Atomska baterija i njen princip rada. Stvorena je jedinstvena nuklearna baterija

Prvo mobilni telefon nastao prije više od četrdeset godina. Nauka, naravno, napreduje. I ko bi tada pomislio da će četrdeset godina kasnije nastati atomska. Da, nauka ne napreduje skokovima i granicama, već i dalje sa značajnim prodorima u mnogim oblastima, posebno u oblastima? u poslednje vreme. I ovaj će članak biti posebno posvećen temi korištenja atomskih baterija u modernim uređajima.

Uvod

Sada je tržište pametnih telefona jedno od najvećih obećavajućim pravcima elektronika. Ovo područje se dinamično razvija, bez zaustavljanja ni na minut. Čini se da je iPhone 3 upravo stigao u prodaju, a iPhone 6 i iPhone 6 Plus su već na policama prodavnica mobilnih komunikacija. Vrijedi li govoriti o tome koji put su inženjeri kompanije prošli da bi zadovoljili korisnike najnovijim hardverom?

Isto se može reći i za Android i Windows Phone. Prije samo par godina cijeli školski razred okupio se oko sretnika koji je imao telefon baziran na Android operativnom sistemu. A kada je neko uspeo lično da zaigra aplikaciju u kojoj možete da kontrolišete radnju rotiranjem ekrana (naročito ako je ova igra bila trkačka), on je bukvalno zasijao od sreće.

Danas to nikoga neće iznenaditi. Čak i prvaci sada tiho koriste Apple telefone bez mnogo radosti ili oduševljenja, ne shvaćajući koliko su zapravo sretni. Naravno, oni jednostavno ne znaju da su nekada davno postojali telefoni koji su radili pritiskom na dugme, a ne dodirnim kontrolama. Da su ti telefoni imali samo nekoliko igrica. I da je i zmija na dvobojnom ekranu bila razlog za bezgranično oduševljenje tadašnje djece, a igrala su je gotovo danima.

Naravno, tada su igre bile mnogo slabijeg kvaliteta. Takve telefone je bilo moguće koristiti nekoliko dana bez dopunjavanja. Sada je industrija igara u oblasti pametnih telefona dostigla viši nivo kvaliteta, a to zahteva snažnije baterije telefona. Koliko, po vašem mišljenju, može trajati najmoderniji, najmoćniji pametni telefon u smislu trajanja baterije?

Treba li nam nuklearna baterija?

Uvjeravamo vas da čak i uz pasivnu upotrebu, malo je vjerovatno da će on (pametni telefon) trajati duže od 3 dana. Kao iu modernim pametnim telefonima, koristi se tip. Nešto su rjeđi modeli napajani polimernim baterijama. Zapravo, takvi telefoni ne izdržavaju mnogo dug rad. Možete ih reprodukovati tokom trajanja baterije i gledati filmove na njima nekoliko sati, što obično ne prelazi deset. Proizvođači takvih uređaja natječu se u nekoliko smjerova odjednom. Konkurs za prvo mjesto je najaktivniji prema sljedećim kriterijima:

Dijagonala ekrana.

Hardver i performanse.

Dimenzije (tačnije, borba je da se smanji debljina).

Snažno autonomno napajanje.

Kao što vidimo, ostaje otvoreno pitanje da li nam je potrebna nuklearna baterija za telefon. Prema proračunima naučnika, telefoni bi u budućnosti mogli biti opremljeni baterijama koje rade na principu reakcije nuklearnog elementa zvanog tricijum. U ovom slučaju, telefoni će, prema najkonzervativnijim procjenama, moći raditi bez punjenja do 20 godina. Impresivno, zar ne?

Koliko je nova ideja o nuklearnoj bateriji?

Ideja stvaranja minijature nuklearnih reaktora(govorimo o atomskim baterijama) pojavio se u svijetlim umovima ne tako davno. Predloženo je da je upotreba takve opreme relevantna tehnički uređaji omogućit će vam da se nosite s problemom ne samo potrebe za stalnim punjenjem, već i s drugima.

TASS: DIY atomska baterija. Inženjeri pričaju

Prvu najavu o izumu baterije koja bi radila na atomskoj energiji dala je divizija domaćeg koncerna Rosatom. Bio je to Rudarsko-hemijski kombinat. Inženjeri su rekli da bi prvi izvor napajanja, koji je pozicioniran kao nuklearna baterija, mogao biti stvoren već 2017. godine.

Princip rada sastojat će se od reakcija koje će se odvijati korištenjem izotopa nikla-63. Konkretnije, govorimo o beta zračenju. Zanimljivo je da baterija napravljena na ovom principu može da radi oko pola veka. Dimenzije će biti vrlo, vrlo kompaktne. Na primjer: ako uzmete običnu AA bateriju i komprimirate je 30 puta, možete jasno vidjeti kolika će biti nuklearna baterija.

Da li je nuklearna baterija sigurna?

Inženjeri su apsolutno uvjereni da takav izvor energije neće predstavljati nikakvu opasnost za ljudsko zdravlje. Razlog za ovo povjerenje bio je dizajn baterije. Naravno, direktno beta zračenje bilo kog izotopa će naštetiti živom organizmu. Ali, prvo, u ovoj bateriji će biti „mekano“. Drugo, čak ni ovo zračenje neće pobjeći, jer će se apsorbirati unutar samog izvora energije.

Zbog činjenice da će atomske baterije "Rusija A123" apsorbirati radijaciju u sebi, a da je ne ispuštaju van, stručnjaci već prave stratešku prognozu za korištenje atomskih baterija u raznim poljima lijek. Na primjer, može se uvesti u dizajn pejsmejkera. Drugo područje koje obećava je svemirska industrija. Na trećem mjestu je, naravno, industrija. Izvan prve tri postoje mnoge grane u kojima će se moći uspješno koristiti nuklearni izvor energije. Možda je najvažniji od njih transport.

Nedostaci nuklearnog izvora energije

Šta dobijamo zauzvrat za nuklearnu bateriju? Da tako kažem, šta ćemo vidjeti ako pogledamo s druge strane? Prvo, proizvodnja takvih autonomnih izvora energije koštat će prilično peni. Inženjeri nisu željeli dati tačne iznose. Možda su se bojali da rano donesu pogrešne zaključke. Međutim, približna procjena nije data u brojkama, već riječima. Odnosno, „sve je veoma skupo“. Pa, ovo je bilo sasvim za očekivati, s obzirom da se suština stvari procijenila jednostavno logično. Možda je prerano govoriti o serijskoj proizvodnji u industrijskom obimu. Možemo se samo nadati da će se s vremenom pronaći alternativne tehnologije koje će omogućiti stvaranje nuklearne baterije bez ugrožavanja njene pouzdanosti i praktičnosti, ali uz mnogo nižu cijenu.

Inače, TASS je procijenio 1 gram supstance na 4 hiljade dolara. Dakle, kako bi stekli potrebnu masu atomska supstanca, koji će osigurati dugotrajnu upotrebu baterije, trenutno je potrebno potrošiti 4,5 miliona rubalja. Problem je u samom izotopu. On jednostavno ne postoji u prirodi; izotop se stvara pomoću posebnih reaktora. U našoj zemlji ih ima samo tri. Kao što je ranije rečeno, može biti moguće tokom vremena koristiti druge elemente za smanjenje troškova proizvodnje izvora.

Tomsk Atomska baterija

Izum atomskih baterija nije ograničen samo na profesionalne inženjere i dizajnere. Nedavno je diplomirani student razvio model nove baterije na nuklearni pogon. Ovaj čovek se zove Dmitrij Prokopjev. Njegov razvoj je sposoban za normalno funkcioniranje 12 godina. Za to vrijeme neće se morati napuniti ni jednom.

Središte sistema bio je radioaktivni izotop nazvan tricijum. Kada se vješto koristi, omogućava vam da energiju koja se oslobađa tokom vremena usmjerite u pravom smjeru. U ovom slučaju energija se oslobađa u dijelovima. Možete reći dozirano ili porcionirano. Podsjetimo da je poluživot ovog nuklearnog elementa oko 12 godina. Zbog toga je korištenje baterije na ovom elementu moguće u navedenom roku.

Prednosti tricijuma

U poređenju sa atomskom baterijom, koja ima silicijumski detektor, atomska baterija na bazi tricijuma ne menja svoje karakteristike tokom vremena. I to je njegova nesumnjiva prednost, treba napomenuti. Pronalazak je testiran na Novosibirskom institutu za nuklearnu fiziku, kao i na Institutu za fiziku i tehnologiju Tomskog univerziteta. Atomska baterija čiji je princip rada zasnovan na nuklearna reakcija, ima određene izglede. Ovo je obično oblast elektronike. Uz to su vojna tehnologija, medicina i avioindustrija. Već smo razgovarali o tome.

Zaključak

Uprkos visokim troškovima proizvodnje atomskih baterija, nadajmo se da ćemo ih ipak naći u telefonima bliske budućnosti. Sada nekoliko riječi o elementu koji će činiti osnovu baterije. Tricij je, naravno, nuklearne prirode. Međutim, zračenje ovog elementa je slabo. Ne može štetiti ljudskom zdravlju. Unutrašnji organi a koža neće patiti od vješte upotrebe. Zbog toga je odabran za upotrebu u baterijama.

Naučnici sa MIPT-a, TISNUM-a i MISIS-a optimizirali su debljinu slojeva “nuklearne baterije” koja koristi električna energija beta raspad izotopa nikla-63. U jednom gramu baterije koju su napravili pohranjeno je oko 3.300 milivat-sati, što je najbolji rezultat među “nuklearnim baterijama” na bazi nikla-63 i deset puta je veći od gustine energije pohranjene u konvencionalnim hemijskim elementima. Članak objavljen u časopisu Dijamant i srodni materijali.

Kako baterija radi?

Konvencionalne baterije, koje se koriste za napajanje satova, baterijskih lampi, igračaka i drugih relativno malih samostalnih električnih uređaja, dobijaju električnu energiju hemijskim reakcijama. Tokom ovih reakcija, koje se nazivaju redoks reakcije, elektroni „teče“ kroz elektrolit od jedne do druge elektrode, a između elektroda se javlja razlika potencijala. Ako krajeve baterije spojite žicom, elektroni će se kretati tako da potencijalna razlika nestane - struja će teći kroz žicu. Hemijske baterije, koje se nazivaju i voltaične ćelije, imaju visoku gustoću snage, odnosno omjer snage generisana struja do kapaciteta baterije, ali se relativno brzo prazne, što značajno ograničava njihov autonoman rad. Naravno, uz određeni dizajn hemijski elementi mogu se puniti (tada se nazivaju baterije). Međutim, čak i u ovom slučaju, baterija se mora ukloniti iz uređaja, što može biti opasno ili nemoguće: na primjer, ako napaja pejsmejker ili svemirski brod.

Malo istorije

Srećom, električna energija se može dobiti ne samo u hemijske reakcije. Prije više od stotinu godina, 1913. godine, Henry Moseley uveo je prvi radioizotopni izvor električne energije, a to je bila staklena kugla posrebrena s unutrašnje strane, u čijem središtu se nalazio izvor radijuma na izoliranoj elektrodi. Elektroni beta raspada iz radijuma stvorili su potencijalnu razliku između srebrnog sloja staklene sfere i centralne elektrode. Takav izvor ima izuzetno visok napon otvorenog kola - desetine kilovolti - i malu struju, pa je u praksi njegova upotreba gotovo nemoguća.

Godine 1953, Paul Rappaport je predložio korištenje poluvodičke strukture za pretvaranje energije beta raspada radioaktivnih elemenata. Beta čestice (elektroni ili pozitroni) ioniziraju poluvodičke atome i stvaraju neravnotežne nosioce naboja, koji u prisustvu statičkog polja barijera p-n strukture se kreću na uredan način, stvarajući električnu struju. Elementi zasnovani na ovom principu nazvani su beta-voltaični. Glavna prednost takvih elemenata u odnosu na galvanske je njihova trajnost: vrijeme poluraspada nekih radioaktivnih izotopa je desetine ili stotine godina, stoga će snaga elementa ostati gotovo konstantna tijekom cijelog ovog perioda. Nažalost, specifična snaga beta-voltaičnih generatora je mnogo inferiornija od hemijskih baterija. Međutim, radioaktivni generatori su se i dalje koristili 70-ih godina za napajanje pejsmejkera, ali su kasnije zamijenjeni litijum-jonskim baterijama, čija je jeftinost bila veća od izdržljivosti beta-voltaičnih ćelija.

Imajte na umu da beta-voltaične baterije ne treba brkati sa radioizotopnim termoelektričnim generatorima (skraćeno RTG), koji se ponekad nazivaju i nuklearnim baterijama. Ovi uređaji koriste energiju radioaktivnog raspada za zagrijavanje i stvaraju tok topline, koja se zatim pretvara u električnu struju pomoću termoelektričnih elemenata. Efikasnost RTG-a je samo nekoliko procenata i zavisi od temperature. Međutim, zbog svoje trajnosti i relativno jednostavan uređaj generatori radioizotopa se široko koriste za napajanje svemirskih letjelica - na primjer, ili. Ranije su se RTG postavljali i na radio farove i meteorološke stanice koje se nalaze u teško dostupnim područjima, ali je ova praksa sada zaustavljena zbog poteškoća u odlaganju i opasnosti od curenja radioaktivnih materija.

Snaga je porasla za red veličine

Grupa naučnika predvođena Vladimirom Blankom, direktorom Federalne državne budžetske institucije TISNUM i šefom Odsjeka za fiziku i hemiju nanostruktura na MIPT-u, došla je do načina da poveća specifičnu snagu “nuklearne baterije” za gotovo reda veličine. U ćeliji koju su dizajnirali i proizveli, beta čestice su emitovane iz radioaktivnog izotopa nikla-63 i pogodile dijamantske pretvarače zasnovane na Schottky barijeri. Ukupna električna snaga baterije bila je oko 1 mikrovat, a specifična snaga dostigla je deset mikrovata po kubnom centimetru - to je dovoljno za napajanje modernog pejsmejkera. Vreme poluraspada nikla-63 je oko sto godina. Tako je u jednom gramu baterije pohranjeno oko 3.300 milivat-sati, što je deset puta više nego u hemijskim baterijama.

Slika 1. Dijagram uređaja “nuklearne baterije”. Dizajner - Elena Khavina, MIPT press služba.

Uzorak "nuklearne baterije" sastojao se od dvije stotine dijamantskih pretvarača, naizmjeničnih slojeva nikla-63 i stabilne folije od nikla (slika iznad). Snaga koju generira pretvarač ovisi o debljini nikalne folije i samog pretvarača, koji apsorbira beta čestice. Sve poznato na trenutno prototipovi nuklearnih baterija su loše optimizirani jer imaju višak volumena. Ako je beta izvor predebeo, elektroni proizvedeni unutar njega neće moći pobjeći. Ovaj efekat se naziva samoapsorpcija. S druge strane, značajno smanjenje debljine izvora je takođe neisplativo, jer se zajedno s tim smanjuje i broj beta raspada po jedinici vremena. Slična razmatranja se odnose na debljinu pretvarača.

Prvo kalkulacije

Naučnici su imali cilj: stvoriti nikl-63 bateriju sa maksimalnom gustinom snage, odnosno bez viška zapremine. Da bi to učinili, numerički su simulirali kretanje elektrona u beta izvoru i susjednim pretvaračima i pronašli njihove optimalne debljine: pokazalo se da beta izvor na bazi nikla-63 „najefikasnije radi“ s debljinom od oko dva mikrometra, a dijamantski pretvarač na bazi Schottky barijere - debljine oko 10 mikrometara.

Tehnologija proizvodnje

Najteži zadatak je bio izrada velika količina dijamantski pretvarači sa složenom unutrašnjom strukturom debljine svega nekoliko desetina mikrona (kao plastična vrećica iz supermarketa). Tradicionalne mehaničke i jonske metode za smanjenje debljine dijamanta nisu bile pogodne za rješavanje ovog problema. Zaposleni u TISNUM-u i MIPT-u razvili su tehnologiju za sintezu i odvajanje tankih dijamantskih ploča od dijamantskih supstrata za višekratnu upotrebu za masovno stvaranje ultra tankih pretvarača.

Početni materijal je 20 debelih supstrata dijamanta dopiranog borom uzgojenih metodom temperaturnog gradijenta. Koristeći ionsku implantaciju, defektni sloj debljine oko 100 nanometara stvoren je u supstratima na dubini od oko 700 nanometara. Na vrhu ovog sloja sintetiziran je homoepitaksijalni (naslijedio kristalnu strukturu supstrata) sloj lagano dopiranog borom dijamanta debljine 15 μm taloženjem iz pare. Zatim je visokotemperaturnim žarenjem defektni sloj podvrgnut grafitizaciji, nakon čega je uklonjen elektrohemijskim jetkanjem. Nakon uklanjanja defektnog sloja, obradak pretvarača je uklonjen sa podloge i prekriven kontaktima: omskim i Schottkyjevim.

Tokom cijelog opisanog procesa, podloga je izgubila manje od 1 μm u debljini, nakon čega su operacije ponovljene. Tako je uzgojeno 200 pretvarača na 20 supstrata. Razvijena tehnologija je izuzetno važna sa ekonomskog gledišta: visokokvalitetne dijamantske podloge su veoma skupe, pa stoga nisu pogodne za masovnu proizvodnju pretvarača smanjenjem debljine.

Svi pretvarači su kombinovani paralelno prema kolu prikazanom na slici 1. Tehnologija proizvodnje nikl-63 folije debljine 2 mikrona razvijena je u NPO Luch. Baterija je napunjena epoksidnom smjesom kako bi se zapečatila.

Baterija ima karakterističnu strujno-naponsku karakteristiku (slika ispod). Napon kratkog spoja je bio oko 1 volt, a struja kratkog spoja je bila oko 1 µA. Najveća električna snaga W ≈ 0,93 mikrovata postignuta je pri naponu V ≈ 0,93 volta. Ova snaga odgovara gustoći energije od oko 3300 milivat-sati po gramu, što je deset puta veće od gustine energije "nuklearne baterije" na bazi nikla-63 koja je prethodno stvorena u TISNUM-u i isto toliko puta veća od konvencionalne kemikalije baterije.

U 2016. godini, naučnici su već prijavili razvoj prototipa nuklearne baterije na bazi nikla-63. U lipnju 2017. godine TISNUM i NPO Luch na forumu Atomexpo 2017 prikazali su radni uzorak nuklearne baterije od 1 mikrovat s korisnom zapreminom od 1,5 kubnih centimetara.

Glavni faktor koji ograničava proizvodnju nuklearnih baterija u Rusiji je nedostatak industrijska proizvodnja i obogaćivanje izotopa nikla-63. Planirano je da se takva proizvodnja stvori do sredine 2020-ih.

Alternativni način da se napravi nuklearna baterija zasnovana na dijamantu je da se napravi dijamantski pretvarač od radioaktivnog ugljika-14, koji ima izuzetno dug poluživot od 5.700 godina. Fizičari sa Univerziteta u Bristolu izvijestili su o razvoju takvih generatora.

Budućnost nuklearnih baterija

Dobiveni rezultat otvara nove izglede za medicinske primjene. Moderni pejsmejkeri su veći od 10 kubnih centimetara i troše oko 10 mikrovati energije. Razvijena baterija može se koristiti kao izvor napajanja za takav pejsmejker bez praktički bez većih promjena u njegovom dizajnu i volumenu. “Vječni” pejsmejker značajno će poboljšati kvalitetu života pacijenata, jer će nestati potrebe za njegovim održavanjem i zamjenom baterija.

Svemirska industrija je također zainteresirana za razvoj kompaktnih nuklearnih baterija. Konkretno, trenutno postoji potreba za autonomnim bežičnim eksternim senzorima i memorijskim čipovima sa integrisanim napajanjem za svemirske letelice. Dijamant je jedan od poluvodiča koji su najotporniji na zračenje, a zbog velikog pojasa može raditi u širokom temperaturnom rasponu, što ga čini idealnim materijalom za stvaranje nuklearnih baterija za svemirske letjelice.

Naučnici planiraju da nastave svoja istraživanja u oblasti nuklearnih baterija i predlažu glavne pravce razvoja ove teme. Prvo, ovo je povećanje obogaćivanja nikla-63 u bateriji, što će dovesti do linearnog povećanja snage. Drugo - razvoj dijamant p-i-n struktura sa kontroliranim doping profilom, koji će povećati napon, a time i korisnu snagu baterije, za 3 ili više puta. Treće, povećanje površine pretvarača, što će omogućiti postavljanje više atoma nikla-63 na jedan pretvarač.

Vladimir Blank, direktor TISNUM-a i šef Odsjeka za fiziku i hemiju nanostruktura na MIPT-u, komentirao je:

“Već smo postigli izvanredan rezultat koji se može koristiti u medicini i svemirskoj tehnologiji, ali nećemo stati na tome. Poslednjih godina naš institut je postigao značajan uspeh u stvaranju visokokvalitetnih legiranih dijamanata, posebno dijamanata sa n-tipom provodljivosti. Ovo će nam omogućiti da pređemo sa Schottky barijere na p-i-n struktura i povećati gustinu energije baterije za 3 puta. I što je veća gustina snage, veći je broj aplikacija koje naš razvoj može pronaći. Imamo dobru osnovu u oblasti sinteze visokokvalitetnih dijamanata i planiramo da koristimo kombinaciju jedinstvena svojstva ovog materijala za proširenje baze komponenti elektronike otporne na zračenje i stvaranje inovativnih elektronskih i optičkih uređaja zasnovanih na njemu.”

NAPAJANJA NUKLEARNE ENERGIJE

Upotreba energije nuklearnog raspada, za razliku od, na primjer, solarnih izvora energije, daje kvalitativno različite tipove dugoročnih svemirskih elektrana. Činjenica je da izvori energije, svemirske nuklearne instalacije (reaktor ili radioaktivni izotop) ne primaju tu energiju iz svemira, već su, takoreći, baterije. Istovremeno, nuklearni reaktor nije direktan izvor električne energije. Reaktor ili izotop je snažan izvor topline. Proizvodnja električne struje u nuklearnom izvoru energije svodi se na pretvaranje toplinske energije u električnu energiju.

Nuklearni izvor energije će biti lociran direktno na brodu OKS-a, što omogućava primanje energije gotovo kontinuirano i bez obzira na bilo kakve vanjske faktore.

Ovdje se nećemo zadržavati na principu rada i strukturi nuklearnog reaktora o tome je dosta i detaljno pisano. Razmotrimo samo neke načine pretvaranja toplotne energije u električnu energiju.

Turbogeneratorska jedinica sa nuklearnim reaktorom smatra se jednim od najperspektivnijih sistema za dugotrajnu upotrebu u svemiru, pa ćemo ga detaljnije razmotriti.

Na sl. 31 prikazano dijagram strujnog kola takva instalacija, sa sredstvom za prijenos topline i čiji je radni fluid tekući.

Rice. 31. Šema nuklearnog turbogeneratorskog postrojenja:

1 - reaktor; 2 - kotao; 3 - pumpa; 4 - turbina; 5 - električni generator; 6 - frižider; 7 - pumpa

Toplina koja se oslobađa u nuklearnom reaktoru se percipira rashladna tečnost primarni krug. Tečnost zagrijana na visoku temperaturu ulazi u aparat za izmjenu topline - kotao, gdje odaje svoju toplinu radno tijelo sekundarno kolo. Nakon toga se pumpa primarno rashladno sredstvo visokog pritiska destilovan nazad u reaktor.

Glavni radni ciklus instalacije odvija se u sekundarnom krugu. Radni fluid (također tečnost) se prvo zagreva do tačke ključanja u kotlu, a zatim tamo potpuno ispari. Para koja ulazi u radne lopatice parne turbine pokreće običan mašinski električni generator da se okreće. Izduvna para izlazi iz turbine i ulazi u frižider, gde se potpuno kondenzuje, odnosno ponovo se pretvara u tečnost.

Kao što smo već rekli, jedini način na koji se toplota može osloboditi u okolni prostor u svemiru je zračenje. Stoga je hladnjak bilo koje prostorne instalacije emiter topline. Radni fluid, koji se vratio u prvobitno tečno stanje, destiluje se pumpom nazad u kotao. Time se završava ciklus glavnog radnog kruga.

Shema u kojoj se glavni radni fluid ne zagrijava direktno u reaktoru, već prima toplinu kroz međurashladno sredstvo, naziva se dvostruki krug.

Također je moguće koristiti jednokružno shema prijenosa topline u kojoj nema primarnog kruga i radni fluid se zagrijava i isparava ne u kotlu, već direktno u kanalima gorivnih elemenata reaktora.

Očigledno, jednokružni krug je jednostavniji i lakši, jer nema izmjenjivač topline - kotao i vodove primarnog kruga. Osim toga, ovakvim dizajnom bilo bi moguće značajno povećati odvođenje topline sa površine reaktora koja oslobađa gorivo, postići višu temperaturu ciklusa, a samim tim i veću efikasnost. Ali uprkos svim ovim prednostima, jednokružno kolo se ne može koristiti za OKS. Glavni razlog- začepljenje rashladne tečnosti sistema produktima radioaktivnog raspada i pojava tzv. indukovane aktivnosti u projektnim elementima instalacije. A to podrazumijeva povećanje težine zaštite od zračenja za posadu i, osim toga, čini popravku i održavanje instalacije u velikoj mjeri nemogućim u radnim uvjetima. Sa shemom s dva kruga, glavni radni fluid nema direktan kontakt s nuklearnim reaktorom, a sekundarni krug sistema je potpuno dostupan za održavanje.

Stvarna implementacija svemirske elektroturbinske elektrane sa nuklearnim reaktorom povezana je sa izborom odgovarajućeg radnog fluida za glavni (sekundarni) krug.

U zemlji nuklearne elektrane kod turbogeneratora voda se koristi kao radni fluid. Ali visoka korozivnost, visoki pritisci pare (do 280 atm ili više), visoka indukovana radioaktivnost i što je najvažnije, niske maksimalne temperature ciklusa (ne više od 300 °C) čine vodu potpuno neprimjenjivom za svemirske elektrane.

Najbolje nekretnine imaju tečni metal rashladne tečnosti. Tečni metali: živa, natrijum, kalij, rubidijum, cezijum i neki drugi imaju veoma visoku toplotnu provodljivost, visoku latentnu toplotu isparavanja, niske pritiske pare pri visokim temperaturama, što opravdava njihovu široku upotrebu u projektovanju nuklearnih turbogeneratorskih postrojenja. Njihova antikorozivna svojstva i indukovana aktivnost su također sasvim prihvatljivi.

U principu, krug turbogeneratora se može realizovati ne samo sa parama tečnih metala, već i sa gasom kao radnim fluidom - prema takozvanom Braytonovom ciklusu, odnosno kao gasnoturbinska instalacija, koja uključuje kompresor umesto kompresora. pumpa. Ali takva shema, unatoč nekim prednostima (više temperature i visoke performanse), ima vrlo značajne nedostatke, posebno vrlo veliku specifična težina.

Projektantsko rješenje turbogeneratora nuklearna instalacija može se razmotriti na primeru SNAP-2 sistema razvijenog u SAD sa električnom snagom od 3 kW (Sl. 32).

Rice. 32. Elektrana SNAP-2:

1 - cijev kondenzatora; 2 - emiter; 3 - jezgro reaktora; 4 - dodatni grijač; 5 - pumpa rashladne tečnosti; 6 - reflektor reaktora; 7 - kontrola opterećenja; 8 - nosivost; 9 - ekspanzioni rezervoar; 10 - živina pumpa; 11 - klizni i potisni ležajevi; 12 - stator električnog generatora; 13 - turbina; 14 - klizni ležaj; 15 - pumpa

Kao rashladno sredstvo primarnog kruga koristi se legura natrijuma i kalija, čija je temperatura na izlazu iz reaktora 650 °C. Rashladno sredstvo sekundarnog kruga je živa. Maksimalna temperatura radni ciklus 621 °C. Turbina je dvostepena. Površina hladnjaka-emitera zračenja je 9,3 m2. Električni generator daje AC napon 110 V, frekvencija 2000 Hz.

Ukupna efikasnost SNAP-2 je samo 6,5%. To znači da se od 50 kW toplotne snage reaktora, oko 47 kW troši emiterom ili troši na zagrijavanje konstrukcije. Ukupna težina sistema SNAP-2 bez biološke zaštite je 270 kg (od čega je 90 kg za reaktor), odnosno specifična težina instalacije bez zaštite je 90 kg/kW.

Ali ova prilično visoka specifična težina nuklearnog postrojenja će se primjetno povećati zbog težine biološke zaštite, koja uvelike ovisi o smještaju elektrane na stanici, kao i o uvjetima rada, posebno o mjestu gdje se reaktor je lansiran - da li će se proizvoditi na Zemlji ili nakon lansiranja OKS-a u orbitu.

Zemaljsko lansiranje nuklearne instalacije otežava održavanje lansirnog mjesta, ali pruža uvjete za potpunu provjeru rada cjelokupnog elektroenergetskog sistema.

Lansiranje u orbitu povezano je sa smanjenjem pouzdanosti cijelog energetskog sistema i prilično je teško implementirati. U slučaju lansiranja na Zemlju, posada, tokom priprema za lansiranje i tokom leta prilikom prolaska kroz atmosferu, mora biti potpuno zaštićena ne samo od usmjerenog zračenja, već i od njegovog „prskanja“ molekulima okolnog zraka, tj. , praktično, zaštita mora biti sveobuhvatna, kontinuirana. U orbiti je dovoljna samo takozvana zaštita od sjene za posadu, čija je težina očito znatno manja. Osim toga, u orbiti, elektrana se može ukloniti iz glavne strukture letjelice na određenoj udaljenosti, na primjer, pomoću teleskopske šipke koja se može uvući ili druge metode. A budući da debljina zaštite ovisi o udaljenosti do izvora zračenja, težina zaštitnog zaslona od sjene može biti još manja. Koliko bi trebala težiti biološka zaštita za turbogenerator SNAP-2? Prilikom izračunavanja polazimo od toga dozvoljena doza izloženost posade. Ako pretpostavimo da ukupna doza posadi OKS-a tokom tri mjeseca ne bi trebala prelaziti 15 rendgena, onda će težina zaštite kada se reaktor udalji od posade za 15 m biti od 200 do 450 kg, ovisno o relativnom rasporedu. reaktora i pilotske kabine.

Dakle, ukupna težina instalacije može doseći 720 kg, a specifična težina - 240 kg/kW. Međutim, treba napomenuti da sa povećanjem snage postrojenja ove brojke značajno opadaju.

Turbogeneratorska jedinica nije jedini način korištenja energije nuklearnog reaktora u svemiru. Postoje i drugi načini da se to pretvori u električnu energiju. O ovim metodama ćemo govoriti u odjeljku o nemašinskim metodama pretvaranja energije.

Energija nuklearnog raspada može se dobiti ne samo u reaktoru, već i korištenjem radioaktivnih izotopa. Glavne prednosti ovog izvora energije, primenljivog za male snage do 0,5 kW), su mala težina i dugo vremena kontinuiran i stabilan rad.

Principski dijagram upotrebe izotopa ne razlikuje se od dijagrama turbogeneratorske jedinice s reaktorom - rashladna tekućina se pumpa kroz poseban kotao s cijevima napravljenim od materijala zasićenog izotopom, na primjer stroncij-90 ili cezij-144 . Ali može se koristiti shema koja se koristi u solarnim baterijama: sloj fosfora ozračen toplinom izotopa emituje fotone koji padaju na silikonski element sličan solarna baterija. Vrlo je teško dobiti visoku električnu snagu korištenjem radioizotopa, a teško je i isplativo, s obzirom na poteškoće u dobivanju izotopa i njihovu visoku cijenu.