Radioisotop energikällor

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 23 februari 2021; kontroller kräver 4 redigeringar .

Radioisotopenergikällor  är enheter av olika design som använder energin som frigörs under radioaktivt sönderfall för att värma kylvätskan eller omvandla den till elektricitet .

En radioisotopenergikälla skiljer sig fundamentalt från en kärnreaktor genom att den inte använder en kontrollerad kärnkedjereaktion , utan energin från det naturliga sönderfallet av radioaktiva isotoper .

Typer och typer av generatorer och element

Radioisotopkraftkällor är indelade i:

Använda isotoper (bränsle) och krav för det

Värmekällan eller bränslet för radioisotopströmkällor är ganska kortlivade radioaktiva isotoper av olika kemiska grundämnen. Huvudkraven för isotoper och följaktligen för värmekällor av föreningar och legeringar gjorda av dem är: en tillräckligt lång halveringstid , säkerhet vid hantering och drift (helst frånvaron av penetrerande strålning: hård gammastrålning och neutroner ), hög smältning punkt av legeringar och föreningar, en stor specifik energifrisättning, och för isotoper kapabla till klyvning är en stor kritisk massa också möjlig . En mycket viktig plats i valet av en fungerande isotop spelas av bildandet av en dotterisotop som kan frigöra betydande värme, eftersom kedjan av kärnomvandling under sönderfallet förlängs och följaktligen den totala energin som kan användas ökar. Det bästa exemplet på en isotop med en lång sönderfallskedja och en energi som frigör en storleksordning större än de flesta andra isotoper är uran-232 . Dess nackdel är att tallium-208 , som ingår i dess radioaktiva serie, avger mycket hård gammastrålning ( 2,614 MeV ), som är svår att skärma. Mer än 3000 radioisotoper är kända, men endast ett fåtal är lämpliga för rollen som värmekällor i radioisotopgeneratorer. Isotoper som är vanligast för radioisotopenergikällor idag[ när? ] tid listas i följande tabell:

Praktiserade radioisotopvärmekällor
Isotop Få (källa) Specifik effekt för ren isotop, W/g Volumetrisk effekt, W/cm³ Bränsledensitet, g/cm³ Bränslets smältpunkt, °C Mängd bränsle, curie / W T 1/2 Integrerad isotopsönderfallsenergi, kWh/g Arbetsform för isotopen
60 Co Bestrålning i reaktorn 2.9 ~26 8.9 ~1480 ~390 5.271 år 193,2 Metall, legering
238 Pu bestrålning av neptunium-237 i reaktorn 0,568 5.9 11.5 2400 30.3 87,7 år 608,7 PuO 2
90Sr _ fissionsfragment ~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 fissionsfragment 2.6 ~16 7.6 2400 128 285 dagar 57,439 VD 2
242 cm _ atomreaktor 121 1169 11.75 ~2270 27.2 162 dagar 677,8 Cm2O3 _ _ _
147 pm fissionsfragment 0,37 1.1 6.6 2300 2700 2,64 år 12.34 Pm 2 O 3
137Cs _ fissionsfragment 0,27 ~0,86 fyra 645 320 33 år 230,24 CsCl
210po _ vismutbestrålning i reaktorn 142 1320 9.4 600 ( PbPo ) 31.2 138 dagar 677,59 legeringar med Pb , Y , Au
244 cm _ atomreaktor 2.8 33,25 11.75 ~2270 29.2 18,1 år gammal 640,6 Cm2O3 _ _ _
232 U bestrålning av torium i en reaktor 8 097 [2] ~77,9 10,95 ( UO2 ) 2850 68,9 år gammal 4887.103 [2] UO 2 , UC , UN .
106 Ru fissionsfragment 29,8 369,818 12.41 2250 ~371,63 dagar 9,854 metall, legering

Det bör noteras att valet av en isotopvärmekälla i första hand bestäms av omfattningen av uppgifter som utförs av energikällan och den tid det tar att utföra dessa uppgifter. En stor nackdel med radioisotoper är det faktum att deras energiutsläpp inte kan kontrolleras (stoppas eller accelereras), det är bara möjligt att stänga av värmeflödet från omvandlarna.

Förutom uran-232 , isotoper av tunga transuranelement , främst plutonium-238 , curium-242 , curium-244 , och andra isotoper av transuranelement, såsom californium-248 , californium-249 , californium-25 , einsteinium-2504. , lockar intresse. , fermium-257 , såväl som ett antal lättare isotoper, såsom polonium-208 , polonium-209 , actinium-227 .

Olika nukleära isomerer och förmodade nya supertunga element är också av teoretiskt intresse .

Ekonomiska egenskaper hos de viktigaste generatorisotoperna

Kostnads- och produktionsdata för viktiga radioisotoper
Isotop Tillverkning 1968, kW(th)/år Tillverkning 1980, kW(th)/år Kostnad 1959, USD/W Kostnad 1968, USD/W Kostnad 1980, USD/W Priser 1975 (Oak Ridge), USD/gram
60 Co inga data 1000 inga data 26 tio 106
238 Pu 17 400 inga data 1600 540 242
90Sr _ 67 850 170 trettio tjugo tjugo
144 Ce 800 10 000 39 19 2 femtio
242 cm _ 17 252
147 pm 5.5 40 710 558 220 75
137Cs _ 48 850 95 26 24 tio
210po _ fjorton inga data inga data 780 tjugo 1010
244 cm _ 29 64 612
232 U
Utbyte av generatorisotoper producerade i kärnreaktorer
Isotop Ämne och massa av målet Bestrålningens varaktighet Neutronflödestäthet (cm −2 s −1 ) Isotoputbyte i gram Oanvänd del av 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 _ Vismut-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 utvecklingen och tillväxten av kärnenergi faller priserna på de viktigaste generatorisotoperna snabbt, och produktionen av isotoper ökar snabbt, vilket förutbestämmer expansionen av radioisotopenergi. Samtidigt minskar kostnaden för isotoper som erhålls genom bestrålning (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242, etc.) något, och därför finns det sätt i många länder med en utvecklad radioisotopindustri. eftersträvas för mer rationella bestrålningssystem, mål, mer grundlig bearbetning av bestrålat bränsle. Till stor del är förhoppningar om att utöka produktionen av syntetiska isotoper förknippade med tillväxten av sektorn för snabba neutronreaktorer och det möjliga utseendet av termonukleära reaktorer. I synnerhet är det just snabba neutronreaktorer som använder betydande mängder torium som gör det möjligt att hoppas på produktion av stora kommersiella mängder uran-232. Specialister tillskriver ökningen av isotopproduktionsvolymerna främst en ökning av reaktorernas specifika effekt, ett minskat neutronläckage, en ökning av neutronfluensen , en minskning av målbestrålningstiden och utvecklingen av kontinuerliga cykler för att separera värdefulla isotoper [3 ] .

Med användning av isotoper är problemet med slutförvaring av använt kärnbränsle till stor del löst, och radioaktivt avfall från farligt avfall omvandlas inte bara till en extra energikälla utan också till en betydande inkomstkälla. Den nästan fullständiga upparbetningen av bestrålat bränsle kan inbringa pengar som är jämförbara med kostnaden för energi som genereras vid klyvning av uran, plutonium och andra grundämnen.

Total kapacitet för klyvningsprodukter som produceras av kärnkraftverk
År Installerad elkapacitet per år, MW Total effekt, MW Total reaktoreffekt, MW Total effekt β och γ för isotopstrålning, 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

Applikationer

Radioisotopenergikällor används där det är nödvändigt för att säkerställa utrustningens autonomi, betydande tillförlitlighet, låg vikt och dimensioner. För närvarande[ när? ] tid är de huvudsakliga användningsområdena rymden (satelliter, interplanetära stationer etc.), djuphavsfarkoster, avlägsna territorier (längst norrut, öppet hav, Antarktis). Till exempel är studiet av "djupa rymden" utan radioisotopgeneratorer omöjligt, eftersom på ett betydande avstånd från solen är nivån av solenergi som kan användas med hjälp av fotoceller försvinnande liten. Till exempel, i Saturnus omloppsbana, motsvarar solens belysning i zenit den terrestra skymningen. Dessutom, på ett betydande avstånd från jorden , krävs mycket hög effekt för att sända radiosignaler från en rymdsond. Den enda möjliga energikällan för en rymdfarkost under sådana förhållanden, förutom en kärnreaktor, är alltså just en radioisotopgenerator.

Befintliga applikationer:

Lovande användningsområden:

Konstruktion

Vid design av radioisotopkraftkällor vägleds ingenjörer av högsta möjliga materialegenskaper och följaktligen det bästa slutresultatet. Samtidigt måste även ekonomiska faktorer och sekundära faror beaktas när man skapar en design. Så, till exempel, när man använder alfa-emitterande arbetsisotoper med en hög specifik energifrisättning, är det ofta nödvändigt att späda ut arbetsisotopen för att minska värmeavgivningen. Olika metaller används som utspädningsmedel, vid användning av en isotop i form av en oxid eller annan förening, spädning utförs med en lämplig inert oxid etc. Sekundära reaktioner av partiklar som emitteras av en fungerande radioisotop med ett utspädningsmaterial bör beaktas; så även om beryllium eller dess eldfasta föreningar (oxid, karbid, borid) är lämpliga som spädningsmedel för beta-aktiva isotoper (på grund av hög värmeledningsförmåga, låg densitet, hög värmekapacitet), men i kontakt med en alfa-aktiv isotop pga. till effektivitet (α, n ) -reaktioner på lätta kärnor kommer värmekällan att förvandlas till en mycket farlig neutronkälla , vilket är helt oacceptabelt av säkerhetsskäl.

När man designar skyddande skal från gammastrålning är de mest föredragna materialen i första hand bly (på grund av dess billighet) och utarmat uran (på grund av dess mycket bättre förmåga att absorbera gammastrålning).

När man skapar poloniumemitterande element spelas en viktig roll i utspädningen av det faktum att polonium , liksom tellur , är mycket flyktigt, och skapandet av en stark kemisk förening med vilket element som helst. Som sådana grundämnen är bly och yttrium att föredra, eftersom de bildar eldfasta och starka polonider. Guld bildar också en högteknologisk polonid . Det är ekonomiskt effektivt att använda utarmat uran för att skydda mot gammastrålning (effektiviteten för absorption av gammakvanta av uran är 1,9 gånger högre än med bly) på grund av behovet av att assimilera stora ackumulerade reserver av utarmat uran i tekniken.

Struktur- och hjälpmaterial för tillverkning av RIE

Vid produktion av radioisotopenergikällor används olika struktur- och hjälpmaterial som har specifika fysikalisk-kemiska, mekaniska och nukleärfysikaliska egenskaper, vilket gör det möjligt att öka effektiviteten hos enheter och säkerställa en hög säkerhetsnivå både under normal drift och under nödsituationer.

Reglering av driftlägen

Reglering av driften av radioisotopenergikällor ger vissa svårigheter, på grund av att själva källan (radioisotop) har fasta parametrar för värmeavgivning, som modern teknik inte kan påverka (accelerera eller bromsa). Samtidigt kan parametrarna för den genererade elektriciteten (liksom trycket hos arbetsgaserna eller vätskorna) justeras. För närvarande[ när? ] tid reduceras alla metoder för reglering av radioisotopenergikällor till följande:

Historien om radioisotopgeneratorer och batterier

Historiskt sett skapades och presenterades den första radioisotopkällan för elektrisk energi (Beta Cell) av den brittiske fysikern G. Moseley 1913 . Det var (enligt modern klassificering) ett atomiskt element - en glaskula, silverpläterad från insidan, i mitten av vilken en radiumkälla för joniserande strålning var belägen på en isolerad elektrod. Elektroner som emitteras av beta-sönderfall skapade en potentialskillnad mellan silverskiktet i glassfären och radiumsaltelektroden.

De första praktiska radioisotopgeneratorerna dök upp i mitten av 1900-talet i Sovjetunionen och USA , i samband med utforskningen av yttre rymden och uppkomsten av ett tillräckligt stort antal klyvningsfragment av kärnbränsle (från den mängd som den nödvändiga isotoper erhålls genom radiokemiska bearbetningsmetoder).

En av de tungt vägande skälen för användningen av radioisotopenergikällor är ett antal fördelar gentemot andra energikällor (nästan underhållsfria, kompakta etc.), och den avgörande orsaken var isotopers enorma energiintensitet. I praktiken, när det gäller massa och volymetrisk energiintensitet, är sönderfallet av de använda isotoperna näst efter klyvningen av uran , plutonium och andra kärnor med 4–50 gånger, och överträffar kemiska källor ( ackumulatorer , bränsleceller , etc.). ) tiotals och hundratusentals gånger.

Jobb i USA

1956 uppstod ett program som heter SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power - auxiliary nuclear power plants) i USA . Programmet har utformats för att möta behovet av en pålitlig strömkälla utanför nätet som kan användas på avlägsna platser under en betydande tid utan underhåll. Framgången för detta program var uppkomsten av sådana källor på Transit-satelliterna (SNAP-11), American Antarctic Station och Arctic Weather Bureau (SNAP-7-D, SNAP-7-E, SNAP-10-A) . Generatorerna SNAP-1A, SNAP-2, SNAP-3, SNAP-3A1 (1969), SNAP-8, NAP-100 (1959), SNAP-50 skapades med Rankine-ång-kvicksilvercykeln ( turbogenerator ).

Amerikanska 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), etc.

För närvarande[ när? ] tid i USA bildades avdelningen för radioisotopenergisystem vid US Department of Energy, och därmed stack radioisotopenergi ut och blev ett självständigt energiområde.

Arbetar i Sovjetunionen och Ryssland

På de sovjetiska rymdfarkosterna " Cosmos-84 ", " Cosmos-90 " (1965), användes radioisotopgeneratorer "Orion-1" och "11K" baserade på polonium-210 . Samma isotop (i sammansättningen av yttriumpolonid ) var grunden för B3-P70-4 radioisotopvärmekällor med en initial termisk effekt på 150-170 W på Lunokhod-1 (1970) och Lunokhod-2 (1973) apparater [4] .

Ryska radioisotopgeneratorer:

Andra länder

Engelska radioisotopgeneratorer:

Sätt att utveckla och öka effektiviteten

Radioisotoper erhållna av industrin är ganska dyra; dessutom produceras en del av dem fortfarande i mycket små kvantiteter på grund av svårigheterna att erhålla, separera och ackumulera. Först och främst gäller detta de viktigaste isotoperna: plutonium-238, curium-242 och uran-232, som de mest lovande, tekniskt avancerade och som uppfyller huvuduppsättningen av uppgifter som tilldelats radioisotopenergikällor. I detta avseende finns det i stora länder med utvecklad kärnenergi och komplex för bearbetning av bestrålat bränsle program för ackumulering och separation av plutonium [6] och Kalifornien, såväl som anläggningar och grupper av specialister som arbetar i dessa program [7 ] .

Att förbättra effektiviteten hos radioisotopgeneratorer går i tre riktningar:

Arbetarskydd, hälsa och miljöegenskaper. Avfallshantering av generatorer

De radioaktiva materialen som används i radioisotopenergikällor är mycket farliga ämnen när de släpps ut i den mänskliga miljön. De har två skadliga faktorer: värmeavgivning, vilket kan leda till brännskador, och radioaktiv strålning. Nedan finns ett antal använda i praktiken, såväl som lovande isotoper, medan tillsammans med halveringstiden anges deras typer av strålning, energi och specifik energiintensitet.

Strålningsenergier och halveringstid för applicerade och potentiella radioisotopvärmekällor:
Isotop Halveringstid T 1/2 Integrerad isotopsönderfallsenergi, kWh/g Medelenergi för β -partiklar, MeV Energi för α -partiklar, MeV Energi för y -kvanta, MeV
60Co _ 5,27 år 193,2 0,31 (99,9%); 1,48 (0,1 %) 1,17 + 1,33
238 Pu 87,74 år gammal 608,7 5,5 (71%); 5,46 (29 %)
90Sr _ 28,8 år ~840 [1] 0,546 + 2,28 [1]
144 Ce 284,9 dagar 57,439 0,31
242 cm _ 162,8 dagar 677,8 6,11 (74%); 6,07 (26 %)
147 pm 2,6234 år 12.34 0,224
137Cs _ 30,17 år gammal 230,24 0,512 (94,6%); 1,174 (5,4 %) 0,662 (80 %)
210po _ 138.376 dagar 677,59 5,305 (100 %)
244 cm _ 18,1 år gammal 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 dagar 6,27 (82%); 6,22 (18 %)
250 jfr 13,08 år 6,03 (85%); 5,99 (15 %)
254 Es 275,7 dagar 678,933 6,43 (93 %) 0,27-0,31 (0,22%); 0,063 (2 %)
257 fm 100,5 dagar 680,493 6,52 (99,79 %)
209po _ 102 år gammal 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 gammal 576,816 3,183 (100 %)
106 Ru 371,63 dagar 9,864 0,039 (100 %)
170 Tm 128,6 dagar 153,044 0,97 (~99 %) 0,084 (~1 %)
194m Ir 171 dagar 317,979 2,3 (100 %) 0,15; 0,32; 0,63
241 på morgonen 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; ett; 1,278

De största farorna som är förknippade med användningen av radioisotopenergikällor är [8] :

Åtgärder för att motverka uppkomsten av faror och olyckor:

Olyckor

Här är några exempel på incidenter där radioisotopkraftkällor har förstörts eller kan förstöras, släpper ut radionuklider i miljön eller leder till exponering för människor.

Tillverkare och leverantörer

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 3 4 Med hänsyn till den kortlivade ( T 1/2 = 64 timmar) dotterisotopen av yttrium-90 .
  2. ↑ 1 2 3 Med hänsyn till den fullständiga sönderfallskedjan av kortlivade dotterisotoper
  3. ↑ Pentagon hade inte tillräckligt med ryskt plutonium. Amerika distribuerar sin egen produktion av kärnkraftverk Arkiverad 17 april 2021 på Wayback Machine // Lenta.ru
  4. ↑ 1 2 Radioisotopvärmekällor // Sarov ( kopia )
  5. ↑ BILAGA 6. RADIOISOTOPTERMOELEKTRISKA GENERATORER // Sarov ( kopia )
  6. ↑ [1]  (otillgänglig länk sedan 2014-01-13 [3209 dagar])
  7. ↑ USA återupptar produktionen av plutonium 238 Arkiverad 14 januari 2014 på Wayback Machine 28 juni 2005
  8. ↑ 1 2 RITEGI. Olyckor i den norra flottan Arkiverade 27 februari 2007 vid Wayback Machine // Bellona, ​​Rashid Alimov, 17/ 11-2003
  9. ↑ Radioaktivitet i den marina miljön - Google Books . Hämtad 16 oktober 2017. Arkiverad från originalet 11 september 2020.
  10. ↑ Arthur W. Fihelly, Herbert N. Berkow och Charles F. Baxter. SNAP-19/NIMBUS B INTEGRATIONSUPPLEVELSE Arkiverad 16 februari 2017 på Wayback Machine . NASA, Goddard Space Flight Center, augusti 1968.
  11. ↑ 1 2 Olyckor av rymdobjekt med kärnkraftverk . Hämtad 17 mars 2013. Arkiverad från originalet 31 mars 2012.
  12. ↑ Strålningsolycka i Murmansk-regionen - tjuvar demonterade RITEGs, bestrålade till döds. Arkiverad 17 oktober 2017 på Wayback Machine av REGNUM. 17 november 2003.

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  I bibliografiska kataloger
 Rymdkolonisering
Kolonisering
av solsystemet		 Rymdkolonisering
Terraformning
Kolonisering utanför
solsystemet
Rymdbosättningar
Resurser och energi