Fuentes de energía de radioisótopos

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Las fuentes de energía de radioisótopos  son dispositivos de varios diseños que utilizan la energía liberada durante la desintegración radiactiva para calentar el refrigerante o convertirlo en electricidad .

Una fuente de energía de radioisótopos es fundamentalmente diferente de un reactor nuclear en que no utiliza una reacción nuclear en cadena controlada , sino la energía de la descomposición natural de los isótopos radiactivos .

Clases y tipos de generadores y elementos

Las fuentes de energía de radioisótopos se dividen en:

Isótopos usados ​​(combustible) y requisitos para ello

La fuente de calor o combustible para las fuentes de corriente de radioisótopos son isótopos radiactivos de vida bastante corta de varios elementos químicos. Los principales requisitos para los isótopos y, en consecuencia, para las fuentes de calor de los compuestos y aleaciones hechos de ellos son: una vida media suficientemente larga , seguridad en el manejo y operación (preferiblemente la ausencia de radiación penetrante: radiación gamma dura y neutrones ), alto punto de fusión punto de aleaciones y compuestos, una gran liberación de energía específica, y para isótopos capaces de fisionarse, también es posible una gran masa crítica . Un lugar muy importante en la elección de un isótopo de trabajo lo juega la formación de un isótopo hijo capaz de una liberación significativa de calor, ya que la cadena de transformación nuclear durante la descomposición se alarga y, en consecuencia, aumenta la energía total que se puede utilizar. El mejor ejemplo de un isótopo con una larga cadena de descomposición y una liberación de energía de un orden de magnitud mayor que la mayoría de los demás isótopos es el uranio-232 . Su desventaja es que el talio-208 , que forma parte de su serie radiactiva, emite una radiación gamma muy fuerte ( 2.614 MeV ), que es difícil de blindar. Se conocen más de 3000 radioisótopos, pero solo unos pocos son adecuados para el papel de fuentes de calor en generadores de radioisótopos. Isótopos más comúnmente utilizados para fuentes de energía de radioisótopos en la actualidad[ ¿cuándo? ] tiempo se enumeran en la siguiente tabla:

Fuentes de calor de radioisótopos practicadas
Isótopo Conseguir (fuente) Potencia específica para isótopo puro, W/g Potencia volumétrica, W/cm³ Densidad del combustible, g/cm³ Punto de fusión del combustible, °C Cantidad de combustible, curie / W T 1/2 Energía de desintegración isotópica integrada, kWh/g Forma de trabajo del isótopo
60 años Irradiación en el reactor 2.9 ~26 8.9 ~1480 ~390 5.271 años 193.2 Aleación de metal
238 PU irradiación de neptunio-237 en el reactor 0.568 5.9 11.5 2400 30.3 87,7 años 608.7 PuO2 _
90Sr _ fragmentos de fisión ~2.3 [1] ~9,2 (SrO)
~5,7 ( SrTiO3 ) 		4,7 (SrO)
5,1 ( SrTiO3 ) 		2430 (SrO)
2080 ( SrTiO3 ) 		~60 28,8 años ~840 [1] SrO , SrTiO3 _
144 d.C. fragmentos de fisión 2.6 ~16 7.6 2400 128 285 días 57.439 director ejecutivo 2
242cm _ reactor atómico 121 1169 11.75 ~2270 27.2 162 días 677.8 Cm 2 O 3
147 horas fragmentos de fisión 0.37 1.1 6.6 2300 2700 2,64 años 12.34 Pm 2 O 3
137Cs_ _ fragmentos de fisión 0.27 ~0.86 cuatro 645 320 33 años 230.24 CsCl
210po _ irradiación de bismuto en el reactor 142 1320 9.4 600 ( PbPo ) 31.2 138 días 677.59 aleaciones con Pb , Y , Au
244cm _ reactor atómico 2.8 33.25 11.75 ~2270 29.2 18.1 años 640.6 Cm 2 O 3
232 tu irradiación de torio en un reactor 8,097 [2] ~77,9 10,95 ( UO2 ) 2850 68,9 años 4887.103 [2] UO 2 , UC , ONU .
106 ru fragmentos de fisión 29.8 369.818 12.41 2250 ~371,63 días 9.854 aleación de metal

Cabe señalar que la elección de una fuente de calor isotópica está determinada principalmente por la gama de tareas realizadas por la fuente de energía y el tiempo que lleva completar estas tareas. Una gran desventaja de los radioisótopos es el hecho de que su liberación de energía no se puede controlar (detener o acelerar), solo es posible cortar el flujo de calor de los convertidores.

Además del uranio-232 , isótopos de elementos transuránicos pesados ​​, principalmente plutonio-238 , curio-242 , curio-244 y otros isótopos de elementos transuránicos, como californio-248 , californio-249 , californio-250 , einstenio-254 , atraer interés. , fermio-257 , así como una serie de isótopos más ligeros, como polonio-208 , polonio-209 , actinio-227 .

Varios isómeros nucleares y supuestos nuevos elementos superpesados ​​también son de interés teórico .

Características económicas de los isótopos generadores más importantes

Datos de costos y producción de radioisótopos clave
Isótopo Producción en 1968, kW(th)/año Producción en 1980, kW(th)/año Costo en 1959, USD/W Costo en 1968, USD/W Costo en 1980, USD/W Precios en 1975 (Oak Ridge), USD/gramo
60 años sin datos 1000 sin datos 26 diez 106
238 PU 17 400 sin datos 1600 540 242
90Sr _ 67 850 170 treinta veinte veinte
144 d.C. 800 10000 39 19 2 cincuenta
242cm _ 17 252
147 horas 5.5 40 710 558 220 75
137Cs_ _ 48 850 95 26 24 diez
210po _ catorce sin datos sin datos 780 veinte 1010
244cm _ 29 64 612
232 tu
Rendimiento de isótopos generadores producidos en reactores nucleares
Isótopo Sustancia y masa del objetivo. Duración de la irradiación Densidad de flujo de neutrones (cm −2 s −1 ) Rendimiento de isótopos en gramos Parte no utilizada del objetivo
60 años Cobalto-59 (100 g) 1 año 2⋅10 13 1,6 gramos
238 PU Neptunio-237 (100 g) 3 años 2⋅10 13 20g
210po _ Bismuto-209 (1 tonelada) 1 año 2⋅10 13 4g
242cm _ Americio-241 (100 g) 1 año 2⋅10 13 6 gramos
232 tu 2⋅10 13

Con el desarrollo y crecimiento de la energía nuclear, los precios de los isótopos generadores más importantes están cayendo rápidamente y la producción de isótopos está aumentando rápidamente, lo que predetermina la expansión de la energía de radioisótopos. Al mismo tiempo, el costo de los isótopos obtenidos por irradiación (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242, etc.) se reduce ligeramente y, por lo tanto, en muchos países con una industria de radioisótopos desarrollada, se encuentran formas de se buscan esquemas de irradiación más racionales, objetivos, procesamiento más completo del combustible irradiado. En gran medida, las esperanzas de ampliar la producción de isótopos sintéticos están asociadas al crecimiento del sector de los reactores de neutrones rápidos ya la posible aparición de los reactores termonucleares. En particular, son precisamente los reactores de neutrones rápidos que utilizan cantidades significativas de torio los que permiten esperar la producción de grandes cantidades comerciales de uranio-232. Los especialistas atribuyen el aumento en los volúmenes de producción de isótopos principalmente a un aumento en la potencia específica de los reactores, una disminución en la fuga de neutrones, un aumento en la fluencia de neutrones , una reducción en el tiempo de irradiación del objetivo y el desarrollo de ciclos continuos para separar isótopos valiosos [3 ] .

Con el uso de isótopos, el problema de la disposición final del combustible nuclear gastado se resuelve en gran medida y los desechos radiactivos de desechos peligrosos se convierten no solo en una fuente adicional de energía, sino también en una fuente de ingresos significativos. El reprocesamiento casi completo del combustible irradiado es capaz de generar ingresos comparables al costo de la energía generada en la fisión de uranio, plutonio y otros elementos.

Capacidad total de productos de fisión producidos por centrales nucleares
Año Capacidad eléctrica instalada por año, MW Potencia total, MW Potencia total del reactor, MW Potencia total β y γ de radiación isotópica, kW
1961 161 161 644 386
1962 161 322 1288 772
1963 187 509 2036 1222
1964 187 696 2784 1670
1965 214 910 3640 2184
1966 428 1338 5352 3211
1967 670 2008 8032 4819
1968 830 2838 11352 6811
1969 1687 4525 18100 10860
1970 2062 6587 26348 15809
1971 2143 8730 34920 20952
1972 2357 11087 44348 26609
1973 2571 13658 54632 32779
1974 3080 16658 66632 39979
1975 4339 20997 83988 50393

Aplicaciones

Las fuentes de energía de radioisótopos se utilizan donde es necesario garantizar la autonomía de funcionamiento del equipo, una gran fiabilidad, un peso y unas dimensiones reducidos. Actualmente[ ¿cuándo? ] tiempo, las principales áreas de aplicación son el espacio (satélites, estaciones interplanetarias, etc.), vehículos de aguas profundas, territorios remotos (el extremo norte, el mar abierto, la Antártida). Por ejemplo, el estudio del "espacio profundo" sin generadores de radioisótopos es imposible, ya que a una distancia significativa del Sol , el nivel de energía solar que se puede utilizar mediante fotocélulas es muy pequeño. Por ejemplo, en la órbita de Saturno , la iluminación del Sol en el cenit corresponde al crepúsculo terrestre. Además, a una distancia significativa de la Tierra , se requiere una potencia muy alta para transmitir señales de radio desde una sonda espacial. Así, la única fuente de energía posible para una nave espacial en tales condiciones, además de un reactor nuclear, es precisamente un generador de radioisótopos.

Aplicaciones existentes:

Áreas de aplicación prometedoras:

Construcción

Al diseñar fuentes de energía de radioisótopos, los ingenieros se guían por las características más altas posibles de los materiales y, en consecuencia, por el mejor resultado final. Al mismo tiempo, los factores económicos y los peligros secundarios también deben tenerse en cuenta al crear un diseño. Entonces, por ejemplo, cuando se usan isótopos de trabajo emisores alfa con una liberación de energía específica alta, a menudo es necesario diluir el isótopo de trabajo para reducir la liberación de calor. Se utilizan varios metales como diluyentes, en el caso de utilizar un isótopo en forma de óxido u otro compuesto, la dilución se lleva a cabo con un óxido inerte adecuado, etc. Las reacciones secundarias de partículas emitidas por un radioisótopo de trabajo con un material diluyente deben ser tomado en cuenta; así, aunque el berilio o sus compuestos refractarios (óxido, carburo, boruro) son convenientes como diluyente para los isótopos beta-activos (debido a la alta conductividad térmica, baja densidad, alta capacidad calorífica), pero en contacto con un isótopo alfa-activo debido a la eficiencia (α, n ) -reacciones en núcleos ligeros, la fuente de calor se convertirá en una fuente de neutrones muy peligrosa , lo cual es completamente inaceptable por razones de seguridad.

Cuando se diseñan cubiertas protectoras contra la radiación gamma, los materiales más preferidos son principalmente el plomo (debido a su bajo costo) y el uranio empobrecido (debido a su capacidad mucho mayor para absorber la radiación gamma).

Al crear elementos emisores de polonio, el hecho de que el polonio , como el telurio , es muy volátil, juega un papel importante en la dilución , y se requiere la creación de un compuesto químico fuerte con cualquier elemento. Como tales elementos, se prefieren el plomo y el itrio, ya que forman polonuros refractarios y fuertes. El oro también forma un polonuro altamente tecnológico . Es económicamente eficiente utilizar uranio empobrecido para la protección contra la radiación gamma (la eficiencia de absorción de cuantos gamma por parte del uranio es 1,9 veces mayor que la del plomo) debido a la necesidad de asimilar grandes reservas acumuladas de uranio empobrecido en tecnología.

Materiales estructurales y auxiliares para la producción de RIE

En la producción de fuentes de energía de radioisótopos, se utilizan diversos materiales estructurales y auxiliares que tienen propiedades fisicoquímicas, mecánicas y físico-nucleares específicas, que permiten aumentar la eficiencia de los dispositivos y garantizar un alto nivel de seguridad tanto durante el funcionamiento normal y en condiciones de emergencia.

Regulación de modos de funcionamiento

La regulación del funcionamiento de las fuentes de energía de radioisótopos presenta ciertas dificultades, debido al hecho de que la propia fuente (radioisótopo) tiene parámetros fijos de liberación de calor, en los que la tecnología moderna no puede influir (acelerar o ralentizar). Al mismo tiempo, se pueden ajustar los parámetros de la electricidad generada (así como la presión de los gases o líquidos de trabajo). Actualmente[ ¿cuándo? ] tiempo, todos los métodos de regulación de las fuentes de energía de radioisótopos se reducen a lo siguiente:

Historia de los generadores y baterías de radioisótopos

Históricamente, la primera fuente radioisotópica de energía eléctrica (célula beta) fue creada y presentada por el físico británico G. Moseley en 1913 . Era (según la clasificación moderna) un elemento atómico: una esfera de vidrio, plateada desde el interior, en cuyo centro se ubicaba una fuente de radiación ionizante de radio en un electrodo aislado. Los electrones emitidos por la desintegración beta crearon una diferencia de potencial entre la capa de plata de la esfera de vidrio y el electrodo de sal de radio.

Los primeros generadores de radioisótopos prácticos aparecieron a mediados del siglo XX en la URSS y los EE . UU . , en relación con la exploración del espacio exterior y la aparición de una cantidad suficientemente grande de fragmentos de fisión de combustible nuclear (de cuya cantidad se necesita el los isótopos se obtienen por métodos de procesamiento radioquímico).

Uno de los motivos de peso para el uso de fuentes de energía de radioisótopos es una serie de ventajas sobre otras fuentes de energía (prácticamente libre de mantenimiento, compacidad, etc.), y la razón decisiva fue la enorme intensidad energética de los isótopos. En la práctica, en términos de intensidad de energía másica y volumétrica, la desintegración de los isótopos utilizados solo es superada por la fisión del uranio , el plutonio y otros núcleos entre 4 y 50 veces, y supera a las fuentes químicas ( acumuladores , celdas de combustible , etc. ). ) por decenas y cientos de miles de veces.

Trabajos en los EE.UU.

En 1956, surgió en Estados Unidos un programa denominado SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power - centrales nucleares auxiliares) . El programa ha sido diseñado para satisfacer la necesidad de una fuente de energía fuera de la red confiable que se pueda usar en ubicaciones remotas durante un período de tiempo significativo sin ningún tipo de mantenimiento. El éxito de este programa fue la aparición de dichas fuentes en los satélites Transit (SNAP-11), la Estación Antártica Estadounidense y la Oficina Meteorológica del Ártico (SNAP-7-D, SNAP-7-E, SNAP-10-A) . Los generadores SNAP-1A, SNAP-2, SNAP-3, SNAP-3A1 (1969), SNAP-8, NAP-100 (1959), SNAP-50 se crearon utilizando el ciclo de vapor de mercurio de Rankine ( turbogenerador ).

Generadores de radioisótopos americanos : NAP-100, SNAP-1A, SNAP-2, SNAP-3, SNAP-3A1, SNAP-7-D, SNAP-7-E, SNAP-8, SNAP-10-A, SNAP-11, SNAP-50, SNAP-9, SNAP-19, SNAP-21, SNAP-23, SNAP-25, SNAP-27, SNAP-29, generador de radioisótopos Stirling (SRG), etc.

Actualmente[ ¿cuándo? ] vez en los Estados Unidos, se formó el departamento de sistemas de energía de radioisótopos en el Departamento de Energía de los EE. UU. y, por lo tanto, la energía de radioisótopos se destacó y se convirtió en un campo de energía independiente.

Obras en la URSS y Rusia

En la nave espacial soviética " Cosmos-84 ", " Cosmos-90 " (1965), se utilizaron generadores de radioisótopos "Orion-1" y "11K" basados ​​​​en polonio-210 . El mismo isótopo (en la composición del polonuro de itrio ) fue la base de las fuentes de calor del radioisótopo B3-P70-4 con una potencia térmica inicial de 150-170 W en los aparatos Lunokhod-1 (1970) y Lunokhod-2 (1973). [4] .

Generadores de radioisótopos rusos :

Otros países

Generadores de radioisótopos en inglés :

Formas de desarrollo y aumento de la eficiencia

Los radioisótopos obtenidos por la industria son bastante caros; además, algunos de ellos todavía se están produciendo en cantidades muy pequeñas debido a las dificultades de obtención, separación y acumulación. En primer lugar, esto se aplica a los isótopos más importantes: plutonio-238, curio-242 y uranio-232, como los más prometedores, tecnológicamente avanzados y que cumplen el conjunto principal de tareas asignadas a las fuentes de energía de radioisótopos. Al respecto, en países grandes con energía nuclear desarrollada y complejos para el procesamiento de combustible irradiado, existen programas de acumulación y separación de plutonio [6] y California, así como instalaciones y grupos de especialistas que trabajan en estos programas [7 ] .

La mejora de la eficiencia de los generadores de radioisótopos va en tres direcciones:

Características de seguridad, salud y medio ambiente en el trabajo. Eliminación de generadores

Los materiales radiactivos utilizados en las fuentes de energía de radioisótopos son sustancias altamente peligrosas cuando se liberan en el entorno humano. Tienen dos factores dañinos: la liberación de calor, que puede provocar quemaduras, y la radiación radiactiva. A continuación se muestra una serie de isótopos utilizados en la práctica, así como prometedores, mientras que junto con la vida media, se dan sus tipos de radiación, energía e intensidad de energía específica.

Energías de radiación y vida media de fuentes de calor de radioisótopos aplicadas y prospectivas:
Isótopo Vida media T 1/2 Energía de desintegración isotópica integrada, kWh/g Energía media de las partículas β , MeV Energía de las partículas α , MeV Energía de γ -quanta, MeV
60Co _ 5,27 años 193.2 0,31 (99,9%); 1,48 (0,1%) 1,17 + 1,33
238 PU 87.74 años 608.7 5,5 (71%); 5,46 (29%)
90Sr _ 28,8 años ~840 [1] 0,546 + 2,28 [1]
144 d.C. 284,9 días 57.439 0.31
242cm _ 162,8 días 677.8 6,11 (74%); 6,07 (26%)
147 horas 2.6234 años 12.34 0.224
137Cs_ _ 30.17 años 230.24 0,512 (94,6%); 1.174 (5,4%) 0.662 (80%)
210po _ 138.376 días 677.59 5.305 (100%)
244cm _ 18.1 años 640.6 5,8 (77%); 5,76 (23%)
208po_ _ 2,898 años 659.561 5.115 (99%)
232 tu ~68,9 años 4887.103 [2] 5,32 (69%); 5,26 (31%)
248 pies cúbicos 333,5 días 6,27 (82%); 6,22 (18%)
250 pies cúbicos 13,08 años 6,03 (85%); 5.99 (15%)
254 Es 275,7 días 678.933 6,43 (93%) 0,27-0,31 (0,22%); 0.063 (2%)
257 fm 100,5 días 680.493 6,52 (99,79%)
209 Po 102 años 626.472 4.881 (99,74%) 0,4 (0,261%)
227 ac 21.773 años 13,427??? 0,046 (98,62%) 4,95 (1,38%)
148 Di-s 93 años 576.816 3.183 (100%)
106 ru 371,63 días 9.864 0.039 (100%)
170 toneladas 128,6 días 153.044 0.97 (~99%) 0.084 (~1%)
194m Ir 171 días 317.979 2.3 (100%) 0,15; 0,32; 0,63
241 a.m. 432,5 años ~610 5,49 (85%); 5.44 (15%)
154 euros 8,8 años 1,85 (10%); 0,87 (90%) 0,123; 0,724; 0,876; una; 1.278

Los principales peligros asociados con el uso de fuentes de energía de radioisótopos son [8] :

Medidas para contrarrestar la ocurrencia de peligros y accidentes:

Accidentes

Estos son algunos ejemplos de incidentes en los que las fuentes de energía de radioisótopos han sido destruidas o podrían ser destruidas, liberando radionúclidos al medio ambiente o resultando en exposición humana.

Fabricantes y proveedores

Notas

  1. ↑ 1 2 3 4 Teniendo en cuenta el isótopo hijo de vida corta ( T 1/2 = 64 horas) del itrio-90 .
  2. ↑ 1 2 3 Teniendo en cuenta la cadena de descomposición completa de los isótopos hijos de vida corta
  3. ↑ El Pentágono no tenía suficiente plutonio ruso. Estados Unidos está implementando su propia producción de plantas de energía nuclear Archivado el 17 de abril de 2021 en Wayback Machine // Lenta.ru
  4. ↑ 1 2 Fuentes de calor de radioisótopos // Sarov ( copia )
  5. ↑ APÉNDICE 6. GENERADORES TERMOELÉCTRICOS DE RADIOISÓTOPOS // Sarov ( copia )
  6. ↑ [1]  (enlace no disponible desde el 13-01-2014 [3209 días])
  7. ↑ Estados Unidos reanuda la producción de plutonio 238. Archivado el 14 de enero de 2014 en Wayback Machine , el 28 de junio de 2005.
  8. ↑ 1 2 RITEGI. Accidentes en la Flota del Norte Archivado el 27 de febrero de 2007 en Wayback Machine // Bellona, ​​​​Rashid Alimov, 17/ 11-2003
  9. ↑ Radiactividad en el ambiente marino - Google Books . Consultado el 16 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 11 de septiembre de 2020.
  10. ↑ Arthur W. Fihelly, Herbert N. Berkow y Charles F. Baxter. EXPERIENCIA DE INTEGRACIÓN SNAP-19/NIMBUS B Archivado el 16 de febrero de 2017 en Wayback Machine . NASA, Centro de Vuelo Espacial Goddard, agosto de 1968.
  11. ↑ 1 2 Accidentes de objetos espaciales con centrales nucleares . Consultado el 17 de marzo de 2013. Archivado desde el original el 31 de marzo de 2012.
  12. ↑ Accidente de radiación en la región de Murmansk - ladrones desmantelaron RITEG, irradiados hasta la muerte. Archivado el 17 de octubre de 2017 en Wayback Machine of REGNUM. 17 de noviembre de 2003.

Literatura

Enlaces

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