Радиоизотопная энергетика

В уже рассмотренных областях применения радиоактивных изотопов энергетические соображения не принимались во внимание как второстепенные.

В настоящем разделе будут приведены те случаи применения радиоактивных изотопов, в которых используется непосредственно энергия радиоактивного распада. Конечно, энергия радиоактивного распада одного атома чрезвычайно мала. Но если радиоактивных атомов много, если их количества исчисляются граммами или даже килограммами, то мощность радиоактивного распада может составлять величину от долей ватта до нескольких сотен ватт. Наличие энергии радиоактивного распада это еще полдела. Необходимо уметь ее полезно использовать, а это, оказывается, не так просто.

В природе действует один из наиболее общих законов — закон сохранения энергии, суть которого заключается в том, что в заданной изолированной системе запас энергии остается постоянным; может происходить только превращение одного вида энергии в другой в строго соответствующих (эквивалентных) количествах. Превращение энергии из одного вида в другой совершается в различного рода преобразователях и устройствах. Так, с помощью гальванических элементов или электрических аккумуляторов происходит превращение химической энергии в электрическую, в электромоторах — электрической в механическую, а в электрических генераторах — наоборот, механическая энергия превращается в электрическую. В утюге или электроплитке электрическая энергия переходит в тепловую, аналогично тому, как при трении или работе какого-либо станка механическая энергия в конечном счете превращается в тепло. Во всех перечисленных примерах один вид энергии полностью превращается в другой без каких-либо ограничений и условий, или, как говорят в технике, все эти устройства имеют коэффициент полезного действия (КПД), равный единице, или 100%. Совсем иначе обстоит дело с тепловой энергией. В различных тепловых машинах — паровой машине, турбине, двигателе внутреннего сгорания — в полезную механическую энергию можно превратить только часть тепловой энергии, другая ее часть рассеивается в окружающей среде. Поэтому КПД тепловых машин всегда меньше единицы. Он тем выше, чем выше температура рабочего тела (пар, газ) и чем ниже его температура после завершения рабочего цикла. Так, коэффициент полезного действия паровоза не более 0,1, или 10%, а современной тепловой электростанции 30—40%. Чем же объяснить такое особое свойство тепловой энергии? Все другие виды энергии связаны с упорядоченным движением: электрическая — с упорядоченным движением электрических зарядов; химическая — с упорядоченным протеканием химических реакций; механическая — с упорядоченным движением частей механизмов. Тепловая же энергия связана с хаотическим, беспорядочным движением молекул и атомов в веществе. Поэтому невозможно с КПД, равным 100%, превратить тепло в любой другой вид энергии. Чтобы достичь в тепловой машине КПД, равного 100%, необходимо охладить рабочее тело до температуры, при которой тепловое движение молекул полностью прекращается, т. е. до абсолютного нуля. Такой процесс недостижим. Атомная энергия радиоактивного распада превращается в кинетическую энергию частиц и γ-лучей, разлетающихся во всех направлениях, которая, в свою очередь, превращается в тепловую энергию среды, поглощающей излучение. Поэтому на устройства, использующие энергию радиоактивного распада, распространяются те же ограничения, что и на другие тепловые машины.

Самым простым случаем использования энергии радиоактивного распада является создание тепловых изотопных источников. Выделяющееся тепло используется для поддержания необходимой температуры внутри различных космических аппаратов или приборных отсеках автоматических устройств, работающих в труднодоступных местах на Земле. При этом следует учесть, что в зависимости от периода полураспада применяемого изотопа такой источник тепловой энергии может работать десятки лет без заметного снижения мощности. Однако значительно чаще возникает необходимость не в источнике тепла, а в источнике электрической энергии. Изотопные источники электрической энергии автономны, могут работать беспрерывно годы. Они абсолютно незаменимы для питания бортовой аппаратуры космических аппаратов и устройств питания автоматических метеостанций, расположенных в труднодоступных, горных и полярных областях, питания телеметрической аппаратуры и т. п. Изотопные источники электрической энергии используются в качестве источников питания электростимуляторов сердечной деятельности. В радиоизотопной энергетике применяются различные радиоактивные изотопы с различными характеристиками. Наиболее важными характеристиками являются вид излучения период полураспада и удельное энерговыделение, т. е. мощность в ваттах на 1 г изотопа.

Ниже представлены эти характеристики для изотопов, имеющих практическое значение.

Первые четыре радиоактивных изотопа являются продуктами деления урана и при развитой атомной энергетике могут быть получены практически в неограниченных количествах. Несмотря на это, их применение ограничено из-за наличия проникающего γ-излучения, испускаемого либо непосредственно, либо тормозного γ-излучения и рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии β-частиц с веществом. Для этих источников энергии требуется тяжелая защита от излучения, либо их применение ограничивается объектами, где нет людей и живых организмов. Исключение составляет прометий-147, который испускает очень мягкие β-частицы, защита от которых не вызывает особых трудностей. Кобальт-60 и тулий-170 получаются в значительных количествах при облучении нейтронами стабильных кобальта и тулия в атомных реакторах. Однако для их использования так же, как и для описанных выше β-излучателей, имеют место те же ограничения. Что касается последних четырех α-излучателей, то их применение весьма перспективно из-за очень высокого энерговыделения. Особенно перспективно использование плутония-238, чистого α-излучателя, без сопутствующего γ-излучения или рентгеновского излучения.

В изотопных источниках для преобразования тепловой энергии в электрическую чаще всего используют полупроводниковые термоэлектрические преобразователи, работа которых основана на том, что при наличии разности температур на концах преобразователя возникает электрическое напряжение. Нагревание осуществляется за счет радиоактивного распада, а охлаждение — за счет сброса тепла в окружающую среду. Чем больше разность температур между горячим и холодным концами, тем выше КПД преобразователя. Современные устройства имеют КПД, равный 5—10%. Это значит, что на каждые 100 вт тепловой мощности можно получить 5—10 вт электрической. Остальное тепло может быть использовано непосредственно для подогрева. Радиоизотопные источники энергии уже сейчас широко используются как в СССР, так и в США для питания космических объектов, автоматических метеостанций с передачей информации по радио.

В качестве примера представлены фотография и схематический разрез изотопного термоэлектрического генератора «Бета-С» на основе использования стронция-90. Такие генераторы серийно выпускаются в Советском Союзе и служат источником питания автоматических метеостанций, расположенных в труднодоступных районах.

Радиоизотопный блок расположен внутри защитного кожуха. Затем следует слой экранов, служащих тепловодом к полупроводниковому термоэлектропреобразователю. Интенсивное охлаждение осуществляется при помощи наружного кожуха.