Н. В. КОСМАЧЕВА, В. А. МАРКУСОВ
РАДИОИЗОТОПНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
(по зарубежным данным)
За последнее десятилетие наметился значительный прогресс в разработке методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. При современном развитии так называемого первого поколения космических летательных аппаратов, основным потребителем энергии в которых является электронная аппаратура, необходимая мощность бортовых систем находится в пределах от 1 до 100 вт. Для проектируемых космических зондов и космических кораблей потребность в электрической мощности возрастает до нескольких киловатт. Основным потребителем энергии при космических полетах в будущем станет электрическая система движетелей. Предпосылкой введения электрических космических движетелей является развитие мощных систем электропитания, удовлетворяющих требованиям современной космической техники. Химические источники энергии для этих целей непригодны из-за незначительной удельной мощности. Возможность применения солнечной энергии также ограничена вследствие незначительной интенсивности солнечного излучения вблизи Земли (около 1,4 квт/м2). В тех случаях, когда речь идет о мощностях выше 10 квт, в расчет принимается лишь ядерная энергия [1].
В настоящее время необходимо заняться не только созданием новых летательных аппаратов и движетелей, но и развитием источников и преобразователей энергии.
Важность создания относительно мощных источников энергии для космических аппаратов была подтверждена на XI симпозиуме по ядерной физике, состоявшемся в Институте электрической и электронной техники (США). Было отмечено, что если для спутников типа Эксплоурер достаточна электрическая мощность 0,2 квт, то космический аппарат, облетающий Луну, должен иметь мощность 100 квт, а аппарат, снабженный телевизионным передатчиком, еще больше. Получение таких мощностей от солнечных или обычных батарей, по-видимому, невозможно [2].
Кроме того, для осуществления некоторых космических полетов требуется источник энергии, не зависящий от солнечного света. Из всех известных в настоящее время источников энергии наиболее приемлемым является радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ).
Судя по сообщениям зарубежной печати, на Западе ведется повседневная работа по реконструкции старых и разработке новых источников энергии на радиоизотопах в сочетании с термоэлектрическими генераторами.
В США основные работы по созданию источников питания для космических аппаратов ведутся фирмами Martin Marietta и General Electric. Фирмы Westinghouse и General Instruments намереваются построить свои собственные термоэлектрические генераторы на ядерном горючем.
В зарубежной литературе высказывается мысль, что к концу 1970 г. в распоряжении США будут мощные источники энергии, способные приводить в действие ионные и плазменные двигатели будущих космических кораблей.
Настоящий обзор написан на основании материалов, опубликованных в зарубежной литературе в конце 1964 г. и в течение 1965 г.
В последнее время в США большое внимание уделяется разработкам источников энергии типа SNAP. Генераторы SNAP состоят из следующих основных частей: источника тепла; преобразователя энергии (или электрического генератора), в котором тепловая энергия превращается в электрическую; теплоизлучающей системы (радиатора), предназначенной для сброса избыточного тепла.
Источником тепла может служить радиоактивный изотоп, который выделяет теплоту в результате радиоактивного распада, или легко расщепляющееся вещество, излучающее теплоту в ядерном реакторе при контролируемой цепной реакции.
В качестве преобразователя тепловой энергии в электрическую может быть использован турбоэлектрогенератор или прямой преобразователь. Последний не имеет движущихся частей, что делает его очень надежным. Наиболее многообещающими преобразователями являются термоэлектронные и термоионные установки.
Теплоизлучающая система, состоящая из излучателя с большой поверхностью, сбрасывает избыток энергии излучением в космос.
Радиоактивный изотоп помещается в герметичную оболочку (капсулу), которая размещается внутри внешней оболочки (корпуса). Стержневые термоэлементы касаются своими концами внутренней (горячей) и внешней (холодной) оболочек, генерируя термо-э.д.с. (см. рисунок).
Одна из основных задач, возникающих при конструировании генераторов с изотопным горючим, — сделать их настолько прочными, чтобы они выдерживали большие перегрузки, возникающие при старте.
Поперечное сечение радиоизотопного термоэлектрического генератора
1 — горячий спай; 2 — спай из золота; 3 — тепловая изоляция; 4 — ребро радиатора; 5 — изотопное горючее; 6 — термоэлектрические элементы
Излучение радиоактивного топлива опасно как для аппаратуры, так и для обслуживающего персонала, поэтому нельзя допустить заражения радиоактивным веществом полезного груза или установки для старта.
К материалам, используемым в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РТГ), предъявляются следующие требования: они должны противостоять ускорениям при запуске ракет, синусоидальным вибрациям, ударам, резким изменениям атмосферного давления, ультрафиолетовой радиации, колебаниям температуры в широких пределах, действию магнитных полей, космических лучей и частиц, обладать сопротивлением угловому моменту во время орбитального полета [3].
Выбор изотопа как источника энергии зависит от его периода полураспада, плотности тока, диапазона рабочих температур, технологии получения изотопа и его стоимости. Поэтому лишь немногие изотопы могут быть использованы для этих целей. Усовершенствование изотопных источников тепловой энергии произойдет не в результате поиска новых изотопов, а за счет улучшения и расширения их производства и способов хранения [4].
В качестве топлива в РТГ, проходивших испытания в условиях космоса, использовался Рu238. В табл. 1 приведены свойства различных изотопов, пригодных для применения в качестве топлива.
Таблица 1
Потенциальное радиоизотопное топливо для космического применения
Основной характеристикой РТГ является к. п. д. коллектора. Для коллекторов используются железо, нержавеющая сталь, молибден и вольфрам.
Одна из сложных проблем в РТГ — осуществление соединений между горячими пластинами и термоэлементами. Рабочие температуры в этих точках лежат в пределах 300—400° С, но могут доходить до 1000° С. Применяется в основном три способа соединения капсулы с горячей пластиной: контакты под давлением; диффузионная сварка в твердой фазе; пайка твердым припоем.
Превосходными материалами для холодных спаев являются вольфрам, медь и никель. Ребра радиатора обычно изготовляются из алюминия или сплавов магния. Для лучшего охлаждения ребра покрываются неорганическими красками, обладающими повышенной способностью к эмиссии инфракрасных лучей. Эти краски, разумеется, должны выдерживать условия космоса. Характеристики некоторых термоэлектрических материалов приведены в табл. 2.
В условиях космоса испытывалось небольшое число РТГ с удельной мощностью 1—2 вт/кг.
Таблица 2
Термоэлектрические материалы
* Обозначения высокотемпературных полупроводниковых материалов, созданных фирмой Monsano Chemical Company.
Чтобы получить удельную мощность 3,3—4,7 вт/кг, необходимо иметь высокотемпературный преобразователь, а следовательно, такие виды топлива, которые в течение долгого времени могли бы обеспечить температуру выше 850° С. Высокотемпературные термоэлементы уже имеются, но проблема соединения горячих и холодных концов окончательно еще не решена.
Имеются сведения о целом ряде изотопных термоэлектрогенераторов типа SNAP, работающих в различных условиях.
Генератор SNAP-7B уже второй год (с 20 мая 1964 г.) безотказно вырабатывает энергию для автоматического радиомаяка, установленного в штате Мэриленд. SNAP-7B имеет 60-ваттный термоэлектрический генератор, преобразователь постоянного тока и никель-кадмиевые батареи мощностью 30 вт при постоянном напряжении 32 в. Первый год эксплуатации показал, что этот генератор обладает хорошими рабочими характеристиками и надежен в работе. Подобные генераторы тока найдут широкое применение для автоматических установок [11].
В июне 1965 г. на Мексиканском побережье начал работать радиоизотопный генератор тока SNAP-7F мощностью 60 вт. Генератор был изготовлен фирмой Martin Marietta по лицензиям американской комиссии по атомной энергии (КАЭ). По оценкам КАЭ, при поточном производстве такие генераторы будут стоить 25—35 тыс. долларов и функционировать без вмешательства человека в течение 5 лет.
По заказу КАЭ фирмой Atomic International был изготовлен генератор SNAP-10A, предназначенный для питания телеметрической аппаратуры на спутнике Земли. В нем использовалось тепло, выделяющееся при контролируемой цепной реакции, протекающей в ядерном реакторе.
Генератор SNAP-10A состоял из ядерного реактора, расположенного в центре конструкции, цилиндрической оболочки с термоэлектрическим преобразователем и радиатора, непосредственно присоединенного к преобразователю. Конструкция представляла собой компактный источник энергии мощностью 300 вт.
Наиболее сложным компонентом реакторной системы SNAP является радиатор, необходимый для излучения излишней тепловой энергии в пространство. Для улучшения теплообмена в системе SNAP-10A применялся электромагнитный насос, не имеющий движущихся частей. Жидкий металл циркулировал между излучателем и реактором, что позволило насосу работать с высокими тепловыми мощностями и избегать тепловых перегрузок реактора.
Генератор SNAP-10A был установлен на спутнике, запущенном 3 апреля 1965 г. Через 43 дня после вывода спутника на орбиту генератор вышел из строя. Причины поломки неизвестны. Полученные со спутника телеметрические данные обрабатываются. В момент запуска спутника КАЭ сообщила, что продолжительность работы реактора рассчитана на 1 год, включая 90-дневное испытание при первоначальном запуске и эксплуатации реактора.
За период работы генератора SNAP-10A во время орбитального полета получены данные, имеющие большое значение для эксплуатации и расчетов аналогичных генераторов в будущем. К моменту выхода из строя реактор SNAP-10A выработал 500 квт-ч электроэнергии [12].
Из новых разработок наибольший интерес представляют следующие конструкции изотопных генераторов типа SNAP.
Генератор SNAP-19, предназначенный для метеорологического спутника Нимбус-В, обладает электрической мощностью 30 вт, весом 13,6 кг и рассчитан на продолжительность работы 5 лет. Фирма Martin Marietta представила в Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) два первых экспериментальных образца генератора (без изотопа), которые будут смонтированы на макете спутника Нимбус-В и подвергнуты испытаниям. При испытаниях в качестве источника тепловой энергии будет использоваться электрический генератор.
Согласно плану фирма Martin Marietta должна изготовить еще два экспериментальных образца генератора (с изотопом), а затем два летных образца, которые будут установлены на спутнике Нимбус-В. Запуск спутника предполагается осуществить в 1966 г. [5, 6].
КАЭ объявила конкурс на получение заказа, предусматривающего разработку изотопного генератора тока SNAP-25 мощностью в 75 вт, работающего на Рu238, с минимальной продолжительностью работы 5 лет. Фирмы General Electric Lockheed Missiles and Space Co u Radio Corporation of America сделали заявку на разработку этого генератора. Проект SNAP-25 является первым шагом к осуществлению программы разработки малогабаритных легковесных источников электропитания (удельная мощность 4,4 вт/кг) для непилотируемых спутников Земли. Стоимость разработок составит 5,75 млн. долларов. Головной организацией по разработке генератора SNAP-25 назначена фирма Lockheed Missiles and Space Со. Первые испытания должны быть проведены в 1968 г. [7, 8].
Уменьшенным вариантом конструкции SNAP-25 является изотопный генератор тока SNAP-27 мощностью 50 вт (топливо Рu238), который предназначен для работы при температурах, существующих на Луне. Генератор SNAP-27 должен быть сконструирован таким образом, чтобы его можно было без повреждения доставить обратно на Землю.
Первая стадия разработки этого генератора осуществлялась фирмами General Electric и Radio Corporation of America. Сейчас КАЭ ведет переговоры с фирмой General Electric по заключению контракта, предусматривающего вторую стадию разработки SNAP-27, включающую анализ конструкции, создание вспомогательных систем, составление планов летных испытаний генератора и изучение проблемы его возвращения на Землю. Стоимость работ по этому контракту оценивается в 650 тыс. долларов. Эта конструкция будет использована на космическом аппарате Сервейор, предназначающемся для полета на Луну.
Предполагается, что общая стоимость разработки генератора SNAP-27, включая летные испытания, составит 6 млн. долларов. КАЭ полностью финансирует эту программу. Летные испытания намечено провести в июле 1968 г. [9].
Важным этапом в создании ядерных источников энергии для космических целей считается окончание испытаний системы отвода тепла мощностью 5000 квт SNAP-50/SPUR. Эта система, в которой в качестве теплоносителя использовался щелочной металл, проработала более года при температуре 1100°С без каких-либо нарушений и изменений характеристик. По мнению исследователей, проводивших испытания, полученные результаты приблизили осуществление цели — создание легких источников энергии для космоса мощностью 300—1000 квт. Установка SNAP-50/SPUR разрабатывается объединенными усилиями КАЭ, NASA и Министерства обороны США. Общие расходы на создание прототипа установки составили 500 млн. долларов, устройство для запуска в космос будет стоить вдвое дороже.
В генераторе SNAP-50 тепло от реактора к теплообменнику будет отводиться литием. В теплообменнике должен вырабатываться пар калия, направляемый в калиевую паровую турбину. Литий является наилучшим теплоносителем, однако его чрезвычайно высокая химическая активность потребовала создания новых ниобиевых сплавов [10].
Помимо генераторов SNAP, в США разрабатываются другие изотопные источники энергии подобного типа.
Фирмы Westinghouse и Radio Corp. of America проводят научные исследования с целью создания надежных компактных термоэлектрических преобразователей энергии, использующих в качестве источников тепла ядерные реакторы или радиоактивные изотопы. Эти преобразователи предназначаются для космических аппаратов. Предполагают, что на разработку термоэлектрических преобразователей мощностью от 1000 до 2000 вт потребуется от 3 до 5 лет.
КАЭ объявила конкурс фирм на получение контракта на разработку изотопных генераторов тока мощностью 150— 600 мвт. Такие генераторы можно было бы широко использовать как в наземных, так и в подводных установках, включая гидроакустические преобразователи [13].
Фирма Atomic International изучает изотопные источники тока с турбогенераторами, предназначенные для космических аппаратов. В качестве источника тепла в них будет использоваться Рu238. Предполагается, что в результате этих исследований, которые проводятся по инициативе NASA, будут созданы два компактных источника тока для космических аппаратов. Один космический аппарат с человеком на борту должен будет совершить посадку на Марсе, другой — облет Марса и Луны. Полагают, что системы будут работать по циклу Ренкина и по циклу Брайтона. Для обеспечения посадки космического корабля на Марс требуется источник тока мощностью 4—6 квт, в то время как для облета Марса космический аппарат должен иметь источник тока мощностью 6—8 квт в течение 600 дней [14].
