Termenul "baterie atomică", "baterie nucleară" și "baterie radioizotope" înseamnă un dispozitiv care utilizează radiația particulelor încărcate emise de un izotop radioactiv pentru a genera energie electrică.
Dispozitivele de transformare a decăderii naturale radioactive direct în electricitate nu sunt ceva nou. Tehnologia bateriilor nucleare a apărut în 1913, când Henry Moselle a demonstrat pentru prima dată elementul Beta.
Bateriile care utilizează energia de dezintegrare radioactivă pot genera energie electrică în 10-20 de ani. Tehnicile de generare sunt împărțite în 2 grupe - termice și nontermale. Convertoarele termice (electricitatea generată datorită diferențelor de temperatură) includ generatoarele termoelectrice și termionice. Convertoarele non-termice (nu folosiți diferența de temperatură pentru generarea energiei electrice) utilizează energia fluxului incident pentru a produce electricitate, dar numai o parte a fluxului este utilizată, deoarece cea mai mare parte trece în căldură.
Convertorul termionic
Convertorul termionic constă dintr-un electrod fierbinte care emite electroni printr-o barieră de energie potențială la electrodul rece și prin urmare produce energie electrică. Vaporii de cesiu sunt utilizați pentru a optimiza funcționarea electrozilor și pentru a servi drept sursă de ioni pentru a neutraliza încărcarea spațială a electronilor.
descriere
Aspectul științific al generării de energie termică este descris în fizica suprafeței și fizica plasmei. Proprietățile de suprafață ale electrozilor determină magnitudinea radiației electronice și potențialul electric al suprafeței electrozilor, iar proprietățile plasmei determină fluxul de electroni de la radiator către colector. Convertoarele termionice folosesc vapori de cesiu între electrozi, care determină proprietățile suprafeței și ale plasmei. Cesiul este folosit deoarece este cel mai ușor ionizabil.
Proprietățile suprafeței sunt de interes, deoarece aceasta este bariera care limitează emisia de electroni de la suprafața însăși. Funcția de lucru este determinată în principal de stratul de atomi de cesiu absorbit de suprafața electrozilor. Proprietățile plasmei interelectrode sunt determinate de modul de operare al convertorului termionic. În starea de aprindere (așa-numitul "arc"), plasma este susținută intern de către electronii cu plasmă fierbinte (
3300 K); în starea neinflamată, plasma este menținută prin injectarea de electroni pozitivi în plasmă rece; într-un mod hibrid, plasma este susținută de ioni din plasma fierbinte în spațiul interelectrode care curge în plasmă rece.
Generator termoelectric radioizotop
Un generator termoelectric de radioizotop (RTG) este un generator electric simplu care este alimentat prin dezintegrare radioactivă. Într-un dispozitiv similar, căldura este generată de degradarea unui material radioactiv adecvat și transformată în energie electrică utilizând efectul Seebeck (se utilizează termoelemente). RTG este sursa cea mai dorită de energie în situațiile în care nu este necesară prezența oamenilor. Primele probe de lucru au produs câteva sute de wați pentru o perioadă lungă de timp. Folosit de obicei în cazul în care instalarea panourilor solare nu a fost posibilă.
desen
Designul RTG este simplu în ceea ce privește standardele tehnologiei nucleare: componenta principală este un container rezistent cu material radioactiv (combustibil). Termocuplurile sunt plasate pe pereții containerului, fiecare capăt exterior al termocuplurilor fiind conectat la chiuveta de încălzire. Degradarea radioactivă a combustibilului dă căldură care trece prin termocupluri la chiuvete, electricitatea fiind generată în timpul acestui proces.
Termoelementul este un dispozitiv termoelectric care convertește energia termică direct în energie electrică utilizând efectul Seebeck. Termoelementul este alcătuit din două tipuri de metale (sau semiconductoare) care pot conduce curentul. Ele sunt conectate unele cu altele într-un cerc vicios. Dacă îmbinările (cusăturile) au temperaturi diferite, atunci un curent electric va curge prin acest contur.
combustibil
Materialele radioactive utilizate în RTG ar trebui să aibă următoarele caracteristici:
- Timpul de înjumătățire trebuie să fie suficient de lung pentru a genera electricitate pentru o perioadă lungă de timp și cu o intensitate constantă. Cu toate acestea, timpul de înjumătățire trebuie să fie suficient de scurt pentru ca materialul să se destrame suficient de repede pentru a produce suficientă căldură. Materialele utilizate în RGT au un timp de înjumătățire de câteva decenii, deși izotopii cu un timp de înjumătățire mai scurt sunt utilizați în scopuri speciale.
- De asemenea, combustibilul ar trebui să aibă un raport ridicat de energie la masă și volum (densitate) pentru ca bateriile să fie mai compacte.
- Combustibilul ar trebui să aibă o radiație energetică mare, dar cu putere de penetrare scăzută, în principal radiații alfa. Baza de radiații poate crea radiații gamma semnificative prin producerea de bramsstrahlung secundar și, prin urmare, necesită o ecranare puternică. Izotopii nu ar trebui să aibă radiații gamma mari, radiații neutronice sau radiații penetrante.
Primele două criterii limitează numărul de combustibili posibili la 30 de izotopi în întreaga tabelă de izotopi. Plutoniu-238, curium-244 și stronțiu-90 sunt cele mai potrivite, dar izotopi cum ar fi poloniu-210, promețiu-147, cesiu-137, ceriu-144, ruteniu-106, cobalt-60, curiu-242 izotopilor thulium asemenea studiate . Dintre toate cele de mai sus, plutoniul-238 are cele mai mici cerințe de ecranare și cel mai lung timp de înjumătățire. Și numai 3 izotopi îndeplinesc al treilea criteriu (care nu este indicat mai sus) și necesită o ecranare de plumb mai mică de 25 mm. Plutoniul-238 (cel mai bun dintre cele trei) necesită mai puțin de 2,5 mm și, în multe cazuri, nu necesită screening deloc, deoarece Cazul este suficient.
Plutonium-238 este cel mai frecvent utilizat în RTG sub formă de oxid de plutoniu (IV). Plutoniul-238 are un timp de înjumătățire de 87,7 ani, o radiație energetică bună și un nivel foarte scăzut de radiații gamma și neutroni.
Generator fotovoltaic termic (TFG)
Convertirea energiei termo-fotovoltaice este un proces direct de generare a energiei electrice datorită diferenței de temperatură. Un sistem fotovoltaic termic convențional constă dintr-un radiator termic și o diodă fotovoltaică.
Temperatura radiatorului de căldură variază de la sistem la sistem, de la aproximativ 900 la 1300 de grade Celsius. Deși, în principiu, dispozitivele TFG pot genera energie de la orice radiator cu o temperatură mai mare decât cea a unui dispozitiv fotoelectric (devenind de fapt un motor cu căldură optică). Emițătorul poate fi realizat dintr-o singură piesă sau dintr-un sistem special conceput. Radiația termică este emisia spontană de fotoni datorită forfecării termice a încărcăturii în material. Radiația TFG obișnuită este în infraroșu și în jurul spectrului de radiație infraroșie. O diodă fotoelectrică poate absorbi unele dintre fotonii emise și le poate transforma în electricitate gratuită.
Sistemele TFG au foarte puțin sau deloc părți în mișcare și, prin urmare, sunt foarte silențioase și nu necesită întreținere frecventă. Cu toate acestea, eficiența acestora este destul de scăzută în comparație cu alte sisteme de generare a energiei.
Sistemele TFG sunt de asemenea utilizate ca sisteme auxiliare de conversie pentru regenerarea pierderilor de căldură în alte sisteme, cum ar fi turbinele cu abur sau panourile solare.
Generator termic pe metal alcalin
Electrogeneratorul termic pe un metal alcalin este un dispozitiv electrochimic regenerant termic pentru producerea directă a energiei electrice utilizând conversia căldurii în energie electrică. Una dintre caracteristicile sale este o eficiență ridicată și absența părților mobile.
Temperatura de funcționare a dispozitivului este de 900-1300 grade Kelvin și generează energie cu o eficiență de 15-40%. În acest dispozitiv, sodiul circulă într-un ciclu termodinamic închis între două rezervoare de căldură cu temperaturi diferite. O caracteristică unică a ciclului de funcționare al dispozitivului este extinderea izotermă a vaporilor de sodiu prin electrolit solid, prin urmare, se descompun sodiu Atobe în ioni de sodiu și electroni.
Conversia de energie se bazează pe electrolitul utilizat în bateriile cu sulf pe bază de sodiu, beta-oxid de aluminiu de sodiu. Aparatul în sine este o baterie sifon acumulativ și folosește ceramică, policristalin betaokis aluminiu electrolit solid ca separator între regiunea de înaltă presiune care conține o pereche de sodiu la o temperatură de 900-1300 de grade Kelvin și o regiune cu presiune joasă care conține un condensator de sodiu lichid la o temperatură de 400-700 grade Kelvin. Primele probe au avut următoarele caracteristici: o celulă - tensiune de 1,37 V și o putere maximă de 7,89 W, iar densitatea maximă de putere a fost de 0,4 wați / temperatură sm2pri de 1007 grade Kelvin.
Aparatul necesită o putere de intrare a temperaturilor medii și a oricărei lungimi de undă. Acesta poate fi adaptat la orice sursă de căldură, inclusiv radioizotopi, lumina soarelui, ardere internă sau un reactor atomic.
Generatoare beta-galvanice
Generatori beta-galvanici, baterii în mod obișnuit obișnuite, care utilizează energia unei surse radioactive a unei particule beta radiative. De obicei se utilizează izotopi de hidrogen, tritiu. Spre deosebire de sursele de energie atomică care utilizează radiații radioactive pentru generarea energiei electrice (surse termoelectrice și termionice), sursele beta-galvanice utilizează o transformare non-termică pentru a genera energie electrică.
Conform principiului de funcționare, celulele beta-galvanice sunt similare celulelor solare, care transformă fotonii (lumina) în energie electrică. Într-un generator beta-galvanic, atunci când un electron lovește dintr-o suprafață specială între două straturi de material (p-n-joncțiune) și ca rezultat, se formează electricitate.
Pentru a crește eficiența, se utilizează diode de siliciu poros - crește suprafața de contact.
Cu toate ca generatoare-beta galvanice folosesc materiale radioactive ca o sursă de putere, este important de remarcat faptul că radiația beta are consum redus de energie și este ușor de a opri screening-ul. Cu ecranare corect proiectată, celulele beta-galvanice nu vor emite nici o radiație.
În timp, datorită timpului de înjumătățire al substanței radioactive, puterea generatorului va scădea - este compensată de un înlocuitor.
Baterii atomice optice-electrice
Bateriile nucleare optoelectronice au fost dezvoltate la Institutul Kurchatov (Moscova). emițători beta, cum ar fi technețiu-99 sau stronțiu-90 sunt suspendate într-un gaz sau un gaz fluorescent excimer moleculă tip lichid conținând (molecula diatomica excitat de aceiași atomi), formând un „praf de plasmă“. Acest sistem ne permite să radiăm electronii beta din plasa de praf în cochila fotovoltaică practic fără pierderi. Toate acestea permit crearea unei baterii atomice ușoare, cu joasă presiune și cu o eficiență ridicată. Materialul radiant utilizat este deșeurile radioactive ieftine din reactoarele nucleare. Diametrul particulelor de praf sunt atât de mici (câțiva micrometri), care electronii au format ca urmare a dezintegrarea beta, lăsând un „nor“ fără pierderi. Plasma din jur, ușor ionizată, constă dintr-un gaz sau un amestec de gaze (de exemplu, krypton, argon, xenon).
Trimiteți-le prietenilor: