книги из ГПНТБ / Поздняков, Б. С. Термоэлектрическая энергетика

где р — удельная мощность, вт/г; Еср — средняя энергия, погло­ щенная в топливе, Мэе; Т 1/2 — период полураспада, годы; А — атомная масса, г/моль; X — постоянная распада (Х= 0,693/7"i/2); t —- время, годы.

Уравнение (7.1) справедливо только для чистого изотопа, не содержащего каких-либо примесей или разбавителей. Для исполь­ зования в термоэлектрическом генераторе наиболее подходящим был бы изотоп, обладающий длительным периодом полураспада и высо­ кой удельной мощностью. Однако, как видно из уравнения (7.1), эти величины обратно пропорциональны.

Радиоактивный изотоп, обладающий удельной мощностью 0,1 вт/г и выше, можно рассматривать как пригодный для изотоп­

ных генераторов. В случае применения изотопов с более низким значением удельной мощности потребуются значительные объемы топлива, что приведет к существенному увеличению веса защиты и снижению к. п. д. генератора.

Уровень кинетической энергии излучения — важный критерий пригодности радиоактивного изотопа, поскольку степень нагрева топлива зависит от величины этой энергии. Максимальная энергия у а-излучателей, отобранных на основе критерия периода полурас­ пада, находится в интервале 4—7 Мэе, а у |3-излучателей — в ин­ тервале 0,2—3 Мэе. Низкий уровень кинетической энергии излу­

чения может исключить изотоп из числа пригодных, несмотря на приемлемый период полураспада. Например, период полураспада трития составляет 12,26 лет, но из-за низкой энергии (3-частиц (максимальная энергия 0,018 Мэе) он не может быть использован

как источник тепла. Характеристики радиоактивных изотопов, по­ тенциально пригодных для термоэлектрических генераторов, при­ ведены в табл. 7.1. Однако вышеуказанные ограничения недоста­ точны для практических целей. Необходимо также учитывать фи­ зико-химические и технические характеристики радиоизотопного топлива (табл. 7.2). Топливо должно обладать высокой химической стабильностью и достаточно хорошими технологическими свойст­ вами при высоких температурах (от 500 до 1600° С). К таким свой­ ствам относятся температура плавления, газовыделения (образо­ вание гелия в а-излучателях), теплопроводность и плотность.

Некоторые радиоактивные изотопы имеют очень высокую удель­ ную мощность, затрудняющую их химическую обработку и равно­ мерный подвод тепла к системе преобразования. К таким изотопам относится кюрий-242, излучение которого настолько интенсивно, что окисление происходит при любых химических процессах обра­ ботки, а заготовка из металлического кюрия весом 1 г находится

в раскаленном состоянии в результате радиоактивного нагрева (удельная мощность 121 вт/г). Поэтому при использовании кю-

рия-242 в качестве топлива его необходимо разбавлять другими металлами с хорошей теплопроводностью.

Топливо должно использоваться в виде соединения, обладаю­ щего хорошей коррозионной стойкостью, совместимостью с конст-

146

Т а б л и ц а 7.1

* С о с т а в п о с л е г о д а р а с п а д а ,

рукционными материалами и стабильностью во времени. Оно долж­ но быть нерастворимо в пресной и морской воде, чтобы в случае аварии, например космического генератора, избежать попадания радиоактивности в биосферу. В большинстве генераторов назем­ ного и подводного применения используется стронций-90. Этот изотоп, хорошо растворяясь в воде и являясь одним из наибо­ лее опасных радиоактивных веществ, может быть применен только

ввиде инертного и стабильного соединения. Результаты иссле­ дований таких нерастворимых соединений стронция, как бораты, цирконаты и титанаты, показали, что наименьшей растворимостью

вморской воде обладают образцы титаната стронция. Это соедине­ ние используется во многих изотопных генераторах.

Практическое наличие и стоимость изотопа могут оказать су­ щественное влияние на его выбор. В табл. 7.3 приведены данные о стоимости и производстве изотопов в США в настоящее время и в будущем. Данные, относящиеся к 1980 г., вычислены в предполо­

Как указывалось, радиоактивные изотопы получаются в основ­ ном в ядерном реакторе в процессе деления топлива (продукты деления) и при облучении нейтронами некоторых тяжелых элемен­ тов. Производство продуктов деления почти пропорционально росту производства ядерной энергии. Количество изотопов, получаемых при облучении нейтронами, зависит от количества загружаемого исходного материала (мишени), длительности его выдержки и интен­ сивности использования ядерного топлива.

149

Предполагаемый рост производства радиоактивных изотопов в реакторах с водяным охлаждением на тепловых нейтронах США

показан на рис. 7.1.

Изотопы, получаемые в процессе деления, являются побочным продуктом атомной промышленности, поэтому стоимость реакции деления не влияет на их стоимость. Цена на продукты деления оп­ ределяется в основном затра­

мерная зависимость стоимости энергии для различных изотопов от срока службы генератора приведена в табл. 7.5. При этом стои­ мость изотопов определялась с учетом усовершенствованной тех­ нологии их выделения и упаковки [7].

Втабл. 7.6 приведены данные о выходе изотопов, образующихся

вреакторе в результате облучения нейтронами. Эти данные явля­ ются средними значениями для реакторов с водой под давлением и

кипящих реакторов. При оценке полных затрат для тех процессов.

150

у которых имеется только частичный выход продукта и процесс может повторяться несколько раз, следует учитывать ежегодное снижение цен примерно на 10%.

* В момент выгрузки.

151

ампулу (рис. 7.3). Несколько таких ампул помещают в контейнер (тепловой блок). Идеальной формой теплового блока в отношении

равномерности распределения тепла является сфера. Однако сфери­ ческие формы сложны в изготовлении. Кроме того, большинство ра­ диоизотопных топлив не могут обеспечить высокие тепловые пото­ ки, необходимые для термоэлектрической системы, окружающей сферический блок. По этим причинам большинство тепловых бло­ ков изготавливают в форме цилиндра, к боковой или торцевой по­ верхностям которого прижимаются горячие спаи термоэлементов. У некоторых генераторов (например, первые отечественные генера­ торы на полонии-210) тепловой блок изготовлен в форме плоского параллелепипеда.

Во избежание возможности попадания радиоактивного изотопа в биосферу тепловой блок не должен разрушаться ни при каких условиях эксплуатации, а также в результате аварийных ситуаций, приводящих к разрушению самого генератора. Особенно жесткие требования предъявляют к тепловому блоку изотопного термогене­ ратора космического назначения. Подобный генератор может под­ вергаться кратковременному тепловому воздействию в результате пожара на стартовой площадке или аэродинамического нагрева при возвращении в плотные слои атмосферы. При этом максимальная температура может возрастать до 1500— 1800° С. В случае аварий­ ного прекращения полета ракеты-носителя генератор может упасть на твердый грунт (максимальная скорость падения 100 м/сек) или

погрузиться в океан на глубину, где гидростатическое давление составляет 500—700 атм. При попадании в океан тепловой блок

будет подвергаться также коррозионному воздействию морской воды.

При перевозке генератора к месту испытаний или в процессе эксплуатации может возникнуть пожар в результате аварии на транспорте. Поэтому имеется определенная, хотя и небольшая, вероятность возникновения высоких температур, характерных для пламени бензина. Пламя горящего бензина не может существенно повлиять на тепловой блок космического генератора, рассчитанно­ го на более высокие температуры (например, вспышка ракетного

учтено при их конструировании.

Происшествия на транспорте могут привести также к значитель­ ным перегрузкам и взрывам. При лобовом ударе грузовых автомашин эффективная скорость столкновения может достигать 60 м/сек.

Максимальная скорость при столкновении товарных поездов дости­ гает 80—90 м/сек. Опасность, связанную с возможностью взрыва

цистерн с бензином на железнодорожном транспорте, можно устранить соответствующим комплектованием состава. Наиболее опасные транспортные происшествия —■авиационные катастрофы. Пламя горящего авиационного бензина серьезно повредит генера­

153

тор, но целостность теплового блока при этом не должна быть нару­ шена. Тепловой блок должен также противостоять удару при ско­ ростях до 100 м/сек в случае аварии самолета и падения генератора

с большой высоты, например, на скальный грунт. Поэтому на прак­ тике следует избегать воздушной транспортировки наземных изо­

топных генераторов.

Помимо внешних сил на тепловой блок действуют внутренние силы, обусловленные давлением газа и коррозией при высоких ра­ бочих температурах. У a -активных источников в результате захва­ та электронов а-частицами образуется гелий, который постепенно выходит из материала топлива и создает давление на стенки ампу­ лы. По мере распада изотопа давление гелия в ампуле может до­ стигать нескольких сот атмосфер. Для поддержания этого давления в допустимых пределах обычно в ампуле предусматривается объем для сбора гелия.

В некоторых случаях указанный объем может в несколько раз превышать объем топлива. Например, ампула кюриевого источника со сроком службы один год и тепловой мощностью 500 вт должна иметь объем для сбора гелия под давлением 100 атм порядка 25 см3, что в пять раз больше объема топлива (4—5 см3) [8]. Наличие таких

объемов существенно снижает удельную мощность топлива и отри­ цательно влияет на вес и габаритные размеры генератора. Поэтому ампулы с a -активными изотопами рассчитывают на давление в не­ сколько сот атмосфер. Однако ампула не должна иметь очень толстые стенки, поскольку это снижает ее тепловые характеристики и су­ щественно увеличивает вес генератора. Эти две противоречивые тен­ денции ставят перед конструктором генератора задачу нахождения оптимального решения применительно к каждой конкретной кон­ струкции.

р-Активные источники в принципе также могут выделять газо­ образные продукты в результате радиохимических реакций, обус­ ловленных наличием примесей в топливе. Например, окись церия в процессе радиоактивного распада выделяет кислород, часть ко­ торого может выйти из топлива. Поэтому при разработке ампул для P-активных изотопов необходимо также учитывать возможность накопления газов.

Существенную роль играют химические силы, возникающие в результате реакции между топливом и материалом ампулы и при­ водящие к коррозии внутренних стенок ампулы. Эта задача успешно решается правильным подбором материала ампулы и стабильной химически инертной формы радиоизотопного топлива.

В табл. 7.7 приведены некоторые наиболее часто употребляемые конструкционные материалы топливной ампулы и теплового блока и их характеристики. При использовании в качестве топлива металлических плутония и кюрия в ампулы обычно вставляется оболочка из инертного металла для предотвращения взаимодействия топлива с конструкционными материалами. Чаще всего для этой цели используется тантал.

154

Радиоактивный изотоп обычно помещают в цилиндрическую ам­ пулу (см. рис. 7.2), а затем — в металлический тепловой блок и гер­ метизируют колпачком на резьбе с последующей его обваркой. По- лоний-210, имеющий значительную летучесть и дающий наиболь­ шие выделения гелия, заключают после­ довательно в две ампулы с окончатель­ ной герметизацией в металлическом блоке. Следует отметить, что в некото­ рых изотопных термогенераторах приме­ нялись ампулы конической формы, чтобы обеспечить плотные контакты с малыми температурными сопротивлениями.

Однако более поздние эксперименты по­ казали, что конусообразная форма не обязательна. Иногда обеспечение хоро­ шего теплового контакта с более холод­ ными узлами достигается использованием жидкометаллической прослойки, но при­

чая сторона) и корпусом генератора (хо­ лодная сторона). Термоэлементы, как правило, находятся в непо­

средственном тепловом контакте с поверхностью теплового блока, если отсутствуют какие-либо специальные требования к защитному экрану. В качестве системы для сброса остаточного тепла часто ис­ пользуется корпус генератора. На рис. 7.4 показана одна из воз­ можных конструкций термоэлемента.

Достижение оптимальных эксплуатационных характеристик ге­ нератора в значительной степени зависит от надежно работающего

155