237 Np.
Curio. Due isotopi 242 Cm e 244 Cm sono emettitori alfa (energia 6 MeV); Hanno un'emivita relativamente breve di 162,8 giorni e 18,1 anni e producono fino a 120 W/g e
2,83 W/g di energia termica, rispettivamente. L'ossido di curio-242 viene utilizzato per produrre fonti di energia radioisotopica compatte ed estremamente potenti. Tuttavia, 242 Cm sono molto costosi (circa 2000 dollari al grammo). Recentemente, l'isotopo più pesante del curio, 244 Cm, è diventato sempre più popolare. Poiché entrambi questi isotopi sono praticamente emettitori alfa puri, il problema della radioprotezione non è acuto.
90 sr. Emettitore β da 90 Sr con emissione γ trascurabile. La sua emivita di 28,8 anni è molto più breve di quella di 238 Pu. Una catena di due decadimenti β (90 Sr → 90 Y → 90 Zr) fornisce un'energia totale di 2,8 MeV (un grammo fornisce ~ 0,46 W). Poiché la produzione di energia è inferiore, raggiunge temperature inferiori a 238 Pu, con conseguente minore efficienza di conversione termoelettrica. 90 Sr è un prodotto della fissione nucleare ed è disponibile in grandi quantità a basso costo. Lo stronzio è una fonte di radiazioni ionizzanti altamente permeabili, che pone esigenze relativamente elevate in termini di protezione biologica.
210 Po. 210 Po ha un'emivita di soli 138 giorni con un enorme rilascio di calore iniziale di 142 W/g. Questo è un pratico emettitore alfa puro. A causa della sua breve emivita, il 210 Po non è adatto per gli RTG, ma viene utilizzato per creare fonti di calore potenti e compatte (mezzo grammo di polonio può riscaldarsi fino a 500 °C). Sorgenti standard con una potenza termica di 10 W sono state installate nei veicoli spaziali del tipo Cosmos e sui Lunokhod come fonte di calore per mantenere il normale funzionamento delle apparecchiature nel vano strumenti.
210 Po è anche ampiamente utilizzato dove è necessario un antistatico attivo. A causa del breve tempo di dimezzamento, lo smaltimento dei dispositivi 210 Po usati non richiede misure speciali. Negli Stati Uniti è accettabile gettarli in un bidone della spazzatura generico.
Quando si utilizzano isotopi alfa-attivi con elevato rilascio di energia specifica, è spesso necessario diluire l'isotopo di lavoro per ridurre il rilascio di calore. Inoltre, il polonio è altamente volatile e richiede la creazione di un forte composto chimico con qualsiasi elemento. Piombo, ittrio e oro sono preferiti come tali elementi, poiché formano polonidi refrattari e durevoli.
241:00 A causa della carenza di 238 Pu, il 241 Am può diventare un'alternativa come carburante per gli RTG. 241 Am ha un'emivita di 432 anni. È un emettitore alfa quasi puro. Il 241 Am si trova nelle scorie nucleari ed è quasi isotopicamente puro. Tuttavia la potenza specifica di 241 Am è solo 1/4 di quella di 238 Pu. Inoltre, i prodotti di decadimento del 241 Am emettono radiazioni più penetranti ed è necessaria una migliore schermatura. I requisiti di protezione dalle radiazioni per il 241 Am non sono tuttavia molto più severi di quelli per il 238 Pu.
241 Am è ampiamente utilizzato nei rilevatori di fumo. Un rilevatore di fumo a ionizzazione utilizza un minuscolo pezzo di americio-241. Lo spazio pieno d'aria tra i due elettrodi crea una camera che consente il flusso di una piccola corrente continua tra gli elettrodi. Se nella camera entra fumo o calore, la corrente elettrica tra gli elettrodi viene interrotta e viene attivato un allarme. Questo rilevatore di fumo è meno costoso di altri dispositivi.
63 Ni. 63 Ni puro β - emettitore. Energia massima degli elettroni 67 keV, emivita 100,1 l. All'inizio degli anni 2000 negli Stati Uniti e in Russia sono state sviluppate batterie basate su 63 Ni. La durata dei dispositivi è di oltre 50 anni e le dimensioni sono inferiori a un millimetro cubo. L'effetto beta-voltaico viene utilizzato per generare elettricità. Sono inoltre in corso i lavori per creare un generatore di radioisotopi piezoelettrici. Batterie simili possono essere utilizzate nei pacemaker neurologici e cardiaci.
144 d.C. Fonte di calore – 144 Ce. 144 Ce è un emettitore β − puro. L'emivita del 144 Ce è di 285 giorni, la potenza specifica dell'isotopo puro è di 2,6 W/g. RTG è destinato ad alimentare trasmettitori radio e stazioni meteorologiche automatiche. Potenza standard 200 W.
I radioisotopi sono ampiamente utilizzati in miscela con il fosforo per fornire una luminosità costante ai dispositivi di controllo a bordo dei veicoli, negli orologi, nelle luci degli aeroporti polari e nei segnali di navigazione e persino nelle decorazioni dell'albero di Natale. In precedenza, a questo scopo veniva spesso utilizzato 226 Ra, che ha un tempo di dimezzamento di 1620 anni. Tuttavia, per ragioni di radioprotezione, il radio non è più stato utilizzato per questi scopi dagli anni ’70. Al giorno d'oggi, per questi scopi vengono spesso utilizzati emettitori soft beta: promezio (147 Pm T 1/2 = 2,64 anni), kripton (85 Kr T 1/2 = 10,8 anni) e trizio (3 H T 1/2 = 12,3 anni ). . Naturalmente, la loro emivita è breve, ma le loro radiazioni ionizzanti non penetrano nell’involucro dei dispositivi.

L'argomento dell'articolo di oggi sono i generatori termoelettrici a radioisotopi o, più semplicemente, le batterie nucleari. Le stesse cose che vengono usate al Nord nei fari di navigazione non presidiati, nelle sonde spaziali e persino nei cuori artificiali! Questa è una cosa comune, ma ci sono più voci e paure al riguardo che fatti. Diamo uno sguardo più da vicino a cosa sia effettivamente una tale "batteria" con una durata di 10-20 anni.

Un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG, RTG, inglese - generatore termoelettrico a radioisotopi, RTG) è un generatore elettrico nucleare che converte l'energia del decadimento radioattivo in energia elettrica. È vero, non direttamente, ma indirettamente: in primo luogo, l'energia di decadimento viene convertita in calore e questo, a sua volta, viene convertito in elettricità utilizzando le cosiddette termocoppie. Diamo un'occhiata a questo processo in modo più dettagliato.

Cominciamo con le termocoppie. Sono una connessione di due conduttori (solitamente metallici), la cui differenza di temperatura genera una debole corrente elettrica. Questo fenomeno è chiamato effetto Seebeck. La termocoppia più comune e più semplice da rappresentare è una connessione di fili di rame e alluminio. Se un'estremità della connessione di tale coppia viene riscaldata e l'altra, al contrario, viene raffreddata, gli elettroni inizieranno ad accumularsi sul conduttore freddo, il che porterà alla generazione di corrente elettrica. Maggiore è la differenza di temperatura dei conduttori in corrispondenza della giunzione, dell'area di giunzione e dello spessore dei conduttori stessi, meglio è.

È chiaro che le leghe conduttrici di grandi dimensioni sono difficili da riscaldare e raffreddare, sono pesanti e richiedono molto spazio, quindi le termocoppie nei generatori elettrici basati su questo principio sono realizzate sotto forma di una serie di un gran numero di piccole connessioni. Tali blocchi di termocoppie sono collegati tra loro per ottenere la corrente e la tensione richieste. Un buon indicatore per una termocoppia è una tensione di circa 40 microvolt per 1 Kelvin di differenza di temperatura.

Da questo piccolo valore, penso, diventa chiaro che l'efficienza di un tale generatore termoelettrico sarà molto bassa. Anche utilizzando moderni semiconduttori costosi come base per termocoppie, in pratica non supera il 3-7% dell'energia termica consumata. Pertanto, non è necessario parlare del potere fenomenale dell'RTG.

Torniamo alle nostre “batterie” nucleari. Le sequenze di termocoppie descritte vengono riscaldate in un tale generatore utilizzando il calore generato dal decadimento del materiale radioattivo. Come è noto, il decadimento radioattivo è accompagnato dal rilascio di calore. Più il materiale radioattivo decade velocemente, più calore rilascia. Pertanto, in un RTG, il combustibile radioattivo, decadendo, produce radiazione radioattiva, che viene convertita in calore. Il calore, a sua volta, viene convertito in elettricità.

Strutturalmente, questo è implementato come segue: le termocoppie nel generatore stesso sono rivolte con il lato caldo (conduttore con carica positiva) verso l'interno, e il lato freddo (conduttore con carica negativa) verso l'involucro del generatore e sono collegate a un dissipatore di calore per garantire massima differenza di temperatura. Tutte le caratteristiche del dispositivo dell'uno o dell'altro tipo di generatore termoelettrico a radioisotopi sono ridotte all'aumento della durata e all'aumento dell'efficienza del dispositivo.

Ciò porta alla necessità di “carburante”, lo stesso materiale radioattivo che decadrà e ci fornirà “calore”:

Plutonio 238, incandescente per il suo stesso decadimento

1. Il tempo di dimezzamento deve essere lungo per fornire calore alla batteria, ma allo stesso tempo tale che il decadimento sia piuttosto intenso e sia accompagnato dal rilascio di una grande quantità di radiazioni radioattive. Qui devi scegliere tra la carica della batteria e la sua “durata”. Quanto più breve è il tempo di dimezzamento, tanto più radioattiva è la sostanza e maggiore è l'energia termica rilasciata durante il decadimento, tanto maggiore è la “potenza” della batteria. Al contrario, meno radioattiva è la sostanza (maggiore è il tempo di dimezzamento), meno calore riceveremo e più debole sarà la nostra batteria, ma durerà più a lungo. Di norma, vengono scelti isotopi con un tempo di dimezzamento di 80-90 anni con una durata di servizio di 10-50 anni, tuttavia, le batterie specializzate ad alta potenza possono avere una durata di servizio di sei mesi. Al prezzo sai cosa.

2. Il combustibile deve produrre più calore per unità di massa e volume. Una tonnellata di plutonio 239 (utilizzata nelle armi nucleari e nelle centrali nucleari) sarebbe radioattiva quanto circa 3,6 chilogrammi di plutonio 238 e produrrebbe la stessa quantità di calore. Tonnellate di minerale di uranio sotto la superficie terrestre, ad esempio, forniscono vita a batteri a diversi chilometri di profondità. Tuttavia, la parola chiave qui è tonnellate. Più il combustibile è radioattivo, minore è la massa necessaria per ottenere l'effetto desiderato.

3. La radiazione radioattiva prodotta a seguito del decadimento deve essere facilmente convertita in calore. Inoltre non dovrebbe essere penetrante. Per questi motivi le radiazioni neutroniche e gamma non sono adatte. La radiazione alfa è la più adatta poiché non richiede quasi alcuna schermatura. Le radiazioni beta e i raggi X necessitano già di un guscio protettivo in piombo, il che comporta un aumento del peso dell'impianto. Ciò non è fondamentale per i generatori fissi a terra, ma gioca un ruolo importante quando vengono utilizzati nei veicoli spaziali, aumentando il costo del loro lancio.

Attualmente, il combustibile più comune per gli RTG è il plutonio 238: ha un tempo di dimezzamento di 87,7 anni, una componente relativamente bassa di radiazioni gamma e neutroniche e, quindi, praticamente non richiede schermatura protettiva; nella maggior parte dei casi, lo spessore di l'alloggiamento del generatore.

Nell'Unione Sovietica, lo stronzio 90 era ampiamente utilizzato anche per alimentare gli RTG di fari remoti non presidiati che, avendo un tempo di dimezzamento più breve, una componente significativa delle radiazioni gamma (e, di conseguenza, meno calore ricevuto per unità di massa) era più economico . L’economia deve essere economica!

Attualmente è in corso una ricerca attiva sull'uso dell'americio 241 come combustibile, che è migliore del plutonio 238 con un tempo di dimezzamento di 432 anni. Anche se la sua “intensità energetica” è 4 volte inferiore a quella del plutonio e la percentuale di radiazioni indesiderate penetranti è maggiore, la prospettiva di alimentare dispositivi per secoli sembra allettante. In ogni caso, sotto tutti gli aspetti, questo tipo di combustibile è la seconda migliore soluzione dopo il plutonio 238.

Consideriamo ora la durata dei “generatori”. Come avrete intuito, dipende dal tipo di combustibile scelto e per il plutonio 238 è -0,87% della potenza iniziale per anno di funzionamento. Tuttavia, anche qui non tutto è così semplice. Non dimenticare che anche le nostre termocoppie hanno una propria durata e si degradano nel tempo, sotto l'influenza di radiazioni radioattive costanti e alte temperature. Più veloce del decadimento del carburante. Ad esempio, la batteria della sonda Voyager 1, lanciata nello spazio nel 1977, nel 2001 aveva una potenza di 315 watt invece dei 420 watt progettati. La riduzione effettiva della potenza in 24 anni di funzionamento è stata del 25%.

L'efficienza di conversione del calore in elettricità, come già riportato, per i generatori che utilizzano il principio di Seebeck non è molto elevata e in pratica raramente supera il 5%. Quindi, gli RTG non sono mai stati considerati una fonte seria da nessuno, rispetto all’energia associata all’energia nucleare; sono come le batterie dell’orologio per i generatori elettrici diesel. Tuttavia, anche qui si stanno apportando miglioramenti. È vero, tutto ciò che rimane del progetto originale del promettente sviluppo della NASA è la conversione della radiazione radioattiva in calore.

Stiamo parlando di combinare un motore termico Stirling (funzionante proprio grazie alla differenza di temperatura), un generatore e, appunto, un isotopo radioattivo. Permettetemi di ricordarvi brevemente il principio di funzionamento del motore Stirling: il fluido di lavoro (gas), espandendosi e contraendosi in cilindri freddi e caldi (o in diverse parti di un cilindro), muove il pistone mediante dilatazione termica o compressione termica.

Il gas stesso non lascia il motore, circolando costantemente al suo interno. Tali motori sono anche chiamati motori a combustione esterna (per analogia con i motori a combustione interna), poiché il calore per riscaldare il gas deve essere prelevato dall'esterno. L'efficienza e la potenza del motore Stirling dipendono dalla stessa differenza di temperatura tra i compartimenti freddo e caldo (forze di compressione ed espansione del gas). Ora immaginiamo le possibilità illimitate di raffreddamento nello spazio e una fonte costante di calore sotto forma di una barra termica di combustibile radioisotopico. Secondo i calcoli degli esperti della NASA, un tale generatore avrà un'efficienza del 20% - 25%, che è molto migliore del 3% -5% per un RTG.

E infine, parliamo della questione più urgente: la sicurezza dalle radiazioni delle nostre batterie nucleari. Forse la più famosa è una fotografia dei generatori “faro” sovietici “distrutti e spammati” alimentati da stronzio 90, che giacciono in una discarica costiera. Guarda, dicono, è qui che tutto porta, smantellato dai vandali per rottami metallici, fonti di inquinamento radioattivo dell'ambiente giacciono qua e là, emettono radiazioni, avvelenano tutti gli esseri viventi con veleno radioattivo e come se invitassero i terroristi a fare una “bomba sporca” da loro. Non ci sono abbastanza ratti mutanti giganti sullo sfondo.

In realtà, tutto è un po' diverso. Non sono stati documentati casi di vandalismo contro generatori usati. È vero, soprattutto perché presumibilmente questi generatori non erano particolarmente documentati. Credi che l'URSS avrebbe potuto buttare via la tecnologia nucleare senza tenerne conto? Io no. Ci sono anche informazioni su Internet su alcuni pastori georgiani che hanno dormito vicino a un RTG abbandonato in una notte fredda per scaldarsi. Sono stati poi portati in ospedale con ustioni da radiazioni e l'RTG è stato portato via. Chi, quando, dove, dove? Niente.

Le storie dell'orrore sui generatori di radioisotopi finiscono qui, e ciò che segue sono statistiche abbastanza positive e ben documentate. Delle 33 missioni americane che utilizzavano RTG al plutonio, 5 si sono concluse con un incidente durante il lancio o il rientro. Inoltre, su 5 incidenti, solo uno ha portato al danneggiamento del container con carburante RTG durante la sua combustione nell'atmosfera, cosa che ha portato alla comparsa di tracce di plutonio 238 nell'atmosfera del Madagascar diversi mesi dopo l'incidente. A giudicare dal fatto che non si è verificato un avvelenamento da radiazioni di massa e che è stato persino girato un cartone animato, questa liberazione non ha avuto conseguenze.

I satelliti sovietici con RTG a bordo non hanno mai avuto problemi. Storie dell'orrore sulle sonde militari e meteorologiche che cadono nell'oceano, piene di radiazioni radioattive, riguardano dispositivi dotati di veri e propri reattori nucleari di bordo, originariamente progettati per cadere, e la parte radioattiva per bruciare nell'atmosfera.

Rassicurerò anche coloro che temono che i terroristi siano in grado di costruire una bomba atomica utilizzando il carburante RTG. Né lo stronzio 90 degli RTG sovietici né il plutonio 238 delle bombe nucleari americane funzioneranno. Questi isotopi sono troppo instabili per raggiungere una massa critica e supportare ulteriormente una reazione a catena di fissione nucleare. Inoltre, l'aggiunta di un tale isotopo ai componenti di una normale bomba nucleare porterà ad una diminuzione della forza dell'esplosione, poiché con la sua elevata attività questo componente causerà l'inizio prematuro della reazione nucleare prima che si raggiungano le condizioni ottimali per l'esplosione. si raggiunge la massa critica della carica.

Per quanto riguarda la bomba sporca,

allora anche qui tutto va male per i terroristi. Il carburante nella forma in cui può essere rimosso dall'RTG è, in primo luogo, troppo caldo (la temperatura operativa della testina termica è di 500-600 gradi Celsius), e in secondo luogo, sì, è radioattivo, la radiazione può davvero essere molto dannoso, al punto che potresti non avere il tempo di preparare una bomba funzionante da tutto questo. E in terzo luogo, non dura a lungo rispetto ai rifiuti radioattivi delle centrali nucleari, che sono molto più facili da ottenere. Di conseguenza, non è molto redditizio realizzare una bomba con elementi costantemente molto caldi, pericolosi per il bombardiere stesso e il cui impatto radioattivo per unità di peso è paragonabile al minerale di uranio. Forse l’effetto morale dell’uso del plutonio (orrore! orrore!) in una bomba distinguerebbe favorevolmente i titoli dei giornali dal vago “scorie radioattive”.

Riassumendo, voglio dire che questo tipo di generazione elettrica è sicuramente interessante innanzitutto per la sua autonomia. Ad esempio, negli Stati Uniti sono noti casi in cui nelle ceneri di cittadini cremati sono stati trovati generatori termoelettrici a radioisotopi funzionanti, che si sono dimenticati di rimuovere in preparazione al funerale. Anche in casi così piccoli, sufficienti al funzionamento dei pacemaker, i generatori sono rimasti operativi, sopravvivendo alla cremazione del portatore. Entrambi i Voyager devono il loro funzionamento a lungo termine agli RTG installati su di essi, così come le centrali elettriche del programma lunare americano Apollo. Riceviamo anche previsioni meteorologiche dal Centro Idrometeorologico della Russia, anche grazie alle batterie nucleari. E mangiamo anche i granchi della Kamchatka con la loro partecipazione indiretta. Quindi, non allarmatevi se sentite lo spaventoso “satellite con un generatore di radioisotopi” al telegiornale.

p align=»center»>Un KamAZ diesel in un cantiere vicino è molto più dannoso.

Negli anni '50 del secolo scorso, la betavoltica - una tecnologia per l'estrazione dell'energia delle radiazioni beta - era considerata dagli scienziati la base per la creazione di nuove fonti di energia in futuro. Oggi esistono ragioni reali per affermare con sicurezza che l’uso di reazioni nucleari controllate è intrinsecamente sicuro. Decine di tecnologie nucleari sono già utilizzate dalle persone nella vita di tutti i giorni, come i rilevatori di fumo a radioisotopi.

E così, nel marzo 2014, gli scienziati Jae Kwon e Bek Kim, che lavorano presso l'Università del Missouri, Columbia, USA, hanno riprodotto il primo prototipo funzionante al mondo di una fonte di energia compatta basata su stronzio-90 e acqua. In questo caso il ruolo dell’acqua è quello di buffer energetico, come verrà spiegato di seguito.

La batteria nucleare funzionerà per anni senza manutenzione e sarà in grado di produrre corrente elettrica attraverso il processo di decomposizione delle molecole d'acqua quando interagiscono con le particelle beta e altri prodotti di decadimento dello stronzio-90 radioattivo.

La potenza di una tale batteria dovrebbe essere del tutto sufficiente ad alimentare veicoli elettrici e persino veicoli spaziali. Il segreto del nuovo prodotto è la combinazione di betavoltaici e una tendenza fisica abbastanza nuova: i risonatori plasmonici.

I plasmoni sono stati attivamente utilizzati negli ultimi anni nello sviluppo di specifici dispositivi ottici, tra cui celle solari ultra efficienti, lenti completamente piatte e inchiostri speciali per la stampa con una risoluzione molte volte superiore alla sensibilità dei nostri occhi. I risonatori plasmonici sono strutture speciali che possono sia assorbire che emettere energia sotto forma di onde luminose e altre forme di radiazione elettromagnetica.

Oggi esistono già fonti di energia a radioisotopi che convertono l'energia di decadimento degli atomi in energia elettrica, ma ciò non avviene direttamente, ma attraverso una catena di interazioni fisiche intermedie.

Innanzitutto, le compresse di sostanze radioattive riscaldano il corpo del contenitore in cui si trovano, quindi questo calore viene convertito in elettricità tramite termocoppie.

In ogni fase della conversione viene persa un'enorme quantità di energia e l'efficienza di tali batterie di radioisotopi non supera il 7%. La betavoltica non è stata utilizzata nella pratica per molto tempo a causa della rapidissima distruzione delle parti della batteria a causa delle radiazioni.

La ricerca ha dimostrato che queste parti decomposte delle molecole d’acqua possono essere utilizzate per estrarre direttamente l’energia che assorbono dalle collisioni delle particelle beta.

Affinché una batteria nucleare ad acqua funzioni, è necessaria una struttura speciale di centinaia di microscopiche colonne di ossido di titanio rivestite con una pellicola di platino, simili nella forma a un pettine. Nei suoi denti e sulla superficie del guscio di platino sono presenti numerosi micropori attraverso i quali i suddetti prodotti di degradazione dell'acqua possono penetrare nel dispositivo. Pertanto, durante il funzionamento della batteria, nel "pettine" si verificano una serie di reazioni chimiche: si verifica la decomposizione e la formazione di molecole d'acqua e gli elettroni liberi vengono creati e catturati.

L'energia rilasciata durante tutte queste reazioni viene assorbita dagli “aghi” e convertita in elettricità. Grazie ai plasmoni che appaiono sulla superficie delle colonne, che hanno proprietà fisiche speciali, una tale batteria nucleare ad acqua raggiunge un'efficienza massima del 54%, che è quasi dieci volte superiore rispetto alle classiche sorgenti di corrente radioisotopica.

La soluzione ionica qui utilizzata è molto difficile da congelare anche a temperature ambiente piuttosto basse, il che rende possibile l'utilizzo delle batterie realizzate con la nuova tecnologia per alimentare i veicoli elettrici e, con un imballaggio adeguato, nei veicoli spaziali per vari scopi.

Il tempo di dimezzamento dello stronzio-90 radioattivo è di circa 28 anni, quindi la batteria nucleare di Kwon e Kim potrebbe funzionare senza perdite significative di potenza per diversi decenni, con solo una riduzione di potenza del 2% all’anno. Tali parametri, secondo gli scienziati, aprono una chiara prospettiva per l’adozione diffusa dei veicoli elettrici.

Una nuova fonte di energia nucleare alla quale si sta lavorando in Russia, basata su una fonte di radiazioni beta (convertite in elettricità) dell'isotopo nichel-63, può fornire energia ai dispositivi elettronici per quasi 50 anni. Come in precedenza, gli specialisti del Politecnico di Tomsk diventeranno l’unico fornitore di servizi del paese per l’irradiazione di un bersaglio creato dall’isotopo stabile del nichel-62.

Ricordiamo che in precedenza gli specialisti del MCC, insieme ai dipendenti dell'Università aerospaziale siberiana di Reshetnev (SibSAU), hanno sviluppato una tecnologia per la produzione di batterie che utilizzano il decadimento beta "morbido" del radioisotopo nichel-63. Il progetto è diventato uno dei vincitori del concorso indetto dal Ministero dell'Istruzione e della Scienza della Federazione Russa. Il processo si sta ora avvicinando alla sperimentazione pilota.

“Abbiamo già prodotto obiettivi, abbiamo già prodotto nichel-62 a Zheleznogorsk, in ottobre prevediamo di caricare gli obiettivi nel reattore, ci vorrà circa un anno. Cioè, alla fine del 2016 produrremo nichel-63. Entro il 2017 apparirà il primo prototipo di tale batteria; è prematuro aspettarsi prima”., - disse Direttore dell'impresa unitaria dello Stato federale GKhK (Combinazione mineraria e chimica, parte di Rosatom) Petr Gavrilov.

I suoi creatori vedono la prospettiva di utilizzare questa batteria nell'industria spaziale, in vari sistemi sottomarini, nella medicina e nell'industria della difesa e, in futuro, nel settore dei trasporti. Inoltre, rispetto alle batterie agli ioni di litio, una batteria a base di nichel-63 è 30 volte più compatta, ecologica e innocua per l'uomo grazie alla radiazione beta morbida prodotta, che viene autoassorbita all'interno della batteria: "I nostri specialisti si sono recati in cliniche in Svizzera e i medici svizzeri si sono interessati molto all'invenzione da utilizzare in un pacemaker".

Oggi l’unico ostacolo alla diffusione capillare delle “batterie nucleari” è il loro costo elevato. Secondo gli esperti, il costo di 1 grammo di nichel radioattivo è di circa 4.000 dollari, e la produzione di una “batteria” può costare 4,5 milioni di rubli. Questa produzione costosa è spiegata dalla complessa catena tecnologica per ottenere l'isotopo del nichel-63, che non esiste in natura. Può essere prodotto solo in speciali reattori nucleari, che si trovano in tre imprese russe. Tuttavia, se i dispositivi high-tech testano con successo la tecnologia, il volume richiesto aumenterà e il costo di una batteria diminuirà. Speriamo che gli scienziati nazionali riescano a rendere la tecnologia disponibile al grande pubblico il prima possibile.

La batteria nucleare sviluppata sulla base del carbonio-14 presenta una serie di vantaggi rispetto alle batterie nucleari basate su altri isotopi radioattivi, vale a dire: rispetto dell'ambiente, basso costo e lunga durata. Questi vantaggi sono forniti, in primo luogo, dall'uso del carbonio-14 come fonte radioattiva in una batteria nucleare. Il tempo di dimezzamento di questo elemento è di 5.700 anni e, a differenza, ad esempio, del Ni-63, il carbonio-14 non è tossico e ha un costo contenuto.

La tecnologia è in fase di sviluppo!

Batteria atomica:

La batteria atomica lo è tecnologia, che si basa sull'idea di convertire l'energia emessa da una sorgente radioattiva in energia elettrica. La batteria atomica più semplice è costituita da una sorgente di radiazioni e da un elemento dielettrico separato da essa. film collettore Durante il decadimento, la sorgente radioattiva emette radiazione beta, a seguito della quale diventa carica positivamente, e il collettore - negativamente, e tra loro sorge una differenza potenziale.

Sulla creazione di fonti di energia che potrebbero funzionare a causa di energia radioisotopi, gli scienziati stanno ora lavorando in tutto il mondo. Esistono campioni di batterie nucleari in Russia, negli Stati Uniti e in altri paesi. In questo caso, come sorgenti radioattive vengono utilizzati trizio, Ni-63 e carbonio-14.

Una batteria atomica a base di carbonio -14 presenta una serie di vantaggi rispetto alle batterie atomiche basate su altri isotopi radioattivi, vale a dire: rispetto dell'ambiente, basso costo e lunga durata.

Questi vantaggi sono forniti, in primo luogo, dall'uso del carbonio-14 come fonte radioattiva in una batteria nucleare. Il tempo di dimezzamento di questo elemento è di 5.700 anni e, a differenza, ad esempio, del Ni-63, il carbonio-14 non è tossico e ha un costo contenuto.

La seconda differenza tra una batteria atomica basata sul carbonio-14 è che come "substrato" per l'elemento radioattivo viene utilizzata una struttura fondamentalmente nuova: un'eterostruttura porosa di carburo di silicio. La tecnologia per produrre una pellicola di carburo facendola crescere su un substrato di silicio finito utilizzando il "metodo endotassi" consente di ridurre il costo del "substrato" di 100 volte, il che rende una batteria nucleare economica.

Un vantaggio innegabile dell'eterostruttura del carburo di silicio è anche la sua resistenza radiazione. Quando l'isotopo viene emesso, rimane praticamente invariato, il che ci permette di dire che una tale batteria atomica funzionerà indefinitamente.

Carburo silicio- Anche questo è un materiale semiconduttore. È chimicamente più stabile, in grado di funzionare a temperature fino a 350 gradi. I sensori di temperatura al silicio funzionano fino a un massimo di 200. Il carburo di silicio funziona a 150 gradi in più. È 10 volte più passivo e resistente alle radiazioni rispetto al silicio.

Vantaggi della batteria nucleare a base di carbonio-14:

- il carbonio-14 non è tossico,

— basso costo di una batteria atomica rispetto ad altre batterie atomiche basate su altre fonti radioattive,

- lungo periodo di funzionamento - durata di servizio superiore a 100 anni,

— sicurezza. La radiazione beta ha un basso potere di penetrazione e viene trattenuta dal guscio di una batteria nucleare,

- capacità di lavorare in condizioni estreme - a temperature estremamente basse e alte.

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