При радиоактивных самопроизвольных ядерных превращениях испускаются заряженные частицы: протоны, α-частицы, электроны и позитроны.
Известны также ядерные реакции, приводящие к делению ядра на несколько осколков, в том числе и заряженных, например ядерная реакция деления урана-235 под действием нейтронов. Быстрине заряженные частицы, вылетающие при ядерных превращениях, представляют электрический ток, который можно использовать для зарядки изолированного проводника, улавливающего эти частицы. Для этого проводник, очевидно, должен окружать препарат — источник заряженных частиц. Если исключить коронирование и утечку по изоляции, то величина напряжения, до которого можно зарядить изолированный проводник, должна быть такой, при которой кинетическая энергия частицы равнялась бы работе, затрачиваемой на преодоление сил отталкивания при приближении частицы к проводнику.
Заряд электрода увеличивается также при вылете заряженных частиц с его поверхности, покрытой активным веществом.
Скорость зарядки электрода увеличивается, если его поверхность бомбардировать частицами, несущими заряд одного знака, и одновременно с его поверхности вылетают частицы, уносящие заряд противоположного знака.
Если подводить заряды к внутренней поверхности полого проводника, находящегося при нулевом потенциале, то, очевидно, для зарядки могут быть использованы частицы, имеющие любую скорость. Наконец, можно предложить комбинацию этих основных схем зарядки (рис. 2-53).
Ф. Содди описал зарядку проводника при вылете электронов в приборе, получившем название радиевых часов Рэлея.
Радиевые часы (рис. 2-54) состоят из электроскопа с листочками 1, соединенного со стеклянной трубкой 2. В трубке находится радиоактивный электрод-излучатель. Трубка 2 подвешена на кварцевом изоляторе 3 в вакууме.
Рис. 2-54. Устройство радиевых часов.
Рис. 2-53. Схема зарядки внешней (а) и внутренней (a) поверхности проводника заряженными частицами. Радиоактивный препарат помещен на поверхности заземленного проводника; в и г — схемы зарядки внешней и внутренней поверхности проводника. Радиоактивный препарат помещен на поверхности самого проводника; д—схема двойной зарядки поверхности проводника.
Электроны, вылетающие сквозь тонкую стеклянную стенку трубки 2, уносят отрицательный заряд, вследствие чего радиоактивный препарат заряжается положительно; накопление положительного заряда заставляет листочки электроскопа расходиться до тех пор, пока они не коснутся заземлённых стенок сосуда и электроскоп не разрядится. Затем процесс начинается снова.
Если трубку 2 соединить с высоковольтным электродом, го он также зарядится. Зарядка будет происходить до тех пор, пока электроны будут в состоянии преодолевать силу притяжения остающегося положительного заряда и отлетать с поверхности препарата.
В 1913 г. Мозли описал установку, с помощью которой, используя радиоактивный распад, получил напряжение 150 кВ.
Интерес к установкам для прямого превращения ядерной энергии в электрическую особенно повысился в настоящее время, когда известно большое число радиоактивных веществ, а стоимость радиоактивных препаратов уменьшилась.
Расщепление ядер на несколько частей приблизительно одинаковой величины, вызванное бомбардировкой элементарными частицами, или спонтанное, открытое К. А. Петржаком и Г. Н. Флеровым, наблюдается для урана, тория, протактиния и трансурановых элементов. Быстрые тяжелые частицы (α-частицы, дейтроны, и нейтроны) вызывают деление ядер висмута, платины, титана, свинца и др. Под действием таких быстрых частиц и гамма-квантов осуществляется кратное расщепление ядер легких элементов с вылетом нескольких осколков. В результате бомбардировки некоторых элементов ускоренными частицами получаются ядра с наведенной (искусственной) радиоактивностью. Уже известно много сотен изотопов с наведенной радиоактивностью. Такими веществами являются: европий-154, цезий-134, кобальт-60 и др. Их период полураспада равен нескольким годам. Некоторые из них являются бета-излучателями и дают примерно в 100 раз больший выход тока заряженных частиц на единицу поверхности излучателя, чем α-излучатели, к которым относится, например, полоний. Это обусловлено меньшим поглощением электронов в самом излучающем веществе по сравнению с поглощением а-частиц.
Кинетическая энергия а- и β-частиц, испускаемых при естественном радиоактивном распаде, незначительно превышает 10 Мэв. Например, при распаде ТhС' длиннопробежные α-частицы имеют максимальную кинетическую энергию 10,5 Мэв. Среди естественных бета-излучателей наибольшей кинетической энергией обладают электроны, наблюдаемые при естественном радиоактивном распаде RaC. Наибольшая кинетическая энергия β-частиц RaC составляет 3,2 Мэв. При искусственной радиоактивности наблюдаются частицы с еще большей энергией. Верхняя граница β-спектра при радиоактивном распаде В12 достигает почти 12 Мэв. Следует заметить, что частицы с большой кинетической энергией составляют обычно по интенсивности малую долю общего числа частиц.
Электроны с наименьшим значением энергии 17 Кэв испускает радиоактивный изотоп вольфрама с атомным весом 187. Электроны с наивысшим значением энергии испускает теллур с атомным весом 122 или 124.
Период полураспада этого ядра составляет 125 суток, минимальная и максимальная энергия испускаемых электронов составляет 17 и 158 Кэв.
Радиоактивный изотоп стронция-90 с периодом полураспада примерно 30 лет, переходя в изотоп иттрия-90, испускает электроны с энергией от 0 до 0,65 Мэв. Изотоп иттрия также радиоактивен и испускает электроны с энергией от 0 до 2,16 Мэв, переходя в стабильный изотоп циркония. Стронций имеет большее время полураспада, испускает электроны высокой энергии и не дает газообразных продуктов в вакууме. Стронций-90 испускает два электрона на первоначальный атом. Его легко можно получить с относительно высокой удельной активностью. Все это определяет то, что стронций в равновесии с продуктами распада является пригодным материалом для использования в ядерных генераторах.
С помощью известных бета-излучателей можно обеспечить питание электрическим током порядка 10-8 а. Этого уже достаточно для использования таких источников тока в качестве катодов в ряде приборов, например в электронном микроскопе, радиолампах и пр.
Для проектирования ядерных генераторов высокого напряжения необходимо использовать современную высоковольтную и изоляционную технику и применять защиту для понижения вредного влияния вторичного излучения на организм человека и приборы.
На рис. 2-55 изображена схема устройства электростатического генератора с использованием излучателя электронов, представляющего современный вариант конструкции типа радиевых часов. Электрод 1 заряжается вследствие вылета заряженных частиц с поверхности излучателя 5, состоящего из никелевого тонкостенного цилиндра. Толщина его стенки 0,02 мм, диаметр 20 мм и длина 39 мм.
Цилиндр излучателя укрепляется па прочном каркасе. На внутренней поверхности никелевой фольги путем испарения водного раствора нанесен слой нитрата радиоактивного стронция-90.
Рис. 2-55. Схема устройства электростатического генератора.
Рис. 2-56. Схема замещения генератора.
Полное поглощение электронов никелевой стенкой составляло 15%. В описываемой установке использовалось 250 милликюри стронция-90 (кюри — единица измерения радиоактивного вещества; 1 кюри — такое количество радиоактивного вещества, которое испускает в единицу времени такое же количество частиц, сколько испускает в 1 сек 1 г радия, т. е. 3.7·1010 частиц; 1 милликюри =10-3 кюри).
Для предупреждения коронирования на концах цилиндра 5 укреплены шары. Металлический проводник 2 поддерживает излучатель и соединяет его с шаровым высоковольтным электродом. Вся сборка
поддерживается изолятором 4 из плавленого кварца, который укрепляется на заземленном корпусе 3. Через отверстие 4 производится откачка. Медный корпус 3 почти полностью окружает излучатель 5 и служит в качестве вакуумной оболочки. Размеры его выбраны из условия получения допустимых градиентов потенциала у его поверхности, а толщина стенки — из условия ослабления γ-излучения до допустимой дозы. Для уменьшения вторичной электронной эмиссии внутренняя поверхность коллектора была покрыта алюминием.
В схеме замещения генератора (рис. 2-56) активный материал — излучатель — представлен генератором Г, который при невысоких напряжениях создает ток I0, заряжающий емкость С. С повышением напряжения на коллекторе тормозящее поле будет отталкивать медленные электроны. Это приведет к уменьшению тока с излучателя на коллектор. На схеме внутреннее сопротивление генератора обозначено через R1; оно параллельно сопротивлению нагрузки R2.
Каждому значению напряжения генератора соответствует определенный зарядный ток, который можно определить, пользуясь энергетическим спектром бета-излучения препарата, вычисляя число электронов, обладающих скоростями, большими, чем скорость, соответствующая данному напряжению. Пользуясь вольт-амперной характеристикой, можно для любой нагрузки определить максимальное напряжение генератора.
Па рис. 2-57 представлена зависимость напряжения зарядки электрода от времени—кривая, построенная согласно формуле (2-77). Крутизна фронта кривой вначале составляет 3 150 В/мин, ток зарядки вначале составлял 1,05·10-9 а. Точки, нанесенные на рис. 2-58, были получены при измерении напряжения с помощью шарового разрядника. Расчетная величина 800 кВ не была достигнута вследствие наступающих разрядов в вакууме.
Такие разряды происходили, вероятно, вследствие вторичной электронной эмиссии и давали импульсы разрядного тока, которые регистрировались осциллоскопом.
В соответствии с этим находится также зависимость максимальной величины достигаемого напряжения от материала электродов и давления газа в коллекторе.
Рис. 2-57. Зависимость напряжения зарядки электрода A от времени.
Рис. 2-58. Изменение максимального напряжения на электроде генератора в зависимости от давления газа в коллекторе и материала электродов.
Сплошные кривые—коллектор алюминиевый, пунктир — никелевый; верхние кривые —холостой ход; нижняя —пои включении на внешнюю нагрузку.
На рис. 2-58 представлена зависимость напряжения, развиваемого генератором, от давления газа в коллекторе и материала электродов. Верхние (сплошная и пунктирная) кривые относятся к ненагруженному генератору, а нижняя (сплошная) —при включении нагрузки.
Сплошные кривые относятся к коллектору из алюминия; пунктирная кривая получена при никелевом коллекторе.
Начальные горизонтальные части кривых представляют достигаемое значение напряжения при высоком вакууме. Возрастание напряжения в некоторой области давлений, в данном случае 10-3 мм рт. ст., является интересным фактом, связанным, вероятно, с торможением вторичной электронной эмиссии в этой области. Уменьшение напряжения с увеличением давления обусловлено ионизацией газа.
Рис. 2-59. Конструкция генератора с твердым диэлектриком.
Изложенное позволяет сделать вывод о возможности сооружения ядерных электрических генераторов как низкого, так и высокого напряжений.
Для обеспечения устойчивой работы установки и больших токов на вы
ходе необходимо применение большого количества радиоактивного вещества, распределяемого по поверхности весьма тонким слоем с целью уменьшения поглощения заряженных частиц самим веществом.
Сооружение и использование электростатического генератора с применением вакуума представляет определенные трудности.
Предложена конструкция генератора с твердым диэлектриком, заряжаемым от радиоактивного препарата до напряжения в несколько тысяч вольт (рис. 2-59).
На торце массивного электрода 1 помещен радиоактивный препарат 2, излучающий электроны, которые заряжают электрод 3. Электроды 3 и 1 разделены слоем слюды или полистирола 4. В генераторе был применен препарат Sr90 с активностью 25 мкюри. При толщине слоя диэлектрика, равном 0,5 мм, начальном токе 1,1·10-11 а и скорости зарядки 42 в/мин электрод заряжался до напряжения 3 700 В. Применение того же препарата Sr90, но с активностью 54 мкюри, позволило получить напряжение 6 600 В.
Протоны ускоряются в разрядной трубке до энергии Е1 эв и бомбардируют ядра, испускающие при этом β-частицы с энергией Е2 эв, причем Е2>Е1.
Применяя последовательное соединение генераторов, можно на выходе получить более высокое напряжение. Величина этого напряжения, как и в других конструкциях генераторов, определится уровнем высоковольтной техники. Для получения потока заряженных частиц можно использовать нейтронную ядерную реакцию, приводящую к делению с вылетом осколков — продуктов деления. В таком случае предлагается следующая зарядная схема. На поверхность электрода высокого напряжения наносится активное вещество. Под действием потока нейтронов происходит реакция, сопровождающаяся удалением с поверхности электрода заряженных частиц, в результате чего потенциал электрода возрастает.
Укажем на возможность использования следующей схемы для прямого превращения ядерной энергии в электрическую с применением электростатических ядерных генераторов.
С увеличением толщины слоя диэлектрика и уменьшением емкости возрастает скорость зарядки генератора (рис. 2-60). Последующее увеличение толщины диэлектрика сопровождается возрастанием рассеяния электронов в диэлектрике и уменьшением скорости зарядки генератора. Генераторы с твердым диэлектриком развивают максимальное напряжение до 10 кВ и максимальные токи до 5.10-11 а.
Генераторы с радиоактивным стронцием-90 или иттрием-90 развивают мощность 5 10-3 вт/кюри. Один квадратный сантиметр поверхности излучателя дает 100 кюри.
Заметим, что конструирование генераторов указанного типа затруднено отсутствием научных сведений о поведении твердых диэлектриков и изменении их свойств при воздействии на них быстрых частиц и излучения.
Рис. 2-60. Зависимость скорости зарядки от толщины разделяющего диэлектрика.
Образовавшийся β-излучатель используется в электростатическом генераторе и заряжает его электрод до потенциала U2. С помощью этого генератора производится ускорение протонов во второй разрядной трубке до энергии Е2 эв. Под действием протонов этих энергий вновь происходит ядерная реакция, сопровождающаяся испусканием электронов с энергией Е3 эв, причем Е3=Е2=Е1, и так далее.
Очевидно, что ток протонов в первой разрядной трубке будет больше тока во второй разрядной трубке. Этот способ мог бы иметь успех при том условии, если бы выход реакции во второй трубке с увеличением энергии бомбардирующих частиц от до Е2 эв, возрастал бы быстрее, чем отношение числа протонов в первой трубке к их числу во второй. Более быстрое увеличение выхода реакции, т. е. числа электронов, по сравнению с числом бомбардирующих протонов сделало бы такую ядерную реакцию практически интересной.
Использование цепной ядерной реакции для получения тепла описано в следующем виде. Ядерная цепная реакция получается при бомбардировке легкого элемента, предпочтительно Li, протонами от протонной пушки с получением α-частиц по реакции (р, 2α). α-частицы, получающиеся таким образом, ударяются о другой элемент, такой, как А1, чтобы освободить протоны по реакции (α, р). Эти протоны снова ударяются в Li, освобождая α-частицы, так что имеет место реакция цепного типа.
Слой Li в несколько квадратных сантиметров и толщиной 0,3 мм покрывался колоколообразной крышкой из А1 в 2 мм толщиной, имеющей отверстие при вершине диаметром 2 мм. Цепная реакция продолжалась несколько секунд после того, как протонный пучок с энергией 100 000 эв, получаемый от протонной пушки и направляемый через отверстие, был прерван.
Если мелкий порошок (0,01 мм) А1 и LiF в виде смеси 10—40% А1 и 60—90% LiF сформировать таблетками диаметром 1 см, 0,8 мм толщиной и облучать протонным пучком, получается литиевый атомный котел, который дает тепло в течение нескольких месяцев и больше.
Рис. 2-61.
а—схема энергетических уровней для полупроводникового контакта p-n-типа; на оси ординат —энергия электронов; на оси абсцисс—расстояние; 1—-зона проводимости; 2—запрещенная зона; 5 —зона насыщения; 4-3-частицы; 5 — максимальный потенциал цепи; 6—уровень энергии Ферми; р— область p-проводимости; n—область проводимости; 7 место соединения, б — схема устройства, действующего по методу контактной разности потенциалов; и— β-источник.
Для практического решения проблемы прямого превращения ядерной энергии в электрическую необходимо приготовить такое вещество, чтобы мощность потока осколков распада ядер на единицу поверхности была бы велика. Это возможно, если длина пробега осколков в самом веществе будет большой. Осколки должны иметь энергию, лежащую по возможности в узких пределах спектра. Период полураспада для такого вещества должен быть большим. Наконец, стоимость этого вещества должна быть минимальной, а технология получения и запасы исходных материалов позволили бы получать это вещество в больших количествах.
В настоящее время имеются в использовании источники тока на низкое рабочее напряжение, работающие на принципе получения электрической энергии за счет использования энергии радиоактивного излучения и контактной разности потенциалов. Когда полупроводник p-типа (с дырочной проводимостью) имеет контакт с полупроводником n-типа (с электронной проводимостью), то на их границе возникает внутреннее электрическое поле. Под действием облучения заряженными или незаряженными частицами значительно возрастает проводимость полупроводника (германия или кремния), и при наличии постоянного напряжения в контактном слое во внешней цепи потечет ток. Схема такого устройства представлена на рис. 2-61,б.
Там же представлена схема энергетических уровней электронов для полупроводникового контакта р-n-типа (рис. 2-61,а). Видна деформация энергетических уровней в зоне контакта за счет действия внутреннего поля. Получая энергию от ионизирующей частицы, электроны поднимаются в зону проводимости и обусловливают электронную проводимость (n-типа) полупроводника. Дырки, остающиеся в основной зоне, обусловливают дырочную проводимость (p-типа).
Рис. 2-62. Прибор с двойным контактом для эффективного использования радиоактивного излучения
Электроны и дырки, диффундируя в область контакта, попадают под действие электрического поля и образуют электрический ток.
На рис. 2-62 изображена схема устройства прибора, в котором радиоактивный материал 1 помещен между двумя контактами 2.
Для большей эффективности действия прибора необходимо, чтобы излучение полностью поглощалось полупроводником 3 и максимальное число носителей тока достигло области контакта 4. Это условие выполняется, если глубина проникновения излучения, толщина полупроводника и длина пути диффузия зарядов будут одного порядка.
Используя кремний, построили атомные батареи, дающие на выходе напряжение до 0,5 в. Для элемента 0,3 см2 при использовании 50 милликюри Sr90 ток составлял 10 мка, а наибольший к.п.д. достигал 3%.
Энергию радиоактивных излучений можно преобразовать в тепло, за счет которого с помощью термопар можно получить электрический ток. Применяя α-излучатель Р210 с активностью 57 и 146 кюри, во внешней цепи получали соответственно мощность 1,8 и 9,4 Мвт, используя, таким образом, только 0,1 — 0,2% тепловой мощности. Известно, что использование солнечной энергии позволило получить с помощью термопар к.п.д. 1%. а с применением фокусирующих линз к. п. д. достигал 5%.
Подсчеты показывают, что в США в 1965 г. будет получено такое количество радиоактивных материалов, что их полное и наиболее эффективное использование для прямого получения электрической энергии может дать сотые доли процента электроэнергии, используемой этой страной. Мощность, получаемая от источников, работающих по способу прямого использования энергии ядерного распада, по указанным выше подсчетам сравнима с мощностью, получаемой в США от атомных батарей.
Изложенные материалы показывают возможность сооружения ядерных генераторов малой мощности, работающих по схеме прямого превращения энергии радиоактивного распада в электрическую. Преимуществом такого источника является его «автономия», отсутствие движущихся частей, двигателя и передачи от двигателя к генератору. В известных случаях уже в настоящее время такие источники имеют практическое применение. Препятствием к дальнейшей разработке этих установок являются нерешенные вопросы техники высоких напряжений. К их числу относятся разряды и перекрытия в вакууме при высоких напряжениях и одновременном действии радиоактивного излучения. Вторым серьезным ограничением в распространении рассматриваемого способа генерирования электрической энергии является малая мощность установок, малый к.п.д. и высокая стоимость радиоактивных материалов и отсутствие изолирующих материалов, устойчивых к действию излучения.
