Radioisotop energikilder

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 23. februar 2021; checks kræver 4 redigeringer .

Radioisotopenergikilder  er enheder af forskelligt design, der bruger den energi, der frigives under radioaktivt henfald , til at opvarme kølevæsken eller omdanne den til elektricitet .

En radioisotopenergikilde er fundamentalt forskellig fra en atomreaktor ved, at den ikke bruger en kontrolleret kernekædereaktion , men energien fra radioaktive isotopers naturlige henfald .

Typer og typer af generatorer og elementer

Radioisotop-strømkilder er opdelt i:

Brugte isotoper (brændstof) og krav til det

Kilden til varme eller brændsel til radioisotopstrømkilder er ret kortlivede radioaktive isotoper af forskellige kemiske grundstoffer. De vigtigste krav til isotoper og følgelig varmekilder af forbindelser og legeringer fremstillet af dem er: en tilstrækkelig lang halveringstid , sikkerhed ved håndtering og drift (helst fravær af gennemtrængende stråling: hård gammastråling og neutroner ), høj smeltning punkt af legeringer og forbindelser, en stor specifik energifrigivelse, og for isotoper, der er i stand til fission, er en stor kritisk masse også mulig . Et meget vigtigt sted i valget af en fungerende isotop spilles af dannelsen af ​​en datterisotop, der er i stand til betydelig varmeafgivelse, da kæden af ​​nuklear transformation under henfald forlænges, og følgelig den samlede energi, der kan bruges, stiger. Det bedste eksempel på en isotop med en lang henfaldskæde og en energifrigivelse af en størrelsesorden større end de fleste andre isotoper er uran-232 . Dens ulempe er, at thallium-208 , som er en del af dens radioaktive serie, udsender meget hård gammastråling ( 2.614 MeV ), som er svær at afskærme. Der kendes mere end 3000 radioisotoper, men kun få er egnede til rollen som varmekilder i radioisotopgeneratorer. Isotoper, der oftest bruges til radioisotopenergikilder i dag[ hvornår? ] tid er angivet i følgende tabel:

Praktiserede radioisotop varmekilder
Isotop Få (kilde) Specifik effekt for ren isotop, W/g Volumetrisk effekt, W/cm³ Brændstoftæthed, g/cm³ Brændstofsmeltepunkt, °C Mængde brændstof, curie / W T 1/2 Integreret isotophenfaldsenergi, kWh/g Arbejdsform af isotopen
60 Co Bestråling i reaktoren 2.9 ~26 8.9 ~1480 ~390 5.271 år 193,2 Metal, legering
238 Pu bestråling af neptunium-237 i reaktoren 0,568 5.9 11.5 2400 30.3 87,7 år 608,7 PuO 2
90Sr _ fissionsfragmenter ~2,3 [1] ~9,2 (SrO) ~ 5,7
(SrTiO3 ) 		4,7 (SrO) 5,1
(SrTiO3 ) 		2430 (SrO) 2080
(SrTiO3 ) 		~60 28,8 år ~840 [1] SrO , SrTiO 3
144 Ce fissionsfragmenter 2.6 ~16 7.6 2400 128 285 dage 57.439 CEO 2
242 cm _ atomreaktor 121 1169 11,75 ~2270 27.2 162 dage 677,8 Cm2O3 _ _ _
147 kl fissionsfragmenter 0,37 1.1 6.6 2300 2700 2,64 år 12.34 Pm 2 O 3
137Cs _ fissionsfragmenter 0,27 ~0,86 fire 645 320 33 år 230,24 CsCl
210po _ vismutbestråling i reaktoren 142 1320 9.4 600 ( PbPo ) 31.2 138 dage 677,59 legeringer med Pb , Y , Au
244 cm _ atomreaktor 2.8 33,25 11,75 ~2270 29.2 18,1 år gammel 640,6 Cm2O3 _ _ _
232 U bestråling af thorium i en reaktor 8.097 [2] ~77,9 10,95 ( UO2 ) 2850 68,9 år gammel 4887.103 [2] UO 2 , UC , UN .
106 Ru fissionsfragmenter 29,8 369.818 12.41 2250 ~371,63 dage 9,854 metal, legering

Det skal bemærkes, at valget af en isotopvarmekilde primært bestemmes af rækken af ​​opgaver, som energikilden udfører, og den tid det tager at udføre disse opgaver. En stor ulempe ved radioisotoper er, at deres energifrigivelse ikke kan kontrolleres (stoppes eller accelereres), det er kun muligt at afbryde varmestrømmen fra omformerne.

Ud over uran-232 , isotoper af tunge transuran-elementer , primært plutonium-238 , curium-242 , curium-244 og andre isotoper af transuran-elementer, såsom californium-248 , californium-249 , californium - 254 einsteinium-2504. , tiltrækker interesse. , fermium-257 , såvel som en række lettere isotoper, såsom polonium-208 , polonium-209 , actinium-227 .

Forskellige nukleare isomerer og formodede nye supertunge elementer er også af teoretisk interesse .

Økonomiske karakteristika for de vigtigste generatorisotoper

Omkostnings- og produktionsdata for vigtige radioisotoper
Isotop Produktion i 1968, kW(th)/år Produktion i 1980, kW(th)/år Pris i 1959, USD/W Pris i 1968, USD/W Pris i 1980, USD/W Priser i 1975 (Oak Ridge), USD/gram
60 Co ingen data 1000 ingen data 26 ti 106
238 Pu 17 400 ingen data 1600 540 242
90Sr _ 67 850 170 tredive tyve tyve
144 Ce 800 10.000 39 19 2 halvtreds
242 cm _ 17 252
147 kl 5.5 40 710 558 220 75
137Cs _ 48 850 95 26 24 ti
210po _ fjorten ingen data ingen data 780 tyve 1010
244 cm _ 29 64 612
232 U
Udbytte af generatorisotoper produceret i atomreaktorer
Isotop Substans og masse af målet Bestrålingens varighed Neutronfluxtæthed (cm −2 s −1 ) Isotopudbytte i gram Ubrugt del af målet
60 Co Cobalt-59 (100 g) 1 år 2⋅10 13 1,6 g
238 Pu Neptunium-237 (100 g) 3 år 2⋅10 13 20 g
210po _ Bismuth-209 (1 ton) 1 år 2⋅10 13 4 g
242 cm _ Americium-241 (100 g) 1 år 2⋅10 13 6 g
232 U 2⋅10 13

Med udviklingen og væksten af ​​kerneenergi falder priserne på de vigtigste generatorisotoper hurtigt, og produktionen af ​​isotoper er hastigt stigende, hvilket forudbestemmer udvidelsen af ​​radioisotopenergi. Samtidig er prisen på isotoper opnået ved bestråling (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242 osv.) reduceret en smule, og derfor er der i mange lande med en udviklet radioisotopindustri. søges efter mere rationelle bestrålingsordninger, mål, mere grundig behandling af bestrålet brændsel. Forhåbninger om at udvide produktionen af ​​syntetiske isotoper er i vid udstrækning forbundet med væksten i den hurtige neutronreaktorsektor og den mulige fremkomst af termonukleare reaktorer. Især er det netop hurtige neutronreaktorer, der bruger betydelige mængder thorium , der gør det muligt at håbe på produktion af store kommercielle mængder uran-232. Specialister tilskriver stigningen i isotopproduktionsvolumen primært til en stigning i reaktorernes specifikke effekt, et fald i neutronlækage, en stigning i neutronfluens , en reduktion i målbestrålingstid og udviklingen af ​​kontinuerlige cyklusser til adskillelse af værdifulde isotoper [3 ] .

Med brugen af ​​isotoper er problemet med bortskaffelse af brugt nukleart brændsel stort set løst, og radioaktivt affald fra farligt affald omdannes ikke kun til en ekstra energikilde, men også til en betydelig indtægtskilde. Den næsten fuldstændige oparbejdning af bestrålet brændsel er i stand til at indbringe penge, der kan sammenlignes med omkostningerne ved energi, der genereres ved fission af uran, plutonium og andre grundstoffer.

Samlet kapacitet af fissionsprodukter produceret af atomkraftværker
År Installeret elektrisk kapacitet pr. år, MW Samlet effekt, MW Samlet reaktoreffekt, MW Total effekt β og γ af isotopstråling, 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

Ansøgninger

Radioisotop-energikilder anvendes, hvor det er nødvendigt for at sikre autonomi af udstyrets drift, betydelig pålidelighed, lav vægt og dimensioner. På nuværende tidspunkt[ hvornår? ] tid er de vigtigste anvendelsesområder rummet (satellitter, interplanetære stationer osv.), dybhavsfartøjer, fjerntliggende territorier (det fjerne nord, det åbne hav, Antarktis). For eksempel er studiet af "dybt rum" uden radioisotopgeneratorer umuligt, da niveauet af solenergi, der kan bruges ved hjælp af fotoceller , i en betydelig afstand fra Solen er forsvindende lille. For eksempel, i Saturns kredsløb, svarer belysningen fra Solen i zenit til den jordiske tusmørke. Derudover kræves der i en betydelig afstand fra Jorden meget høj effekt for at transmittere radiosignaler fra en rumsonde. Således er den eneste mulige energikilde for et rumfartøj under sådanne forhold, foruden en atomreaktor, netop en radioisotopgenerator.

Eksisterende applikationer:

Lovende anvendelsesområder:

Konstruktion

Ved design af radioisotopstrømkilder bliver ingeniører styret af de højest mulige egenskaber af materialer og dermed det bedste slutresultat. Samtidig skal der også tages hensyn til økonomiske faktorer og sekundære farer, når der skabes et design. Så for eksempel, når man bruger alfa-emitterende arbejdsisotoper med en høj specifik energifrigivelse, er det ofte nødvendigt at fortynde arbejdsisotopen for at reducere varmeafgivelsen. Forskellige metaller anvendes som fortyndingsmidler, ved anvendelse af en isotop i form af et oxid eller en anden forbindelse udføres fortynding med et passende inert oxid osv. Sekundære reaktioner af partikler udsendt af en fungerende radioisotop med et fortyndingsmateriale bør tages i betragtning; så selvom beryllium eller dets ildfaste forbindelser (oxid, carbid, borid) er praktiske som fortyndingsmiddel til beta-aktive isotoper (på grund af høj varmeledningsevne, lav densitet, høj varmekapacitet), men i kontakt med en alfa-aktiv isotop pga. til effektivitet (α, n ) -reaktioner på lette kerner, vil varmekilden blive til en meget farlig neutronkilde , hvilket er fuldstændig uacceptabelt af sikkerhedsmæssige årsager.

Når man designer beskyttende skaller mod gammastråling, er de mest foretrukne materialer primært bly (på grund af dets billighed) og forarmet uran (på grund af dets meget bedre evne til at absorbere gammastråling).

Når man laver polonium-emitterende elementer, spilles en vigtig rolle i fortynding af det faktum, at polonium , ligesom tellur , er meget flygtigt, og skabelsen af ​​en stærk kemisk forbindelse med ethvert grundstof er påkrævet. Som sådanne grundstoffer foretrækkes bly og yttrium, da de danner ildfaste og stærke polonider. Guld danner også en højteknologisk polonid . Det er økonomisk effektivt at bruge forarmet uran til beskyttelse mod gammastråling (effektiviteten af ​​absorption af gammakvanter af uran er 1,9 gange større end af bly) på grund af behovet for at assimilere store akkumulerede reserver af forarmet uran i teknologi.

Struktur- og hjælpematerialer til fremstilling af RIE

I produktionen af ​​radioisotopenergikilder anvendes forskellige struktur- og hjælpematerialer, der har specifikke fysisk-kemiske, mekaniske og nuklear-fysiske egenskaber, som gør det muligt at øge effektiviteten af ​​apparater og sikre et højt sikkerhedsniveau både under normal drift og under nødsituationer.

Regulering af driftsformer

Regulering af driften af ​​radioisotopenergikilder giver visse vanskeligheder på grund af det faktum, at selve kilden (radioisotop) har faste varmeafgivelsesparametre, som moderne teknologi ikke er i stand til at påvirke (accelerere eller bremse). Samtidig kan parametrene for den genererede elektricitet (såvel som trykket af arbejdsgasserne eller væskerne) justeres. På nuværende tidspunkt[ hvornår? ] tid, er alle metoder til regulering af radioisotopenergikilder reduceret til følgende:

Historien om radioisotopgeneratorer og batterier

Historisk set blev den første radioisotopkilde til elektrisk energi (Beta Cell) skabt og præsenteret af den britiske fysiker G. Moseley i 1913 . Det var (ifølge moderne klassifikation) et atomart element - en glaskugle, forsølvet indefra, i hvis centrum en radiumkilde til ioniserende stråling var placeret på en isoleret elektrode. Elektroner udsendt af beta-henfald skabte en potentialforskel mellem glaskuglens sølvlag og radiumsaltelektroden.

De første praktiske radioisotopgeneratorer dukkede op i midten af ​​det 20. århundrede i USSR og USA i forbindelse med udforskningen af ​​det ydre rum og fremkomsten af ​​et tilstrækkeligt stort antal fissionsfragmenter af atombrændsel (hvoraf mængden de nødvendige isotoper opnås ved radiokemiske behandlingsmetoder).

En af de tungtvejende begrundelser for anvendelsen af ​​radioisotopenergikilder er en række fordele i forhold til andre energikilder (stort set vedligeholdelsesfri, kompakthed osv.), og den afgørende årsag var isotopers enorme energiintensitet. I praksis, hvad angår masse og volumetrisk energiintensitet, er henfaldet af de anvendte isotoper kun næst efter spaltningen af ​​uran , plutonium og andre kerner med 4-50 gange og overgår kemiske kilder ( akkumulatorer , brændselsceller osv.). ) titusindvis og hundredtusindvis af gange.

Job i USA

I 1956 opstod et program kaldet SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power - auxiliary nuclear power plants) i USA . Programmet er designet til at imødekomme behovet for en pålidelig strømkilde uden for nettet, der kan bruges fjerntliggende steder i en betydelig mængde tid uden vedligeholdelse. Succesen med dette program var fremkomsten af ​​sådanne kilder på Transit-satellitterne (SNAP-11), den amerikanske antarktiske station og Arctic Weather Bureau (SNAP-7-D, SNAP-7-E, SNAP-10-A) . Generatorer SNAP-1A, SNAP-2, SNAP-3, SNAP-3A1 (1969), SNAP-8, NAP-100 (1959), SNAP-50 blev skabt ved hjælp af Rankine damp-kviksølv-cyklus ( turbogenerator ).

Amerikanske radioisotopgeneratorer: 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 Radioisotope Generator (SRG) osv.

På nuværende tidspunkt[ hvornår? ] gang i USA, blev afdelingen for radioisotopenergisystemer dannet ved det amerikanske energiministerium, og dermed skilte radioisotopenergi sig ud og blev et selvstændigt energiområde.

Arbejder i USSR og Rusland

På det sovjetiske rumfartøj " Cosmos-84 ", " Cosmos-90 " (1965) blev radioisotopgeneratorer "Orion-1" og "11K" baseret på polonium-210 brugt . Den samme isotop (i sammensætningen af ​​yttriumpolonid ) var grundlaget for B3-P70-4 radioisotopvarmekilderne med en initial termisk effekt på 150-170 W på Lunokhod-1 (1970) og Lunokhod-2 (1973) apparaterne [4] .

Russiske radioisotopgeneratorer:

Andre lande

Engelske radioisotopgeneratorer:

Måder at udvikle og øge effektiviteten

Radioisotoper opnået af industrien er ret dyre; desuden produceres nogle af dem stadig i meget små mængder på grund af vanskelighederne med at opnå, adskille og akkumulere. Først og fremmest gælder dette de vigtigste isotoper: plutonium-238, curium-242 og uranium-232, som de mest lovende, teknologisk avancerede og opfylder de vigtigste opgaver, der er tildelt radioisotopenergikilder. I denne henseende er der i store lande med udviklet atomenergi og komplekser til behandling af bestrålet brændsel programmer til akkumulering og adskillelse af plutonium [6] og Californien, såvel som faciliteter og grupper af specialister, der arbejder i disse programmer [7 ] .

Forbedring af effektiviteten af ​​radioisotopgeneratorer går i tre retninger:

Arbejdssikkerhed, sundhed og miljøegenskaber. Bortskaffelse af generatorer

De radioaktive materialer, der anvendes i radioisotopenergikilder, er meget farlige stoffer, når de frigives til det menneskelige miljø. De har to skadelige faktorer: varmeafgivelse, som kan føre til forbrændinger, og radioaktiv stråling. Nedenfor er en række anvendte i praksis, samt lovende isotoper, mens der sammen med halveringstiden er angivet deres strålingstyper, energi og specifikke energiintensitet.

Strålingsenergier og halveringstid for anvendte og potentielle radioisotopvarmekilder:
Isotop Halveringstid T 1/2 Integreret isotophenfaldsenergi, kWh/g Gennemsnitlig energi af β- partikler, MeV Energi af α- partikler, MeV Energi af y -kvanter, MeV
60Co _ 5,27 år 193,2 0,31 (99,9%); 1,48 (0,1 %) 1,17 + 1,33
238 Pu 87,74 år gammel 608,7 5,5 (71%); 5,46 (29 %)
90Sr _ 28,8 år ~840 [1] 0,546 + 2,28 [1]
144 Ce 284,9 dage 57.439 0,31
242 cm _ 162,8 dage 677,8 6,11 (74%); 6,07 (26 %)
147 kl 2,6234 år 12.34 0,224
137Cs _ 30,17 år gammel 230,24 0,512 (94,6%); 1,174 (5,4 %) 0,662 (80 %)
210po _ 138.376 dage 677,59 5.305 (100 %)
244 cm _ 18,1 år gammel 640,6 5,8 (77%); 5,76 (23 %)
208po _ 2.898 år 659.561 5.115 (99 %)
232 U ~68,9 år 4887.103 [2] 5,32 (69%); 5,26 (31 %)
248 jfr 333,5 dage 6,27 (82%); 6,22 (18 %)
250 jfr 13,08 år 6,03 (85%); 5,99 (15 %)
254 Es 275,7 dage 678.933 6,43 (93 %) 0,27-0,31 (0,22%); 0,063 (2 %)
257 fm 100,5 dage 680.493 6,52 (99,79 %)
209po _ 102 år gammel 626.472 4.881 (99,74 %) 0,4 (0,261 %)
227ac _ 21.773 år 13.427??? 0,046 (98,62 %) 4,95 (1,38 %)
148 Gd 93 år gammel 576.816 3.183 (100 %)
106 Ru 371,63 dage 9,864 0,039 (100 %)
170 Tm 128,6 dage 153.044 0,97 (~99 %) 0,084 (~1 %)
194m Ir 171 dage 317.979 2,3 (100 %) 0,15; 0,32; 0,63
241 om morgenen 432,5 år ~610 5,49 (85%); 5,44 (15 %)
154 Eu 8,8 år 1,85 (10%); 0,87 (90 %) 0,123; 0,724; 0,876; en; 1,278

De vigtigste farer forbundet med brugen af ​​radioisotopenergikilder er [8] :

Foranstaltninger til at imødegå forekomsten af ​​farer og ulykker:

Ulykker

Her er nogle eksempler på hændelser, hvor radioisotopstrømkilder er blevet ødelagt eller kan blive ødelagt, frigive radionuklider i miljøet eller resultere i eksponering af mennesker.

Producenter og leverandører

Noter

  1. ↑ 1 2 3 4 Under hensyntagen til den kortlivede ( T 1/2 = 64 timer) datterisotop af yttrium-90 .
  2. ↑ 1 2 3 Under hensyntagen til den fuldstændige henfaldskæde af kortlivede datterisotoper
  3. ↑ Pentagon havde ikke nok russisk plutonium. Amerika indsætter sin egen produktion af atomkraftværker Arkiveret 17. april 2021 på Wayback Machine // Lenta.ru
  4. ↑ 1 2 Radioisotop varmekilder // Sarov ( kopi )
  5. ↑ APPENDIKS 6. RADIOISOTOP TERMOELEKTRISKE GENERATORER // Sarov ( kopi )
  6. ↑ [1]  (utilgængeligt link siden 13-01-2014 [3209 dage])
  7. ↑ USA genoptager produktionen af ​​plutonium 238 Arkiveret 14. januar 2014 på Wayback Machine 28. juni 2005
  8. ↑ 1 2 RITEGI. Ulykker i den nordlige flåde Arkiveret 27. februar 2007 ved Wayback Machine // Bellona, ​​Rashid Alimov, 17/ 11-2003
  9. ↑ Radioaktivitet i havmiljøet - Google Bøger . Hentet 16. oktober 2017. Arkiveret fra originalen 11. september 2020.
  10. ↑ Arthur W. Fihelly, Herbert N. Berkow og Charles F. Baxter. SNAP-19/NIMBUS B INTEGRATION ERFARING Arkiveret 16. februar 2017 på Wayback Machine . NASA, Goddard Space Flight Center, august 1968.
  11. ↑ 1 2 Ulykker med rumobjekter med atomkraftværker . Hentet 17. marts 2013. Arkiveret fra originalen 31. marts 2012.
  12. ↑ Strålingsulykke i Murmansk-regionen - tyve demonterede RITEG'er, bestrålet til døde. Arkiveret 17. oktober 2017 på Wayback Machine af REGNUM. 17. november 2003.

Litteratur

Links

  Gå til Wikidata-elementet  I bibliografiske kataloger
 Kolonisering af rummet
Kolonisering
af solsystemet		 Kolonisering af rummet
Terraformning
Kolonisering uden
for solsystemet
Rumbebyggelser
Ressourcer og energi