В 1912 году британский физик Генри Мозли создал первый радиоизотопный источник питания: в центре стеклянной колбы с посеребрёнными внутри стенками на электроде установлен радиевый источник излучения, испускаемые бета-частицы создают разность потенциалов между серебром и радием, отчего на электродах колбы появляется напряжение. При радиоактивном распаде вещество нагревается, иногда до высочайших температур. Образующееся тепло Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), так по науке называется атомная батарейка, превращает в электричество с помощью термоэлектрогенераторов.
Термоэлектрогенератор — простая, но очень занятная штука. Два века назад, в 1821 году немец Томас Зеебек обнаружил, что при разнице температур между двумя проводниками вырабатывается электричество за счёт образования разницы потенциалов при течении теплового потока от одного проводника к другому. Увы, коэффициент полезного действия (КПД) у такого генератора, мягко говоря, не очень — около 6-10% от тепловой мощности. Чтобы получить более-менее приличную мощность портативного РИТЭГа, приходится искать радиоизотопы с высоким тепловыделением и большим периодом полураспада.
С другой стороны, даже с таким низким КПД можно жить и работать: радиоизотопного источника хватит, чтобы запитать светодиодное освещение, разнообразные датчики и системы контроля, организовать с его помощью резервное питание. Чем не вариант для индивидуального энергоснабжения домов, которые не останутся без электричества даже в случае стихийного бедствия?
Были изучены свойства очень многих изотопов, но подходящих для РИТЭГов элементов оказалось крайне мало: слишком жёсткими были требования к источникам питания. Например, используемый в космических аппаратах и кардиостимуляторах почти безопасный за счёт низкого бета- и гамма-излучения плутоний-238 выделяет около 0,54 Вт тепла на 1 грамм вещества, а его период полураспада составляет 88 лет. За год РИТЭГ на плутонии-238 будет терять 0,78% от стартовой мощности. Источник на плутонии прослужит долго, но для получения пары сотен ватт придётся загрузить несколько килограммов вещества.
А вот полоний-210, это же настоящая «печка» — целых 140 Вт тепла на 1 грамм, в 2000 раз больше плутония! Да вот проблема, период полураспада такого полония всего 138 дней. С таким РИТЭГом далеко не улетишь.
Путёвку в жизнь РИТЭГам дали атомные реакторы, на которых можно было добывать изотопы в больших объёмах. Работы по РИТЭГам начались с 1960-х годов, когда в США был создан SNAP-1 (Systems for Nuclear Auxiliary Power — системы дополнительного ядерного питания). SNAP-1 представлял, скорее, «паровую машину» на церии-144, в которой вместо воды использовалась ртуть.
Вслед за SNAP-1 был разработан SNAP-3 с термоэлектрогенератором на плутонии-238. Устройство весило порядка 2 кг и выдавало мощность 2,5 Вт. SNAP-3 питал американские навигационные спутники Transit, предшественники GPS.
Успешный опыт SNAP-3 положил начало эпохе радиоизотопных источников питания в космических аппаратах, где требуются компактные, долгоиграющие и необслуживаемые батарейки. И да, в серии SNAP были не только термоэлектрогенераторы, но и полноценные ядерные реакторы, о чём мы упомянули выше.
Атомные батарейки пока что единственный вариант решения энергетической проблемы для небольших межпланетных зондов. Эффективность солнечных панелей падает при удалении от Солнца. РИТЭГи нашли своё место в аппаратах Voyager (160 Вт), уже вышедших за пределы Солнечной системы, межпланетных станциях Cassini, New Horizons и Galileo (300 Вт), марсоходе Curiosity (110 Вт) и даже в аппаратах лунной программы «Аполлон» (73 Вт). Причём такие источники не только питают, но и обогревают электронику — 90% тепловой энергии уходит в радиаторы.
Впрочем, по соображению безопасности, даже в космосе РИТЭГи используются редко. Перспектива аварии с участием ушедшего в космическое пространство источника радиоактивного излучения население нашей планеты, в общем-то, не волнует, но гораздо хуже, если неприятность с ним произойдёт на Земле. Да и неудачные запуски ракет никто не отменял. Так, в 1964 году американский спутник Transit-5B с РИТЭГ SNAP-9A разрушился при запуске, рассеяв в атмосфере почти килограмм плутония-238. В 1968 году снова американский метеоспутник Nimbus B-1 со SNAP-19B2 не заразил океан, в который упал, только благодаря усовершенствованной конструкции капсулы с 1 кг плутония-238. Наконец, крупный российский исследовательский аппарат «Марс-96» в 1996-м сошёл с орбиты и похоронил на дне Тихого океана 270 грамм плутония-238.
По тем же причинам сомнительны перспективы использования РИТЭГов в земных технологиях. Единственная область, где радиоизотопные источники питания стали бы «ближе к людям», — батарейки для кардиостимуляторов. Да и там их давно заменили литий-ионные аккумуляторы.
Так что очень даже может быть мы с вами наблюдаем закат атомной энергетики. Мирный атом мог сыграть очень важную роль в снижении выбросов углекислого газа без уменьшения мировой выработки электроэнергии. Но не сыграл, и вероятно уже не сыграет.
По материалу компании Toshiba
