Боярчук Прикладная ядерная космофизика 2007

ный реактор с 32,7 килограммами Pu-238. В августе 1999 г. на пути к Сатурну он пролетел всего в 500 километрах от Земли. В случае аварии данного КА по оценке NASA более 5 миллиардов человек могли бы получить радиотоксичное поражение в результате распыления плутониевого ядерного топлива в атмосфере Земли.

При авариях КА с ЯЭУ большую опасность представляют также выбросы долгоживущих изотопов церия и стронция.

За всю историю полетов с использованием ЯЭУ было запущено 48 космических аппаратов (36 Россия и 12 США), при этом шесть из них уже потерпели аварии. В табл. 7.1 указаны КА с ЯЭУ, на которых возникли аварийные ситуации.

121

Продолжение табл. 7.1

Дата, название КА, Комментарии

страна

Другая проблема, касающаяся безопасности полетов КА, связана с накоплением в околоземном космическом пространстве космического «мусора», занесенного туда человеком. Общая масса этого «мусора» уже сегодня превышает 3000 тонн. В околоземном пространстве насчитывается около 8 тысяч фрагментов размером более 10 сантиметров и примерно 300 тысяч более мелких. Космический «мусор», если его не убирать, будет находиться на околоземных орбитах многие годы. Загрязнение околоземного космического пространства чревато катастрофическими столкновениями спутников и ракет с твердыми фрагментами «мусора». В связи с этим вероятность разрушения и падения КА на землю возрастает, и уже сейчас она превышает допустимый уровень риска на несколько порядков.

Особую опасность представляют КА, на борту которых могут быть установлены ядерные боевые заряды. Несмотря на то что в настоящее время имеется международное соглашение о запрете

122

вывода ядерного оружия в околоземное комическое пространство, нельзя исключать вероятность нарушения данного соглашения при возникновении критических ситуаций или проведении террористических акций.

Для уменьшения рисков, связанных с выведением радиоактивных и делящихся материалов в околоземное космическое пространство, необходимо создавать систему космического ядерного мониторинга КА. Основные задачи этого мониторинга должны заключаются в следующем:

-обнаружение на борту КА радиоактивных или делящихся материалов;

-идентификация ядерных материалов КА и их количественная оценка;

-своевременное информирование мирового сообщества о результатах радиационного космического мониторинга;

-разработка на основе полученной информации мероприятий по предотвращению попадания ядерных материалов в атмосферу Земли при возникновении аварийных ситуаций на борту КА.

Наряду с указанными задачами огромное значение имеют также работы по созданию эффективных и безопасных методов проведения ядерного мониторинга КА с использованием достижений современной науки в области регистрации различных видов излучений. В частности, необходимо создание методик, позволяющих надежно обнаруживать и идентифицировать на борту КА ядерные боезаряды даже при наличии маскирующих элементов, в том числе и при нахождении на борту КА ЯЭУ.

Что же касается спасения аварийного КА или его уничтожения, то эти задачи должны выполняться специальными подразделениями, которые обеспечены соответствующими техническими средствами.

Информация по вопросам, связанным с обнаружением ядерных боеприпасов на КА и методами их нейтрализации, содержится в специальной литературе.

Внастоящем пособии рассмотрены лишь общие принципы ядерного мониторинга КА и перспективы его развития.

123

7.2.Общие характеристики РИЭ и ЯЭУ, предназначенных для космических аппаратов

Радиоизотопные источники энергии

Радиоизотопные источники энергии (РИЭ) – устройства, которые преобразуют энергию, выделяющуюся при распаде радионуклидов, в другие виды энергии (например, тепловую, электрическую). Радиоизотопный источник энергии принципиально отличается от атомного реактора тем, что в нем используется не управляемая цепная ядерная реакция, а энергия естественного распада радиоактивных изотопов. Принципиальная схема РИЭ показана на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Принципиальная схема РИЭ: 1 – радиационная защита; 2 – радиоактивный нуклид; 3 – контур охлаждающий; 4 – термоэлектрический преобразователь; 5 – электрическая аккумуляторная батарея

В процессе распада радиоактивных изотопов образуются α-, β-, γ-частицы, которые в результате торможения передают свою энергию окружающим материалам и, в конечном итоге, нагревают их. Тепловая энергия, вырабатываемая радиоизотопами, с помощью различных систем охлаждения передается в термоэлектрические преобразователи и далее накапливается в аккумуляторных батареях или направляется сразу к блокам энергопотребления.

Первый радиоизотопный генератор SNAP-1A мощностью 125 Вт был создан в США в 1956 г. в рамках научно-исследо-

вательской программы SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power).

В качестве нагревательного элемента в ней использовались таблетки радиоизотопа церия Се-144, помещенного в цилиндрический контейнер, вокруг которого располагался змеевик охлаждения

124

125

Аналогичные работы по созданию РИЭ успешно проводились практически в это же время и в СССР. Были созданы радиоизотопные генераторы «Орион-1» и «11К» на основе радионуклида Po-210. Эти генераторы были установлены на космических аппа-

ратах «Космос-84», «Космос-90» (1965 г.), «Луноход-1» (1970 г.), «Луноход-2» (1973 г.).

Наряду с РИЭ для КА в СССР были разработаны также радиоизотопные генераторы БЕТА-1, БЕТА-2, БЕТА-3, БЕТА-М , БЕТА- С, МИГ-67, РИТ-90, Эфир-МА, РИТЭГ-ИЭУ-1, РИТЭГ-ИЭУ-1М, РИТЭГ-ИЭУ-2, РИТЭГ-ИЭУ-2М, «Гонг», «Горн», «Сеностав»- 1870, РИТЭГ-238/0,2 («Ангел») для метеорологических автономных станций, маяков и бакенов, которые обеспечивали их автономную работу в течение нескольких лет.

Радиоизотопы для РИЭ должны обладать следующими характеристиками: достаточно большим периодом полураспада, высокой температурой плавления сплавов и соединений, значительным удельным энерговыделением, а для радиоизотопов, способных к делению, также и большой критической массой. Желательно, чтобы дочерние изотопы радиоактивного распада также были способны участвовать в процессе тепловыделения для увеличения общего объема энергии, которую можно использовать. Наилучшим примером изотопа с длинной цепью распада и с энерговыделением на порядок большим, чем у многих других изотопов, является U-232, но его получение в настоящее время является дорогим. В табл. 7.2 перечислены радиоизотопы, которые наиболее часто используются для РИЭ.

Представляют интерес также изотопы тяжелых трансурановых элементов, прежде всего плутоний Pu-238, кюрий Cm-242, Cm-244, Cm-245, калифорний Cf-248, Cf-249, Cf-250, эйнштейний Es-254,

фермий Fm-257, а также ряд более легких изотопов, например по-

лоний Po-208, Po-209, актиний Ac-227 и особенно уран U-232.

Весьма перспективными могут быть также различные ядерные изомеры.

При выборе радиоизотопов для РИЭ приходится учитывать также их экономические характеристики, некоторые из которых приведены в табл. 7.3.

126

Таблица 7.2

Освоенные радиоизотопы, используемые в РИЭ

127

Таблица 7.3

Данные о стоимости и производстве важнейших радиоизотопов

Как следует из табл. 7.3, цены на важнейшие генераторные изотопы со временем падают, а их общее количество возрастает. В то же время стоимость изотопов, получаемых облучением (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242 и др.), снижается незначительно, и потому во многих странах, обладающих развитой радиоизотопной промышленностью, изыскиваются способы более рациональных схем облучения мишеней, более тщательной переработки облученного топлива. В значительной мере надежды на расширение производства радиоизотопов связаны с ростом сектора реакторов на быстрых нейтронах. В частности, именно реакторы на быстрых нейтронах с использованием значительных количеств тория позволяют надеятся на получение больших количеств изотопа U-232.

Современные РИЭ в зависимости от способов преобразования тепловой энергии и типа используемых радионуклидов подразделяются на:

128

радиоизотопные термоэлектрические генераторы (используются термоэлементы);

радиоизотопные термоэмиссионные генераторы (используется термоэмиссионный преобразователь);

радиоизотопные комбинированные генераторы (используется термоэмиссионный преобразователь (1-я ступень) и термоэлементы (2-я ступень преобразования);

радиоизотопные паротурбинные генераторы (парортутные турбины или водопаровые турбины и электрогенератор);

атомные элементы. α- и β-излучающие изотопы, помещенные в вакуумные капсулы, создают очень высокое напряжение при малых токах;

атомные полупроводниковые элементы (облучение полупроводниковых сборок в заданном направлении);

радиоизотопные источники высокопотенциального тепла (получение нагретых жидкостей (вода, топливо и др.) и газов для отопления, обогрева резервных батарей).

При производстве РИЭ применяются различные конструкционные и вспомогательные материалы, обладающие специфическими физико-химическими, механическими и ядерно-физическими свойствами. Наиболее типичными конструкционными материалами являются: высокопрочные стали, облегченные материалы (титан, алюминий, магний, иттрий, бериллий и их сплавы). Для радиационной защиты используются свинец, обедненный уран, бориды, кадмий, европий, гадолиний, самарий и их сплавы; в качестве теплоносителя – сплавы висмута, ртуть, сплавы цезия, натрия, калия, лития, галлия, вода и др; для разбавления радиоизотопов – медь, свинец, золото, иттрий, никель.

РИЭ применяются там, где необходимо обеспечить автономность работы оборудования, значительную надёжность, малую массу и небольшие габариты. В настоящее время основные области применения – это космос (спутники, межпланетные станции и др), глубоководные аппараты, удаленные территории (крайний север, открытое море, Антарктика). Изучение «глубокого космоса» без радиоизотопных генераторов практически невозможно, так как при значительном удалении от Солнца уровень солнечной энергии, который можно использовать посредством фотоэлементов, исчезающе мал. Например, на орбите Сатурна освещенность солн-

129

цем в зените соответствует земным сумеркам. Кроме того, при значительном удалении от Земли для передачи радиосигналов с космического зонда требуется очень большая мощность.

Таким образом, единственным помимо атомного реактора источником энергии для КА выступает именно радиоизотопный генератор.

Основным недостатком РИЭ является то обстоятельство, что их энерговыделение невозможно регулировать, так как радиоизотопы обладают фиксированными параметрами радиоактивного распада, повлиять на которые (ускорить или замедлить) современная технология не в состоянии.

Однако можно регулировать параметры вырабатываемой электроэнергии, давления рабочих газов или жидкостей, что позволяет

визвестной мере говорить о регулировании работы РИЭ.

Ксожалению, РИЭ обладают достаточно низким КПД (менее 20 %), хотя для многих задач этот параметр не является определяющим. Тем не менее в настоящее время ведутся интенсивные работы по увеличению КПД путем улучшения полупроводниковых материалов, эмиссионных преобразователей и поиска новых материалов для конструкции теплообменников и других узлов, уменьшающих тепловые потери.

Следует также отметить, что современные РИЭ не в состоянии обеспечить большую энергетическую мощность (более нескольких сотен кВт), которая необходима для современной космической техники. Для выхода на большие энергетические мощности необходимы малогабаритные ядерные энергетические установки

(ЯЭУ).

Ядерные энергетические установки

Создание ЯЭУ для КА началось в нашей стране на рубеже 1950–1960-х годов. Приблизительно в то же время аналогичные работы были развернуты и в США.

Использование термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии в сочетании с ядерными реакторами позволило создать принципиально новый тип установок, в которых источник тепловой энергии – ядерный реактор и преобразователь тепловой энергии в электрическую объединены в единый агрегат – реактор-преобразователь (РП).

130