книги из ГПНТБ / Ершова З.В. Полоний и его применение

Если рассматривать пригодность изотопов для полу­ чения равнозначной тепловой мощности и сравнить ве­ совые характеристики топлива, то они все имеют -близ­ кие параметры, за исключением 238Ри, 241* Аш и 147Рш. Те­ пловая мощность последних меньше в 10—1 000 раз по сравнению с другими а-излучающими изотопами.

Наличие у- или нейтронного излучения, требующее введения биологической защиты, значительно увеличива­ ет массу генератора и усложняет его конструкцию. Для примера в табл. 80 приведены материалы, необходимые для снижения интенсивности проникающего излучения до допустимых норм.

Т а б л и ц а 80

Из данных табл. 80 можно установить, что преимуще­ ство среди а-излучающих изотопов имеют 210Ро, 238Ри и 241Аш, которые практически не требуют введения биоло­ гической защиты. Частично роль защиты у них играют конструкционные материалы и ослабление мягкого у-из- лучения в собственном слое вещества. 221Ас и 228Th, как видно из табл. 80, требуют значительной защиты от у-из- лучения.

Первые три изотопа рассматриваются в основном как возможное топливо при оценке пригодности их для со­ здания источников энергопитания, необходимых в кос­ мических условиях. Окончательный выбор изотопа про­ изводится на основании конструктивных проработок генератора энергии р учетом требуемых характеристик

150

П р о д о л ж е н и е т а б л . 8В

Загрузка топлива не производилась. Работы приостановлены.

работы генератора и условий эксплуатации источника энергопитания и реальной возможности получения изо­ топного топлива.

По данным, характеризующим р-излучающие изотопы, которые сосредоточены в отходах атомной промышлен­ ности [202], лишь очень немногие могут .быть использо­ ваны в .качестве топлива для источников энергопитания приборов космического назначения. Эти изотопы являют­ ся большим запасом неиспользованной энергии, которая должна найти широкое применение в других областях науки и техники.

На 210Ро как источник тепловой энергии было обра­ щено внимание раньше, чем на другие изотопы, так как возможность получать его в больших количествах наи­ более реальна [203]. Первые опытные образцы изотопных генераторов тока были изготовлены на 210Ро. Основные характеристики некоторых разработанных генераторов тока /приведены в табл. 81. В таблице кроме .генераторов на 210Ро даны характеристики генераторов на 242Ст, кото­ рый по периоду полураспада и удельному тепловыделе­ нию близок к 210Ро.

Начальной ступенью отработки конструкции электри­ ческих генераторов тока на изотопном топливе явились конструкции, где изотопное топливо заменялось электри­ ческим /нагревателем соответствующей мощности. В пер­ вых опытных образцах генераторов, изготовленных для проверки /принципов термоэлектрического преобразова­ ния, использовались хромель-константановые термопары. Общий к. /п. д. установок составлял 0,1—0,2.

По опубликованным данным, в США в лаборатории «Моунд» изготовлено восемь генераторов [201]. Три из этих генераторов были загружены изотопным топливом

на 210Ро.

В СССР изготовлено семь генераторов опытного ти­

в 1965 г. на спутниках связи СССР «Космос-84» и «Кос­

мос-90» [205].

В лаборатории «Моунд» (США) была создана ядерная бортовая установка мощностью 100 вт для генера­ тора NAP-100 (Nuclear Auxiliary Power) и радиоизотоп­ ная энергетическая установка с динамическим преобра­

153

Широкое использование изотопов в приборах по ис­ следованию космического пространства ограничивается трудностями, которые возникают при создании условий, обеспечивающих безопасность и предохранение атмосфе­ ры и поверхности Земли от радиоактивного заражения. Опасность заражения возникает при получении боль-

того количества изотопов (при этом появляются раз­ личного рода технологические отходы), а также при воз­ можных аварийных ситуациях в процессе эксплуатации изотопных энергосистем—при запуске их в космос или при возвращении на Землю.

При разработке конструкции тепловой ампулы и те­ плового блока в целом для предотвращения выброса ра­ диоактивного изотопа применяются особые меры пред­ осторожности, обеспечивающие сохранность и герметич­ ность ампулы во всех рабочих и аварийных ситуациях; особое внимание обращается на ударную прочность кон­ струкции и коррозионную стойкость материалов, взаи­ модействующих g топливной композицией изотопа, и на защиту материалов оболочки от возможного окис­ ления при попадании в атмосферную среду, в природные водоемы или почву. Сохранность изотопной ампулы обеспечивается кроме выбора жаропрочных материалов, устойчивых к длительным силовым нагрузкам, снижени­ ем -силовой нагрузки на стенки ампулы, возникающен за счет давления гелия, который -накапливается при а-

рас-паде изотопа.

На рис. 35 приведена типовая конструкция изотопной ампулы, применяемой для 210Ро, а на рис. 36 — разрез

155

Изотопной ампулы изотопного электрического генератора SNAP-3B. В этой конструкции предусмотрены высо­ копрочные жаростойкие материалы для внутренней обо­ лочки ампулы и защит­ ные покрытия наруж­ ной оболочки, предо­ храняющие ее при вхо­ де в атмосферу от эро­ зионного разрушения и

от окисления.

В конструкциях ге­ нераторов предусма­ триваются различные системы сохранности топливной ампулы по­ сле завершения про­ граммы работ с удале­ нием ее на далекие ор­ биты или с возвраще­

среды в результате миграции радиоактивных элементов, попавших на поверхность Земли или в природные водо­ емы, по цепочке почва — растение— животное рассма­ триваются с общих позиций поступления их в живой ор­ ганизм, объяснение которому общее для всех случаев попадания радиоактивных веществ в биосферу [207].

Для некоторых радиоактивных изотопов известен пе­ риод лолувыведения из атмосферы с различных высот.

156

Подход -к оценке скорости оседания радиоактивных изотонов во многом определяется крупностью взвешенных частиц пыли или аэрозолей, присутствующих в воздухе, которые являются их адсорбентами или центрами кон­ денсации. На основании этого считается, что длитель­ ность пребывания радиоактивных частиц во взвешенном состоянии определяется не столько свойствами изотопа, сколько составом и крупностью частиц. Накопление ра­ диоактивных изотопов в космическом пространстве или в атмосфере происходит тем 'медленнее, чем меньше пе­ риод полувы'ведения частиц и чем меньше период полу­ распада изотопа.

Рекомендуется применять в качестве топлива радиоак­ тивные изотопы в виде соединений, сплавов или других топливных композиций (содержащих матрицу в виде металлокерамики), обладающих наибольшей химической и термической устойчивостью, низкой летучестью и пло­ хой растворимостью в воде. Например, изотопное топли­ во с 90Sr применяется в виде SrTiOs (Фш= 1910°С); 144Се — в виде Се02 (^пл= 2 600°С); ^ Р и — в виде Ри02 (/пл=2 240°С); 2ИСш — в виде Стп20 3 (4л>1 500°С); 210Ро рекомендуется применять в виде лолонидов метал­ лов, и в первую очередь в виде полонидов редкоземель­ ных металлов (:/пл= 1 500-ь2 400°С), обладающих малой летучестью [208, 209].

Сочетание химически и термически устойчивых соеди­ нений изотопа с надежной конструкцией изотопной ампу­ лы дает возможность создать надежную конструкцию теплового блока.

РАДИОИЗОТОПНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ИСТОЧНИКИ

Большие запасы тепловой энергии, сосредоточенные в отходах атомной промышленности, и изотопы, дополни­ тельно получаемые синтезированием при нейтронном облучении, могут найти успешное применение. Для этого следует решить технические задачи, связанные с мето­ дами выделения, концентрирования и повышения коэф­ фициента полезного использования. Последний будет всегда значительно выше для прямого использования тепла, чем для его преобразования в электрическую

энергию.

В настоящее время уже известны случаи использова­ ния изотопов в различных нагревательных системах, в частности для теплоснабжения в районах, труднодо-

157