Изотопная энергетика

 

В радиоактивном распаде ядер испускаются заряженные частицы и g-кванты. Торможение заряженных частиц и поглощение g-квантов в веществе сопровождаются выделением тепла. Радиоактивные вещества, служащие источниками тепла, называют радиоизотопным топливом. Его используют в радиоизотопных ТЭГ.

Главными частями генератора являются радиоизотопный блок (ампула с радиоизотопным топливом), термобатарея, теплоизоляция, конструкционные связи и холодильник. На поверхности радиоизотопного блока расположены термобатарея и конструкционные связи, остальная поверхность радиоизотопного блока покрыта теплоизоляцией.

Поток тепла с поверхности радиоизотопного блока падает на термобатарею, в которой часть его расходуется на получение электроэнергии. Часть тепла передается через конструкционные связи к холодильнику с оребренной внешней поверхностью и сбрасывается в окружающее пространство.

Радиоизотопное топливо – это металл или химическое соединение с высокой удельной мощностью (энергия, выделяющаяся в единице массы или единице объема за 1 с), высокой теплопроводностью и минимальной температурой плавления (500 °С). К радиоизотопному топливу и конструкционным материалам предъявляются строгие требования. Они связаны как с уменьшением габарита и массы генератора, так и с радиационной безопасностью после аварийных ситуаций, при транспортировке и во время эксплуатации генератора.

Радиоактивный металл не всегда приемлем как топливо вследствие своей токсичности, химической активности с воздухом, водой и с материалами ампулы, низкой температуры плавления. Чаще используют химические соединения металлов, например, титанат стронция SrTiO3, молибденат церия Ce2(MoO4)3.

Термобатарея представляет собой ряд термопар, спаянных последовательно. Спай термопар, на который падает тепловой поток из радиоизотопного блока, называют горячим, второй спай термопар – холодным. Термопара состоит из двух полупроводниковых ветвей. Одну ветвь изготавливают из полупроводника с электронной проводимостью (n-полупроводника), другую – из полупроводника с дырочной проводимостью (p-полупроводника).

В термобатарее расходуется тепло на образование свободных электронов (n-полупроводник) и положительных ионов (p-полупроводник), причем количество зарядов увеличивается при повышении температуры. Так как температура горячего спая больше температуры холодного спая, то распределение зарядов по ветвям неравномерно и в термобатарее возникает электродвижущая сила. Наиболее приемлемы для изготовления термопар твердые растворы Bi2Te3–SbTe3 и Bi2Te3–Bi2Se3 (рабочий интервал температур 200 - 600 К), сплавы Pb–Te (600 – 1000 К) и Si–Ge (900 – 1300 К).

Главные характеристики генератора – электрическая мощность Рэ, срок службы tг, выходное напряжение U и коэффициент полезного действия h. Мощность Рэ(t) изменяется пропорционально активности радиоизотопного топлива. Срок службы tг у различных генераторов имеет пределы от 0,2Т1/2 до Т1/2. Период полураспада Т1/2 обычно составляет от 100 дней до 100 лет.

Напряжение пропорционально температурному перепаду Dt = t1 – t2 и количеству термопар в термобатарее. Коэффициент полезного действия зависит от температурного перепада температуры горячего спая и свойств полупроводниковых ветвей. Электрическая мощность действующих генераторов серии «Бета», «Эфир», «Пингвин» (РФ), SNAP-7 (США) и других достигает 100 Вт, напряжение на клеммах генераторов – 4 - 12 В, а значение h не превышает 10 %.

В ноябре 1969 г. во время своего пребывания на Луне экспедиция «Аполлон-12» оставила там комплекс научной аппаратуры для измерения магнитных полей, пыли, солнечного ветра, ионных потоков и сейсмической активности. Комплекс питался электроэнергией от источника мощностью 74 Вт, работавшего на изотопе Ри-239. При этом требовалась тепловая мощность 1480 Вт, соответствующая активности 500 Ки. Для этого требовалось около 2,6 кг Ри-239.

На рисунке 9.6. схематически показано устройство изотопного генератора электроэнергии. Между стержнем из двуокиси плутония и оболочкой из берилия расположено 442 свинцово-теллуровых термоэлемнта, соединеных так, что генерируется мощность 74 Вт при напряжении 16В, К.П.Д. составляет около 5 %. Рабочая температура изотопного соединения – 7320С. Термоэлементы работают между температурами 593 и 274оС. Масса генератора равна 20,2 кг. Масса аккумуляторных батарей, обеспечивающих ту же мощность, составила бы 1812 кг. Источник обеспечивал выработку электроэнергии при колебаниях температур на Луне от–138 до+120 ОС. В полете изотоп транспортировался в специально контейнере, рассчитанном на сильный удар и перегрев. Такие меры были необходимы на случай, если экспедиция была бы прервана и вся аппаратура возвращалась бы на Землю. Подобный изотопный генератор мог быть использован для снабжения электроэнергией бортовой аппаратуры автоматической межпланетной станции в полетах на Юпитер и Марс. Срок его действия мог быть около двух лет.

 


 

Рис. 9.6. Изотопный генератор электроэнергии (SNAP-27, применявшийся в экспедиции «Аполлон-12»): 1 – стержень-капсула с радиоизотопом; 2 – внешняя оболочка; 3 – теплоотводящие ребра; 4 – термопары

 

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы служат источниками питания автоматических радиометеорологических станций, светорадиомаяков, бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли и т. д. Малогабаритные генераторы находят применение в медицине, например, для питания стимуляторов сердца.






Дата добавления: 2016-10-07; просмотров: 1283; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2020 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.02 сек.