Неоружейный плутоний: российские ученые создали уникальную ядерную батарейку

В Институте лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ создали прототип ядерной батарейки, работающей на изотопе плутония. Ее мощность — 500 Вт, но можно поднять и до нескольких кВт. Но даже мощности прототипа хватит, чтобы запитать метеостанцию в Арктике, или какой-либо из приборов космического аппарата. Космос, освоение Арктики и других территорий с суровыми условиями, работа на большой глубине, мониторинг нефтепроводов большой протяженности и даже медицина — основные области, где можно применить новинку. Конечно, немного страшно, когда слышишь, что такая обыденная для нас вещь, как батарейка, будет с плутонием. Тем самым, из которого делают атомные бомбы. Но на деле бояться нечего.

Плутоний-238 — это «особая версия» плутония. В природе он встречается только в таких мелких количествах, что добывать его практически невозможно. Цена этого токсического и радиоактивного вещества — около 2,5 миллионов долларов США за килограмм, но даже при таких расценках эффективнее его синтезировать: нужно бомбардировать нептуний-237 нейтронами. 238-й радиоактивен, но в нем отсутствует гамма-излучение (радиоактивное излучение состоит из трех типов) и практически полностью — бета-излучение. Из трех спектров радиоактивных волн присутствует только альфа-излучение. Его легко экранировать.

Плутоний-238 и плутоний-239 открыли в 1940-м году американские ученые-ядерщики. Приблизительно в это же время получением и изучением изотопов плутония занялись и советские умы от науки. А уже через пять лет США с помощью ядерного оружия уничтожили японские города Хиросима и Нагасаки. Одна из бомб была на основе урана, другая — плутониевая.

В Союзе, оказавшемся в этой гонке позади, в 1946 году в закрытом городке Челябинске-40 (его называли самым охраняемым городом в регионе)  создали предприятие по производству урана и плутония, годных для применения в ядерном оружии. Это были слитки с чистотой 95% и выше. И, как следствие, в 1949 Союз испытал свою первую атомную бомбу в Семипалатинской области Казахской ССР.

Репутация редкого металла быстро начала ассоциироваться с возможностью нанести военным противникам удары, стирающие с лица земли целые города. Плутоний прочно ассоциировался со смертоносным оружием массового поражения. Но все же у изотопов были слишком разные свойства: 238-й не годился для применения в бомбах. Напротив, чем выше его содержание в «оружейном» 239-м изотопе, тем хуже — эффективность 239-го падает. Если совсем упростить, — 238-й не способен взрываться.

Ученые начали обнаруживать интересные свойства. В 1954 году сотрудники Маундовской лаборатории (США) Кен Джордан и Джон Бьорде изобрели радиоизотопный термоэлектрический генератор (в русскоязычной номенклатуре — РИТЭГ). Кену и Джону повезло — в их распоряжении было передовое оборудование и другие мощности, которые использовали для разработки ядерного оружия во время холодной войны.

Установка работала на принципе распада радиоактивного элемента — он нагревался до высоких температур, просто существуя. Так, один грамм оксида плутония-238 (238-PuO2) генерирует 0,5 ватта тепловой энергии. Если ее перевести в электрическую, то получим «батарейку». У каждого изотопа на один или несколько электронов больше, чем нужно. И они, в зависимости от своей структуры, рано или поздно стремятся «отдать» лишнее. При этом выделяется тепло, его и переводили в электрическую энергию.

Как пустить тепло по электрическим проводам? На тот момент уже были известны разные методы. Термоэлектрический — если спаять два провода из разных металлов и нагревать один из них, то по ним пойдет ток. Позже появился термофотоэлектрический — улавливать «детектором» в инфракрасном спектре фотоны. Или даже термоэлектрический конвертер, начинка которого из расплавленных солей натрия и серы при нагреве тоже даст электричество. В общем, перевод энергии из одного вида в другую не был проблемой.

Период полураспада — срок жизни изотопов. У 238-го он 87,7 лет. Через этот срок в килограмме лишь половина вещества останется изотопом, а остальная часть избавится от «лишних» электронов (и в данном случае превратится в уран-234). Через еще 87,7 лет останется лишь 250 граммов. Это значит, что РИТЭГом нельзя управлять. Не получится загрузить на борт космического аппарата десяток батареек и менять их по мере надобности — они все начинают работу еще до того, как их подключают к системе. Постоянное уменьшение количества радиоактивного топлива означает и уменьшение тепла и электричества.

Но не все так плохо.

В космосе не только светло, но и темно

В батарейках на основе диоксида плутония-238 увидели смысл в космической промышленности. Например, на околоземной орбите спутнику достаточно солнечных батарей размером с 4 парковочных места. Для полета к Марсу понадобится вдвое большая площадь. К Юпитеру — еще увеличить раз в 8. Чем дальше от Солнца летит космический аппарат, тем меньше и меньше и меньше эффективность солнечных батарей.

Поскольку абсолютно все тепло от работающей установки невозможно поглотить и передать на провода, она ощутимо нагревалась. Для космических аппаратов это оказалось даже плюсом — абсолютный минус черного межпланетного пространства уже не страшен. РИТЭГ давал спутникам и электричество, и тепло. Кстати, в фантастическом фильме «Марсианин» Ридли Скотта главный герой ищет решение — ему нужно поехать на ровере на большое расстояние. Чтобы не замерзнуть по ночам (в зависимости от удаленности от полюсов температура там составляет от -80 С до -135 С), он берет с собой в путь небольшой РИТЭГ.

РИТЭГи были на «Вояджер-1», который в пути уже 46 лет и является наиболее удаленным от Земли рукотворным объектом. А еще он первым сделал снимки спутников Юпитера и Сатурна. На «Вояджер-2» (у него и его собрата генераторы прослужат до 2025 года — такие оценки в NASA), марсоходе «Кьюриосити» и ряде других космических аппаратов тоже РИТЭГи.

Стоит рассмотреть миссию «Кассини-Гюйгенс» — она проработала почти 20 лет, передала без малого полмиллиона снимков и 635 гигабайт разных данных. Станция несла зонд, который спустился на поверхность Титана (спутник Сатурна, на котором есть вода в стабильном состоянии) и прислал фото с нее. На борту было 32,8 килограмм чистого и свежего 238-го. Затраты на миссию вышли больше, чем в 3,2 миллиарда долларов, так что плутония было «всего» миллионов на 50. Но самое важное — такое количество вещества ни одна страна в мире не могла произвести и за пару лет. Но в NASA никогда не скрывали, что закупают 238-й у разных стран, в том числе и у России. Станция имела мощность 880 ватт в 1997 и около 670 ватт в 2010. Но это лишь тепло; в начале миссии установка выделяла 292 Ватта электроэнергии.

Солнце взаперти

Если РИТЭГи уже давно успешно используются, то что предлагают российские ученые? Большую эффективность при меньшем размере. Нет, период полураспада никуда не делся, но с ним проще «работать», если можно с легкостью рассчитать батарею для космического аппарата с серьезным запасом мощности на пару десятилетий, а то и больше.

В батарейке МИФИ несколько иной принцип действия — изотоп в вакуумной камере нагревается до 1500 градусов Цельсия и начинает светиться. Вся поверхность капсулы усеяна наносферами из вольфрама — одного из самых тугоплавких материалов в мире (напылять его приходится около 100 часов, чтобы обработать капсулу размером с обычное ведро). Это несколько изменяет спектр излучения в нужном направлении и повышает эффективность изобретения. Вокруг капсулы еще одна камера, вся поверхность которой покрыта фотоэлементами. Они схожи по своей природе с солнечными батареями, но рассчитаны на длительную работу при высокой температуре и высокой интенсивности излучения. Внутренняя камера нужна для «сдерживания» радиоактивного плутония — она раскаляется до 1500 градусов Цельсия (видимый человеческим глазом спектр свечения начинается уже после 527 градусов). Изотоп находится там в вакуумном состоянии. Внешняя камера изнутри усеяна светопоглотителями.

Заведующий кафедрой физико-технических проблем метрологии Института Ла Плаз НИЯУ МИФИ д.ф-м.н. Петр Борисюк считает, что при нынешних конфигурациях батарея проработает 10 лет без проблем. А далее могут быть нужны замены элементов, окружающих светящуюся капсулу, проводков, электроники и так далее. По сути, капсулу можно поместить в новый контейнер, и она продолжит работу в новой системе.

Ученые представили установку, которая дает электричество за счет энергии полураспада изотопа плутония. Этакая мини-АЭС, способная работать без подзарядки 87 лет. Мощность батареи — до 500 Вт. Этого хватает, чтобы запитать, например, метеостанцию в Арктике. Да что там, это вдвое больше, чем мощность «Кассини-Гюйгенс», при меньшем размере. Аппаратура на бортах космических аппаратов всегда зависит от мощности энергоустановок. Больше мощности дает возможность поставить аппаратуру получше. Пока что прототип вышел размером с микроволновку. Но ученые продолжают работу.

Но космос где-то там, далеко от нас… В НИЯУ МИФИ уже получили заказ от «Росатома» на создание гражданской версии плутониевой батарейки. Кто знает — может, через несколько лет мы сможем носить вечные часы или телефон, который не нуждается в подзарядке.

Источники