Очерки развития термоэлектричества - Радиоизотопные термогенераторы

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,

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

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.