|
Термин "атомная батарея", "ядерная батарея" и
"радиоизотопная батарея" означает устройство, которое использует
излучение заряженных частиц испускаемых радиоактивным изотопом
для генерации электричества.
Устройства для преобразования естественного радиоактивного
распада напрямую в электричество не являются чем-то новым.
Технология ядерных батарей появилась еще в 1913 г. когда Генри
Мозелей впервые продемонстрировал Бета Элемент.
Батареи, использующие энергию радиоактивного распада, могут
генерировать электричество в течении 10-20 лет. Техники
генерации подразделяются на 2 группы – термические и
нетермические. Термические преобразователи (электричество
генерируется за счет разницы температур) включают в себя
термоэлектрические и термоионные генераторы. Нетермические
преобразователи (не используют разницу температур для генерации
электричества) используют энергию падающего потока для
производства электричества, но используется только часть потока,
т.к. большая его часть переходит в тепло.
Термические
генераторы
Термоионный конвертор
Термоионный конвертор состоит из горячего электрода который
испускает электроны через потенциальный энергетический барьер к
холодному электроду и тем самым производит электричество. Пары
цезия используются для оптимизации работы электродов и служат
источником ионов для нейтрализации объемного заряда электронов.
Определение
С точки зрения физики, термоионная генерация энергии – это
прямое производство электричества путем использования
термоионного излучения электронов. С точки зрения термодинамики
это использование электронного пара как рабочей жидкости в цикле
производства электричества. Термоионный конвертор состоит из
горячего излучающего электрода из которого термоионное излучение
испаряет электроны и холодный коллекторный электрод на котором
конденсируются электроны после прохождения межэлектродной
плазмы. Возникающее в результате электричество – обычно
несколько ампер на квадратный сантиметр поверхности излучателя,
напряжение составляет от 0.5 –1 вольт и термический кпд
составляет 5-20%, в зависимости от температуры излучателя
(1500-2000 К) и режима работы.
Описание
Научный аспект термоионной генерации энергии описан в физике
поверхностей и физике плазмы. Свойства поверхности электродов
определяет величину излучения электронов и электрический
потенциал поверхности электродов, а свойства плазмы определяют
поток электронов от излучателя к коллектору. Термоионные
конверторы используют пары цезия между электродами, которые
определяют свойства поверхности и плазмы. Цезий используется
потому, что он легче всего поддается ионизации.
Свойства поверхности представляют интерес вследствие того, что
этот тот барьер который ограничивает излучение электронов с
самой поверхности. Рабочая функция определяется главным образом
слоем атомов цезия абсорбируемых поверхностью электродов.
Свойства межэлектродной плазмы определяются режимом работы
термоионного конвертора. В воспламененном состоянии (т.н.
«дуга») плазма поддерживается внутренне за счет горячих
электронов плазмы (~ 3300 К); в невоспламененном состоянии
плазма поддерживается путем инъекции положительных электронов в
холодную плазму; в гибридном режиме плазма поддерживается ионами
от горячей плазмы в межэлектродном пространстве перетекающими в
холодную плазму.
Радиоизотопный термоэлектрический генератор
Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ) это простой
электрический генератор который питается от радиоактивного
распада. В подобном устройстве тепло вырабатывается путем
распада подходящего радиоактивного материала и преобразуется в
электричество используя эффект Зеебека (используются
термоэлементы). РТГ наиболее желанный источник энергии в тех
ситуациях где не требуется присутствие людей. Первые рабочие
образцы выдавали несколько сот ватт в течении длительного
времени. Обычно применялись где установка солнечных батарей была
невозможна.
Дизайн
Дизайн РТГ простой по стандартам ядерной технологии: основной
компонент – крепкий контейнер с радиоактивным материалом
(топливо). Термоэлементы помещаются на стенках контейнера,
каждый внешний конец термоэлементов соединен с теплоотводом.
Радиоактивный распад топлива дает тепло которое проходит через
термоэлементы к теплоотводам, электричество генерируется в ходе
данного процесса.
Термоэлемент представляет собой термоэлектрическое устройство
которое преобразует тепловую энергию напрямую в электрическую
используя эффект Зеебека. Термоэлемент сделан из двух видов
металлов (или полупроводников) которые могут проводить ток. Они
соединены друг с другом в замкнутый круг. Если соединения (швов)
имеют различную температуру, то по этому контуру будет течь
электрический ток.
Топливо
Радиоактивные материалы используемые в РТГ должны иметь
следующие характеристики:
- Полураспад должен быть достаточно долгим чтобы можно было
вырабатывать электричество в течении длительного времени и с
постоянной интенсивностью. Однако полураспад должен быть
достаточно коротким чтобы материал распадался достаточно быстро
чтобы произвести достаточно тепла. Используемы в РГТ материалы
имеют период полураспада несколько десятилетий, хотя изотопы с
меньшим периодом полураспада используются для специальных целей.
- Также топливо должно иметь высокое соотношение энергии к массе
и объему (плотность) для того чтобы батареи были более
компактными.
- Топливо должно иметь высокое энергетическое излучение но с
низкой проникающей способностью, в основном альфа-излучение.
Бета-излучение может создавать существенное гамма-излучение
через производство вторичного тормозного излучения, и в связи с
этим требует тяжелого экранирования. Изотопы не должны иметь
высокое гамма-излучение, нейтронную радиацию или проникающую
радиацию.
Первые два критерия ограничивают число возможных видов топлива
до 30 изотопов во всей изотопной таблице. Плутоний-238,
кюрий-244 и стронций-90 наиболее подходят, но такие изотопы как
полоний-210, прометий-147, цезий-137, церий-144, рутений-106,
кобальт-60, кюрий-242 и изотопы тулия также изучались. Из всех
вышеперечисленных плутоний-238 имеет самые низкие требования по
экранированию и самый долгий полураспад. И только 3 изотопа
отвечают третьему критерию (не указаны выше) и требуют меньше
чем 25 мм свинцового экранирования. Плутоний-238 (лучший из
трех) требует меньше 2,5 мм и во многих случаях не требует
экранирования вообще, т.к. корпуса достаточно.
Плутоний-238 наиболее часто используется в РТГ в форме оксида
плутония (IV). Плутоний-238 имеет полураспад 87,7 лет, хорошее
излучение энергии и очень низкие уровни гамма и нейтронной
радиации.
Термофотогальванический генератор (ТФГ)
Термофотогальваническое преобразование энергии – это прямой
процесс генерации электричества вследствие разницы температур.
Обычная термофотогальваническая система состоит из теплового
излучателя и фотогальванического диода.
Температура теплового излучателя варьируется от системы к
системе, примерно от 900 до 1300 градусов Цельсия. Хотя в
принципе ТФГ устройства могут генерировать энергию от любого
излучателя с температурой выше чем у фотоэлектрического
устройства (становясь фактически оптической тепловой машиной).
Излучатель может быть сделан из цельного куска или специально
сконструированной системой. Тепловое излучение – это спонтанное
излучение фотонов из-за термического сдвига заряда в материале.
Излучение обычных ТФГ – инфракрасный и около инфракрасный спектр
излучения. Фотоэлектрический диод может абсорбировать часть
излученных фотонов и преобразовать их в свободный заряд –
электричество.
ТФГ системы имеют очень мало либо вообще не имеют подвижных
частей, и, вследствие этого очень тихие и не требуют частого
текущего ремонта. Однако их КПД достаточно низкий по сравнению с
другими системами генерации энергии.
ТФГ системы также используются в как вспомогательные системы
преобразования для регенерации потери тепловой энергии в других
системах, таких как паровые турбины или солнечные батареи.
Термический электрогенератор на щелочном металле
Термический электрогенератор на щелочном металле – это
термически регенерирующий электрохимический прибор для
производства электричества напрямую используя преобразование
тепла в электричество. Одной из его характеристик является
высокий КПД и отсутствие подвижных частей.
Рабочая температура прибора 900-1300 градусов Кельвина и
генерирует энергию с эффективностью 15-40%. В этом приборе
натрий циркулирует в замкнутом термодинамическом цикле между
двумя тепловыми резервуарами с разными температурами. Уникальной
чертой рабочего цикла данного устройства является изотермическое
расширение паров натрия через твердый электролит, вследствие
этого атобы натрия распадаются на ионы и электроны натрия.
Преобразование энергии основывается на электролите, используемом
в натриево-серных батареях, натриевой бетаокиси алюминия. Само
устройство является натриево-накопительной батареей и использует
керамический, поликристаллический бетаокись алюминиевый твердый
электролит в качестве разделителя между области высокого
давления, содержащих пары натрия с температурой 900-1300
градусов Кельвина и области низкого давления, содержащей
конденсатор для жидкого натрия с температурой 400-700 градусов
Кельвина. Первые образцы имели следующие характеристики: для
одной ячейки – напряжение 1.37 Вольт и максимальную мощность
7.89 Ватт, и максимальная плотность мощности составляла 0.4
Ватт/см2при температуре 1007 градусов Кельвина.
Устройство требует входной мощности средних температур и любой
длинны волны. Его можно приспособить к любому источнику тепла,
включая радиоизотопы, солнечный свет, внутренне сгорание или
атомный реактор.
Нетермические
генераторы
Бета-гальванические генераторы
Бета-гальванические генераторы, по сути дела обычные батарейки
которые используют энергию радиоактивного источника излучающего
бета-частицы. Обычно используются изотопы водорода, трития. В
отличие от атомных источников питания, которые используют
радиоактивное излучения для генерации электричества
(термоэлектрические и термоионные источники),
бета-гальванические источники используют нетермическое
преобразование для генерации электричества.
По принципу действия, бета-гальванические элементы сходны с
солнечными батареями, которые преобразуют фотоны (свет) в
электричество. В бета-гальваническом генераторе когда электрон
ударяется от специальную поверхность между двумя слоями
материала (p - n-переход) и в результате образуется
электричество.
Для повышения КПД используются пористые кремниевые диоды –
увеличивает поверхность соприкосновения.
И хотя бета-гальванические генераторы используют радиоактивные
материалы в качестве источника питания, важно отметить, что
бета-излучение имеет низкую энергию и легко останавливаются
экранированием. При правильно спроектированным экранировании
бета-гальванические элементы не будут излучать никакой радиации.
Со временем из-за полураспада радиоактивного вещества мощность
генератора будет уменьшаться – компенсируется заменой.
Оптико-электрические атомные батареи
Оптико-электрические атомные батареи были разработаны в
Институте имени Курчатова (Москва). Бета-излучатели, такие как
технеций-99 или стронций-90 подвешены в газе или жидкости,
содержащей люминесцентные молекулы газа эксимерного типа
(двухатомная возбужденная молекула из одинаковых атомов),
образуя «пылевую плазму». Эта система позволяет практически без
потерь излучать бета электроны из пылевой плазмы в
фотоэлектрическую оболочку. Все это позволяет создать легкую, с
низким давлением и высоким КПД атомную батарею. Используемый
излучающий материал – это дешевые радиоактивные отходы от
ядерных реакторов. Диаметр пылевых частиц настолько мал
(несколько микрометров), что электроны, образовавшиеся в
результате бета распада, покидают это «облако» без потерь.
Окружающая, слабо ионизированная плазма состоит из газа или
смеси газов (например криптон, аргон, ксенон).
|