Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

После ознакомления с керосиновым генератором нетрудно будет понять идею конструкции атомной термоэлектрической батареи (термоэлектрогенератора).

Ядерный реактор в виде цилиндра из графитовой кладки с урановыми стержнями окружается цилиндрической рубашкой, внутрь которой вводятся нагреваемые спаи последовательно соединенных термоэлементов; холодные спаи размещаются снаружи и охлаждаются окружающим воздухом. Тепло, выделяющееся в реакторе, нагревает внутренние спаи и поддерживает тем самым разность температур между ними и наружными спаями. Вследствие этого в цепи термоэлементов будет непрерывно протекать электрический ток. К сожалению, такие батареи будут маломощными.

Возможен второй путь прямого превращения атомной энергии в электрическую с помощью батарей другого типа, в которых используются радиоактивные излучения. Атомные батареи этого типа собираются из электрических элементов, прототипом которых является зарядное устройство, описанное английским физиком Г. Мозли еще в 1913 г. Устройство такого элемента можно представить себе следующим образом (рис. 53).

Внутрь металлического корпуса 1 вводится электрод 2 , изолированный кварцем или янтарем 3 и покрытый тонким слоем какого-либо радиоактивного изотопа 4 . Воздух из такого устройства выкачивается. Если изотоп испускает, например, бета-частицы, то внутренний электрод 2 , теряя отрицательный заряд, будет заряжаться положительно, а внешний электрод (корпус) — отрицательно. Внешний электрод является здесь собирателем (коллектором) бета-частиц (электронов). По мере накопления зарядов на электродах такого элемента напряжение будет увеличиваться и достигнет большой величины, измеряемой иногда многими десятками тысяч вольт. Сила тока такого элемента очень мала и имеет величину порядка миллиардных долей ампера. Но так как сила тока пропорциональна количеству изотопа в элементе, то, взяв большое количество изотопа и соединив несколько таких элементов параллельно в батарею, можно получить от нее несколько бóльший ток.

Батареи такого типа используются как источники анодного напряжения либо в электронно-лучевых трубках, либо в устройствах для ускорения отдельных заряженных частиц.

Зарядка внешнего электрода радиоактивным излучением может осуществляться через тонкий слой твердого диэлектрика (рис. 54). Такой элемент не нуждается в вакууме. Для защиты от радиоактивных излучений целесообразно экранировать элемент слоем свинца.

Третий и наиболее перспективный путь прямого превращения атомной энергии в электрическую связан с применением атомных электрических элементов с умножением тока на полупроводниковом контакте. Упрощенная схема такого элемента дана на рис. 55.

Источником бета-частиц (электронов) здесь служит искусственно радиоактивный стронций 90. Излучаемые им электроны, пронизывая пластинку полупроводника (например, кремния), размножаются, выбивая новые электроны из атомов кремния. На один первичный электрон образуются сотни тысяч новых (вторичных) электронов. Контакт кремний–индий обладает замечательным свойством: он пропускает электроны только в одном направлении, в результате чего облучаемый кремний приобретает заряд одного знака, а индий — противоположного. Если теперь к кремнию и индию присоединить проводники, то в цепи будет течь электрический ток. Атомный элемент на кремнии дает напряжение порядка 0,25 в и ток короткого замыкания 10 -5 а .

Появление атомных батарей является доказательством возможности прямого превращения ядерной энергии в электрическую и представляет несомненный научный и практический интерес.

Атомные батареи, использующие радиоактивные излучения, могут действовать без смены радиоактивного вещества длительное время, определяемое периодом полураспада используемого радиоактивного изотопа. Так, например, продолжительность непрерывной работы обычной сухой батареи измеряется десятками и в лучшем случае сотнями часов, тогда как срок службы стронциевой батареи исчисляется многими годами. Мощность стронциевой атомной батареи уменьшается в 2 раза лишь примерно через 20 лет.

Кроме того, атомные батареи в отличие от обычных дают постоянное напряжение («не садятся») независимо от продолжительности их работы. Весьма важным свойством атомных батарей является их портативность. Один атомный элемент со стронцием 90 имеет размеры не более наперстка.

Атомные электрические батареи могут найти применение в первую очередь в переносных радиостанциях, полевых телефонных аппаратах, полевой дозиметрической аппаратуре и т. д., т. е. там, где от источников электрической энергии требуются малые размеры и вес. Если учесть большую насыщенность современных войск подобной аппаратурой, то нетрудно будет понять, насколько упростится ее обслуживание и снабжение источниками электрической энергии благодаря применению атомных батарей.

К сожалению, атомных батарей, рассчитанных на отдачу значительной мощности, до сих пор еще нет. Несомненно, однако, что дальнейшее усовершенствование конструкции атомных батарей и изобретение новых их типов будет способствовать созданию в ближайшем будущем атомных батарей большой мощности.

Одним из серьезных недостатков атомных батарей является обязательное наличие свинцовой защиты от радиоактивных излучений.