Стартовая >> Книги >> Учеба >> Очерки развития термоэлектричества

Радиоизотопные термогенераторы - Очерки развития термоэлектричества

Оглавление
Очерки развития термоэлектричества
Открытие основных термоэлектрических эффектов
Основные направления термоэлектричества
Связь термоэлектричества с другими научно-техническими направлениями
Феноменологическая теория
Гальванотермомагнитные эффекты
Современное состояние теории термоэлектрических явлений
Микроскопическая теория термоэлектрических явлений
История развития термоэлектрического материаловедения
Современное состояние термоэлектрического материаловедения
История термоэлектрической энергетики
Современное состояние термоэлектрической энергетики
Солнечные термогенераторы
Радиоизотопные термогенераторы
Термогенераторы с другими источниками тепла
История развития термоэлектрического охлаждения
Современное состояние термоэлектрического охлаждения
История развития термоэлектрической термометрии
Области применения термопар
Технические возможности термопар
Влияние внешних магнитных полей
Термоэлектрическая нестабильность термопар
Низкотемпературные термопары
Среднетемпературные измерения
Инерционность термопар, микротермопары
Тонкопленочные термопары
История развития термоэлектрических приемников излучения
Современное состояние в области термоэлектрических приемников излучения
История развития электроизмерительных преобразователей
Современное состояние в области термоэлектрических приемников излучения
История развития термоэлектрической микрокалориметрии
Современное состояние микрокалориметрии
Термоэлектрическая теплометрия
Термоэлектромеханические преобразователи
Другие термоэлектрические приборы
Список сокращенных названий институтов, литературы

Развитие физики атома и ядра обусловили появление радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РТЭГ), использующих тепло распада радиоактивных изотопов. Проект первой установки такого типа был разработан американским инженером Э. Ллойдом в 1946 г. [138]. Первый радиоизотопный термогенератор, созданный в 1954 г. в лаборатории «Моунд», работал на полонии-210, его мощность составляла 1,8 мВт.

Дальнейшее развитие радиоизотопной термоэлектрической энергетики определялось долгосрочной программой «Система вспомогательной атомной энергии» (СНАП), разработанной Комиссией по атомной энергии США, по развитию компактных, высокомощных и долговечных источников электроэнергии в целях освоения космического пространства с помощью ядерных источников тепла с полупроводниковыми термобатареями [40].
В 1956 г. фирмой «Мартин» были начаты работы по созданию радиоизотопного термоэлектрического генератора мощностью 135 Вт на церии-144, получившего впоследствии маркировку СНАП-1А. В 1961 г. был осуществлен монтаж первого наземного РТЭГ на острове Акселя-Хейберга и пуск автоматической метеорологической станции мощностью 5 Вт. В этом же году осуществлен запуск спутников военно-морского флота США «Транзит-4А» и «Транзит-4В» с модифицированными генераторами СНАП-3В на плутонии. Интересно отметить, что этот термогенератор мощностью 2,7 Вт и массой 2 кг за пять лет выработал такое количество энергии, для получения которого потребовались бы химические батареи массой 3,2 т [59].
Военно-морской флот в основном использовал РТЭГ серии СНАП-7, в которых источником тепла являлся стронций-90 РТЭГ применялись в наземных и морских условиях на автономных автоматических сейсмических и метеорологических станциях, расположенных в отдаленных и труднодоступных районах, средствах навигации, сигнальных устройствах на дне океана и океанологическом оборудовании. Для обеспечения электрической энергией непосещаемой метеостанции в Антарктиде, установленной на Миииа Блуф в 1100 км от Южного полюса, в феврале 1962 г. был использован СНАП-7С, проработавший более шести лет.
В 1963 г. Комиссия по атомной энергии США поручила фирмам «Галф дженерал атомик» и «ТРВ систем» разработку термоэлектрических панелей «Изотек», предназначенных для установки на спутнике ТРИАД-2 [40].
При осуществлении программы полета на Луну в 1964 г. фирма «Мартин» разработала систему СНАП-11, которая должна была служить дополнительным источником энергопитания во время лунной ночи, когда основной источник — солнечные батареи — были неприемлемы. В системе СНАП-11 использовались термоэлементы из теллурида свинца. Результаты испытаний системы в условиях, имитирующих запуск ракетной системы «Атлас» и работу космического аппарата «Сервейер», подтвердили высокую надежность системы, ее способность к непрерывной работе (независимо от ориентации генератора и температурных колебаний), сохранность топлива при любых условиях [40, 76, 93].
В 1964 г. в Мексиканском заливе начала работать метеорологическая станция НОМАД, использующая радиоизотопный термогенератор СНАП-7Д мощностью 50 Вт. Эта система служила для получения данных о цунами, представляющих большую опасность для этого района, а также для питания навигационного оборудования. Кроме того, в 60-х годах в США были разработаны РТЭГ для питания плавучих метеорологических, научно-исследовательских и сейсмографических станций, океанографических телеметрических систем и т. п.
В РТЭГ серии СИАП-15А, разработанных в 1966 г. фирмой «Дженерал атомик» и рассчитанных на низкие мощности (от 1 до 100 мВт) и многоцелевое использование в микроэлектронике, в качестве термоэлектрических преобразователей применялись металлические термопары с КПД от 0,12 до 0,47 % [40].
В нашей стране к разработке радиоизотопных термогенераторов приступили в начале 60-х годов. Первая радиоизотопная термоэлектрическая система на церии-144 мощностью 5,3 Вт, получившая название «Бета-1» (рис. 4.33), была введена в эксплуатацию в 1963 г. и установлена на опытной метеорологической станции в Химках. Источник успешно проработал 8800 ч и выработал около 25 кВт · ч электроэнергии. В декабре 1964 г. был создан РТЭГ «Бета-2» на стронции-90 для автоматической метеорологической станции APMС-H мощностью 7,3 Вт (рис. 4.34) [38].
Высокое качество советских радиоизотопных генераторов типа «Бета», созданных в соответствии с программой разработки наземных изотопных термогенераторов ВНИИ радиационной техники совместно с другими организациями, было отмечено на Лейпцигской ярмарке 1965 г. большой золотой медалью [58].

Рис. 4.33. Радиоизотопный термогенератор «Бета-1».
Рис. 4.34. Радиоизотопный термогенератор «Бета-2» [59].

В рамках программы создания высоконадежных и долговечных источников энергии для космических спутников в СССР было создано несколько радиоизотопных термоэлектрических установок на полонии-210. Разработан радиоизотопный термогенератор с тепловым блоком в виде плоского параллелепипеда, зажатого между горячими сторонами двух термобатарей, холодные концы которых упираются в корпус-излучатель (рис. 4.35).

Термобатареи изготавливались из кремний-германиевого сплава, имеющего высокую рабочую температуру, малый удельный вес и хорошие прочностные свойства. О разработке первых советских космических радиоизотопных термоэлектрических установок было сообщено на 3-й Международной конференции по мирному использованию атомной энергии (Женева, 1964) в докладе А. Н. Воронина, И. Г. Гвердцители, Р. З. Гринберга, В. М. Кодюкова,
Радиоизотопный теплогенератор
Рис. 4.35. Радиоизотопный теплогенератор на полонии-210 [21].
А. И. Рагозинского, Г. М. Фрадкина и др.

Радиоизотопными термоэлектрическими генераторами был оснащен ряд советских искусственных спутников Земли серии «Космос» [59].
Существенным шагом в развитии космических термоэлектрических источников тока явилась разработка термогенератора СНАП-19 для метеорологического спутника «Нимбус». Он обеспечивал 10 % мощности, потребляемой спутником, и снабжал энергией научную аппаратуру, в которую входили телевизионные камеры, инфракрасные радиометры для получения изображений облачного покрова в ночное время, инфракрасный спектрометр для исследования вертикального температурного профиля атмосферы и приборы, определяющие температуру поверхности Земли [134].
В 1969 г. при выполнении лунной программы экипаж космического корабля «Апполон-12» установил на поверхности Луны в точке с координатами 3° южной широты и 23° западной долготы радиоизотопный термогенератор мощностью 63 Вт. Топливная камера для генератора доставлялась на Луну отдельно и монтировалась в термоэлектрический блок после прилунения. Термоэлектрический источник тока в течение года питал комплект приборов, включавший пассивный сейсмограф, спектрометр для изучения солнечного света, детекторы лунной атмосферы и ионосферы, магнитометр [41].
Первым космическим объектом, энергоснабжение которого полностью осуществлялось термоэлектрическими установками, стал американский аппарат «Пионер-10». Он был запущен в 1972 г. и после пяти лет полета ого радиоизотопные термогенераторы еще развивали мощность, достаточную для проведения экспериментов вблизи Юпитера и трансляции данных на Землю.
Следующий космический аппарат «Пионер-11» предназначался для изучения Юпитера и Сатурна. На расстоянии 24 млрд. км от Земли его термоэлектрический преобразователь обеспечивал бесперебойную теле- и радиосвязь и функционирование бортовых приборов. Полеты этих двух космических кораблей дали ценную для науки информацию о распределении частиц в поясе астероидов, о межпланетных магнитных полях и их изменении вблизи Юпитера под влиянием его внутренних лун [116].
Энергоснабжение космических кораблей для исследования Марса первоначально шло по пути использования в них солнечных элементов. Такие источники были установлены на советских автоматических Станциях серии «Марс» и американских космических аппаратах «Маринер». В следующей марсианской программе США «Викинг» предусматривалась замена солнечных элементов радиоизотопными термогенераторами. Это решение было обусловлено двумя обстоятельствами. Во-первых, Марс получает в два раза меньше солнечной энергии, чем наша планета, поэтому использование солнечных преобразователей не совсем рационально. Во-вторых, по требованию космического эксперимента спускаемый отсек корабля «Викинг» ровно половину марсианских суток (т. е. 12,25 земных часов) должен был находиться в условиях низких температур. Радиоизотопные термогенераторы, разработанные для полетов «Викинг», находились в эксплуатации с 1975 г. и работали на Марсе более пяти лет,, причем несколько лет — после окончания запланированной программы. Аппаратами «Викинг» на Землю были переданы цветные панорамы поверхности Марса в районах равнин Хриса и Утопии. Вслед за первыми панорамами поверхности Венеры, переданными в октябре 1975 г. советскими автоматическими станциями «Венера-9» и «Венера-10», американская астронавтика внесла весомый вклад в изучение космического пространства [65; 96].
КПД современных радиоизотопных термогенераторов составляет в общем случае 3—5 %. О создании РТЭГ с КПД 10 %, имеющего ветви сегментообразной формы, сообщалось на III Международной конференции по термоэлектрическому преобразованию энергии (Арлингтон, США, 1980) в докладе Дж. Басса и Н. Элснера. р-Ветви были изготовлены из (Сu, Ag)2Se и (Bi, Sb)2 (Se, Те)3, а n-ветви — из NdSe1,5 и РbТе. Радиатор выполнен из смеси графита с эпоксидной смолой. Температура холодных спаев составляла 423, а горячих — 1023 К. Термоэлектрический преобразователь содержал 748 термоэлементов, каждая пара вырабатывала 0,156 В. В качестве источников тепла использовались 11 ячеек с окисью плутония. Масса РТЭГ 38,3 кг, диаметр 0,66 м, высота 0,76 м, мощность 275 Вт, удельная мощность 7,27 Вт/кг, напряжение 30,8 В, срок службы 5 лет [88].
РТЭГ получили развитие и в других странах. Во Франции с 1961 г. в научных лабораториях фирмы «Алькатель» началась работа по созданию радиоизотопных термоэлектрических источников по программе «Жизет».

О работе РТЭГ этой серии, предназначенных для питания океанографической аппаратуры, сообщалось на Международном коллоквиуме по океанографическим исследованиям в 1971 г. М. Але и И. Артуром [83].
В Японии фирмой «Хитачи» был создан РТЭГ на стронции-90 мощностью 3 Вт и ресурсом работы 10 лет. В Канаде разрабатывались РТЭГ серии «Мапл» мощностью 5 Вт и ресурсом 5 лет, причем в качестве изотопного топлива был впервые использован кобальт-60 [135].
В Великобритании к разработке РТЭГ приступила группа прикладной физики Научно-исследовательского центра но атомной энергии в 1960 г. Программа РИППЛ, по которой проводились научные исследования, охватывала работы по созданию маломощных систем в отличие от аналогичной программы США СНАП. Первый РТЭГ по этой программе был создан в 1963 г. В нем использовался изотопный источник тепла на стронции-90, термобатарея содержала 36 термоэлементов из теллурида висмута, выходная мощность установки была равна 76 мВт, КПД составлял 1,7 %. РИППЛ-1 предназначался для питания мигающего буя [170]. В начале 1968 г. в Лондоне состоялся коллоквиум, посвященный термогенераторам серии РИППЛ, организованный фирмами «Дж. В. Плэйер» и «Сабмарин кэблз», а также АЭРЭ. Термогенераторы мощностью 1 Вт служили источниками питания морских навигационных огней, указателей, наземных радиомаяков для воздушных линий. Один из генераторов предназначался для питания указателя уровня охлаждающей воды на одной из атомных электростанций [108].

Рис. 4.36. Радиоизотопный термогенератор «Бета-С» [59].
С середины 60-х годов началась разработка радиоизотопных термогенераторов в ФРГ. Так, в исследовательском институте фирмы АЕГ была разработана экспериментальная установка, в которой преобразователем служила батарея с ветвями из германий-кремниевых сплавов. О создании этого РТЭГ было сообщено на Международном симпозиуме по промышленному применению изотопных генераторов, организованном АЭРЭ в 1966 г. [142].

Советские наземные радиоизотопные термопреобразователи получили дальнейшее развитие в серии установок «Бета-С» (рис. 4.36), в которых, как и в термогенераторах «Бета-2», использовались радиоизотопные источники тепла на стронции-90. К концу 70-х годов свыше 250 установок «Бета-С» мощностью 10 Вт входили в состав автоматических радиометеорологических, магнитных вариационных станций и различных навигационных средств. Модификацией энергосистемы серии «Бета» для работы в условиях Крайнего Севера и Антарктики является «Бета-3».

Рис. 4.37. Радиоизотопный термогенератор МИГ-67 [38].

Помимо термогенераторов «Бета» в нашей стране функционирует ряд других наземных радиоизотопных термоэлектрических установок различного назначения «Эфир» — для питания автоматических радиомаяков с дальностью действия до 200 км; генераторы серии «Пингвин» — для энергоснабжения магнитных вариационных станций, а серии «Ангара», смонтированные в Саянах,— для питания высокогорной станции космических лучей. Эти источники энергии работают на стронции-90. К отечественным разработкам радиоизотопных термогенераторов, в которых в качестве теплового источника выступает кюрий-242, относятся каскадная энергетическая установка Г-242-50/40 и малогабаритный радиоизотопный термоэлектрический преобразователь МИГ-67 (рис. 4.37), масса которого вместе с системой теплоотвода составляет 5 кг. В термоэлектрической установке «Кобра» используется радиоактивный изотоп кобальт-60, а источник энергии «Прометей» содержит топливную капсулу с прометием-147. О высокой надежности советских радиоизотопных термоэлектрических преобразователей свидетельствует тот факт, что с 1964 г. по настоящее время функционирует подводная радиоизотопная энергосистема Г-137-10/7 на церии-137 [6, 17, 38, 59].
Важной и перспективной областью применения радиоизотопных термогенераторов является медицина.

Таблица 4.1. Параметры РТЭГ для электрокардиостимуляторов

Страна

Масса, г

Мощность,
мкВт

Напряжение, В

Срок службы, годы

Источник

Англия

28

200

2-7

10

Ц 54]

Италия «Сории»

50

120-300

11

10

[101]

США «Медтроник»

60

250—300

0,6

-—

[18]

Франция «Алькатель»

30

205

10

[157]

ФРГ «Сименс»

----------                                    

120

5

10

[158]

ФРГ «Биотроник»

100

4,4

20

[161]

СССР «Ритм-МГ»

<50

>1000

>0,5

>10

[61]

СССР «Гемма-1»

<15

>300

>0,5

>15

[61]

СССР «Гемма-2»

<16

>500

>0,5

>15

[61]

СССР «Гемма-М»

<16

>500

>5

>15

[61]

Широкое распространение получили миниатюрные термоэлектрические преобразователи, питающие имплантированные электрокардиостимуляторы, первые образцы которых были созданы в США в 1967 г. [64]. К настоящему времени термоэлектрические источники тока для медицинских целей разработаны фирмами «Медтроник» (США), «Алькатель» (Франция), «Сименс», «Биотроник» (ФРГ). Аналогичные устройства созданы в Италии и Великобритании.
Первый отечественный радиоизотопный термоэлектрический генератор медицинского назначения был создай в 1969 г. 138]. В кардиологических клиниках страны используются электрокардиостимуляторы на основе миниатюрных радиоизотопных термогенераторов типа «Ритм» и «Гемма» 161]. Одной из последних модификаций этой серии устройств является «Гемма-М». Благодаря его изготовлению по микромодульной технологии впервые была достигнута мощность 500 мкВт при напряжении 5 В, что более чем в два раза превышает мощности лучших зарубежных образцов, рассчитанных на такое же напряжение. Основные технические характеристики радиоизотопных термогенераторов для электрокардиостимуляторов, разработанных в нашей стране и за рубежом, представлены в табл. 4.1.
Реакторные термогенераторы. Мощности термоэлектрических генераторов на химическом топливе, радиоизотопах и солнечной энергии относительно невелики. Более высокие мощности можно получить в атомно-реакторных термоэлектрических энергосистемах. Первый в мире ядерный реактор с прямым получением электроэнергии с помощью полупроводниковых термоэлементов создан в 1964 г. в СССР учеными и инженерами Института атомной энергии им. И. В. Курчатова. Эта установка получила название «Ромашка» (рис. 4.38), о ее разработке сообщалось на 3-й


Рис. 4.38. Схема установки «Ромашка» [59]:
1 — ребра излучателя; 2 — термоэлементы; 3 — регулирующий стержень; 4 — корпус установки; 6 — верхний отражатель; в — активная зона; 7 — боковой отражатель.

Международной конференции по мирному использованию атомной энергии (Женева, 1964). Мощность первой экспериментальной установки составляла 0,5 кВт, она проработала 15 тыс. ч. В термопреобразователе «Ромашка» генерируемое активной зоной реактора тепло передавалось термобатарее, расположенной на наружной поверхности реактора. Термобатарея содержала несколько тысяч высокотемпературных термоэлементов, разделенных на четыре блока с независимыми выводами, а каждый блок включал четыре параллельные цепочки термоэлементов, что давало возможность исследовать характеристики как каждого в отдельности блока, так и термобатареи в целом, и обеспечить более высокую надежность устройства [51].
В США ядернореакторная термоэлектрическая система СНАП-10А была изготовлена фирмой «Атомик интернейшенал» приблизительно в то же время, что и советская установка «Ромашка», и предназначалась для работы в космосе. На 3-й Международной конференции по мирному использованию атомной энергии о разработке установки СНАП-10А сообщалось в докладе X. Дикампа, Р. Балента и Дж. Уэтча.
Испытания энергосистемы в космических условиях окончились неудачей, она проработала всего 43 дня при проектном сроке службы один год.
В 1968 г. Комиссией по атомной энергии США были начаты исследования по программе «Компакт конвертер», связанной с разработкой компактного термоэлектрического преобразователя, в котором источником тепловой энергии является ядерный реактор на гидриде циркония. Установка предназначалась для использования в энергетических системах спутников и космических станций. Вся система вырабатывала мощность 33 кВт [86].
Перспективно применение термоэлектрических энергоустановок с ядерными источниками тепла в глубоководных аппаратах, которые подобно подводным лодкам могут передвигаться, всплывать и погружаться. Обеспечение условий автономности подводных лабораторий, их освещение и обогрев, получение пресной воды и кислорода из морской воды требуют значительных электрических мощностей. Уже созданы проекты термоэлектрических преобразователей на атомных реакторах мощностью 50 и 100 кВт (рис. 4.39). Первая установка рассчитана для работы под водой на глубине 750 м, вторая — на глубине до 5600 м.

Рис. 4.39. Проект реакторного термогенератора подводного назначения [32]:
1 — термобатарея; 2 — верхний корпус давления; 3 — трубопровод теплоносителя; 4 — активная зона реактора; 5 — нижний корпус давления; 6 — опорная конструкция.
Сверхмощные термоэлектрические преобразователи на основе атомных реакторов разрабатываются также для обеспечения энергетических нужд пилотируемых и непилотируемых межпланетных кораблей, обитаемых баз на Луне и других планетах.



 
« Оперативное управление в энергосистемах   Проектирование силового электрооборудования »
электрические сети