11 октября 2012 года в НИИТФА в рамках конференции «Радиационные технологии – достижения и перспективыexternal link, opens in a new tab» состоялось секционное заседание на тему «Радионуклидная энергетика», посвященное одному из направлений радиационных технологий – использованию излучения радиоактивных изотопов в качестве источника энергии.
Напомним, еще в советские времена практиковалось использование радиоизотопных термоэлектических генераторов (РИТЭГ), в частности, в качестве источников энергии в труднодоступных местах, например, на маяках в районах Крайнего Севера. В последние годы в рамках решения задачи по решению проблем «ядерного наследия» завершается замена РИТЭГов на альтернативные источники энергии. Однако, использование радиационных технологий для получения энергии нашло новую область применения – в космической отрасли. Известна президентская программа, изложенная в послании президента РФ Д.А.Медведева в 2009 году, о разработке ядерных источников энергии для межпланетных перелетов, ядерные источники энергии использовались на многих европейских и американских космических аппаратах, целый ряд стран для реализации своих космических программ проявляют большой интерес к российским разработкам.
На секционном заседании выступили представители ряда организаций (преимущественно РФЯЦ-ВНИИЭФ), которые проводят разработки в этой области.
Попытки использования ядерных источников энергии в космосе предпринимались как в США, так и в СССР, еще с самого начала космической эры, однако первоначально от них отказались в пользу солнечных батарей. Одним из аргументов были сомнения в безопасности такого источника энергии. Поэтому неудивительно, что основной темой большинства докладов было обеспечение гарантий безопасности ядерных источников энергии даже в случае различных аварийных ситуаций.
С докладом, посвященным обзору состояния зарубежной и отечественной радионуклидной энергетики космического назначения, выступил представитель РФЯЦ-ВНИИЭФ Борис Дербутович, который, в частности, подробно рассказал о многочисленных степенях защиты, применяемых в космических источниках энергии. В частности, в стандартных американских термоэлектрических элементах GPHS-RTG каждая таблетка из диоксида плутония-238 герметизируется оболочкой из иридия, две такие иридиевые сборки покрываются графитовой противоударной оболочкой, а капсула из двух таких сборок покрывается композитной термостойкой оболочкой, т.е. существует трехслойная степень защиты. Аналогично решаются задачи безопасности и космических РИТЭГов нового поколения и в России. Термоэлектрический генератор «Ангел» на основе теплового блока «Пантера», разработанный в 1990-е годы в НПП «БИАПОС», которое было основано сотрудниками НИИТФА, имеет несколько защитных слоев, окружающих тепловыделяющее ядро из радиоактивного материала).
Дербутович также рассказал, что, если в США в качестве основного источника энергии в космических РИТЭГах изначально использовался плутоний-238, то в СССР длительное время (в частности, на «Луноходах») использовался полоний-210, преимуществом которого является простота получения, но недостатком является высокая токсичность. Поэтому в новых российских РИТЭГах был сделан выбор в пользу плутония-238, который, будучи альфа-излучателем, представляет опасность для человека только в случае попадания его вовнутрь организма. При этом в случае попадания диоксида плутония в пищеварительный тракт он выводится в течение нескольких суток, и действительную опасность представляют лишь частицы PuO2 размером менее 0,1 мкм, которые, способны образовывать аэрозольную фракцию и в случае попадания в легкие останутся там навсегда. Докладчик, однако, привел результаты исследований, что как при производстве топливных элементов, так и при любых возможных аварийных ситуациях, количество образующейся аэрозольной фракции PuO2 будет настольно мало, что опасений для организма не представляет.
С интересными докладами выступили представители ВНИИЭФ Нина Кушнир и Сергей Кузовков, рассказавшие об исследованиях (проводившихся совместно с НПО им.Лавочкина) о безопасности разработанных РИТЭГов на предмет их поведения как во время штатных ситуаций (различные условия транспортировки, перегрузки при старте), так и во время различных аварийных ситуаций при их запуске (пожар на старте, невыход на орбиту, падение на твердую поверхность, падение в океан, тепловые нагрузки при входе в атмосферу и др.). По результата испытаний, безопасность РИТЭГов можно считать подтвержденной – при всех возможных гипотетических аварийных ситуациях выход радиоактивного вещества в окружающую среду исключен.
В настоящее время разработаны РИТЭГи для космической аппаратуры мощностью 120 Вт и 6,5 Вт (такая, казалось бы, маленькая мощность является вполне достаточной в связи с постоянным совершенствованием аппаратуры и уменьшением ее энергопотребления). Интерес к ним проявляют самые разные стороны – начиная с Китая и Индии, которые только планируют свои лунные программы и заинтересованы в покупке у России готовых топливных элементов, и заканчивая США, которые практически исчерпали свой запас плутония-238, оставшегося от оборонных программ, и заявляли об интересе к приобретению российского плутония, запасы которого имеются на ПО «Маяк». Ряд выступающих высказывали пожелания, чтобы, не исключая взаимовыгодного международного сотрудничества, тем не менее использовать российские наработки и ядерные материалы в первую очередь для своей собственной российской космической программы.
Пока основным недостатком разрабатываемых РИТЭГов является их низкий КПД. Их энергетическая эффективность составляет порядка 1 Вт на 1 г плутония, однако за счет многослойных систем защиты этот показатель снижается на два порядка. Кроме того, сам термоэлектрический принцип получения энергии недостаточно эффективен – КПД составляет порядка 6-7%. Один из вариантов решения этой проблемы изложил в своем докладе представитель ГНЦ ТРИНИТИ Анатолий Филиппов, предложивший радиоизотопный источник тока на «фотовольтаическом принципе». Смысл рацпредложения заключается в том, что излучение ряда изотопов при взаимодействии с атомами ксенона порождает оптическое излучение, которое с помощью фотоэлектрических элементов преобразуется в электричество. КПД такого способа получения энергии может быть в 5-10 раз больше, чем в случае РИТЭГов. Уже в 2013 года разработчик обещает создание опытных образцов топливного элемента, основанного на данной технологии.
