رادیواکتیو

تولید انرژی از تابش هسته ای

رضا قلي پور

تولید انرژی از شکافت هسته ای و واکنش های گرما هسته ای يكي از كاربردي ترين استفاده هاي اين صنعت مي باشد. در این مقاله تهیه توان الکتریکی از انرژی آزاد شده از پرتوزایی ، به ویژه در باتری های اتمی، مورد ملاحظه قرار می گیرد. این عمل یا به طور مستقیم (به مقدار کم) با استفاده از بار الکتریکی خروجی و یا جذب انرژی به صورت گرما و سپس تبدیل گرما به توان الکتریکی صورت می گیرد. با استفاده از روش دوم، در باتری های اتمی، منابع قدرتی بیش از W100 به وجود آمده اند، اینها در مواردی از قبیل ایستگاههای هواشناسی قطب شمال که بدون وجود انسان کار  می کنند و یا در موشکهای بدون سرنشین که در فضا دوران می کنند، به کار برده می شوند.

ليست ویژه هسته های پرتوزای قابل استفاده در باتری های اتمی در جدول 1 داده شده است. برای انتخاب هسته های پرتوزای مناسب معیارهای زیر مهم اند: نیم – عمر، که برای به دست آوردن توان الکتریکی تا حد امکان ثابت، باید در مقایسه با زمان کار مورد نظر طولانی (معمولاً بزرگ تر یا مساوی 10 سال) باشد. علاوه بر این، توان خروجی در واحد جرم باید تا حد امکان بالا باشد. این در صورتی حاصل می شود که نیم – عمر خیلی طولانی نباشد(کوچکتر از 10³ سال) و نیز اگر انرژی تابش بالا باشد. گسیلنده های آلفا دارای این مزیت هستند که انرژی واپاشی شان نسبتاً بالا است و ذرات آلفا به طور موثر جذب می شوند. ویژه هسته های پرتوزای واپاشنده با گسیل پی در پی چندین ذره آلفا، مانند Pu²³⁸ و U²³² ، به عنوان منبع انرژی، مناسب ترین هستند. Pu²³⁸  از پرتودهی Np²³⁷ در راکتورهای هسته ای تولید و در باتری های اتمی مستقر در ماهواره ها مورد استفاده قرار می گیرد. U²³² می تواند در دو مرحله تولید شود: پرتودهی نوترونی Th²³⁰ ، دنبال شده با جداسازی Pa²³¹ تولید شده و پرتودهی نوترونی این آخری.

به طوری که پیش از این گفته شد، انرژی ذرات a یا b می تواند یا به طور مستقیم و یا غیر مستقیم به توان الکتریکی تبدیل شود. تبدیل مستقیم با استفاده از پتانسیلهای باردار کردن یا تماس یا از راه تبدیل فتوولتایی پرتوی امکانپذیر است. با این حال، تبدیل مستقیم به قدرتی از مرتبه تا W^4-10 محدود می گردد. تبدیل غیر مستقیم اکثراً بر استفاده از گرمای تولید شده از جذب تابش (تبدیل گرمایی) مبتنی است. در این روش، چشمه بسته تابش به عنوان چشمه گرما عمل می کند. تبدیل ترموالکتریک به وسیله ترموالمانها (مثلاً Bi-Te و Pb-Te یا Ge-Si ، بسته به دما) کار می کند. بازده تبدیل ترموالکتریک از مرتبه 5 تا 10 درصد است.

برای کاربرد در فضا، باتری های اتمی ترموالکتریک بار شده با Pu²³⁸  با توان الکتریکی بین تقریباً 177 و kW1 مورد استفاده قرار می گیرند. دستگاههای کوچکتر با توان الکتریکی تقریباً 1/0 تا mW1، همچنین در بردارنده Pu²³⁸، به عنوان منبع انرژی با طول عمر طولانی برای کاربردهای پزشکی در ضربان سازها توسعه یافته اند، ولی اینها امروزه با باتری های الکتروشیمیایی با طول عمرهای چندین سال جایگزین شده اند. نمونه های اولیه سایر باتری های اتمی کار کننده با Sr⁹⁰، Co⁶⁰، Ce¹⁴⁴، Po²¹⁰ یا Cm²⁴⁴ نیز توسعه یافته اند.

جدول 1 ویژه هسته های پرتوزا برای استفاده شدن در باتری های اتمی

اساس تبدیل گرما یونی، اساس یک دیود است، که در آن کاتد (گسیلنده) الکترونهایی را گسیل می کند که در آند جمع آوری می شوند (جمع کننده). آلیاژهای W،Re،Mo،Ni یا Ta به عنوان گسیلنده به کار می روند، و دیودها در دمای تقریباً K2200 کار می کنند. بازده، بسته به قدرت، بین 1 و 10 درصد تغییر می کند. برای بهره گیری از مزیت تبدیل گرما یونی، ویژه هسته های پرتوزا با توان خروجی ویژه بالا( توان بر واحد جرم بالا)، از قبیل Pu²³⁸، U²³² Ac²²⁷ و Cm²⁴² مورد نیاز هستند. مدلهای با توان 1/0 تا kW1 توسعه یافته اند.

در باتری های ترموفوتوولتایی گرمای گسیل شده به وسیله ویژه هسته های پرتوزا به کمک فوتوالمانهای حساس به فرو سرخ (مثلاً دیودهای Ge) که به دلیل کاهش قابل ملاحظه بازده با افزایش دما عملاً باید سرد شوند، انجام می پذیرد. به لحاظ دماهای بالای گسیلنده، تبدیل ترموفوتوولتایی برای سطوح قدرت بین W10 و kW1 مورد توجه است. ولی بازده، نسبتاً پایین است(حداکثر تقریباً 5%).

باتری های اتمی پرتوفوتوولتایی (فوتوالکتریک) در دو مرحله کار می کنند. ابتدا انرژی تابش به کمک مواد لومینسان به نور و سپس به کمک ترموالمانها به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. به دلیل تجزیه تابشی مواد لومینسان، تعداد ویژه هسته های پرتوزای قابل استفاده محدود است. گسیلنده های آلفا نامناسب اند. و مناسبترین گسیلنده بتا، Pm147 است. ساخت این نوع باتری های اتمی نسبتاً ساده است: ویژه هسته پرتوزا و ماده لومینسان به نسبت تقریباً 1:1 مخلوط شده، و به شکل یک لایه نازک بین دو فوتوالمان (مثلاً Se – Cu یا Ag-Si ) قرار می گیرد. بازده هایی از مرتبه 1/0 تا 5/0 درصد و توانهایی از مرتبه mW10بر ²cm حاصل شده اند. به دلیل بازده پایین، این نوع باتری اتمی فاقد اهمیت فنی است.

در مقایسه با روشهای توصیف شده در پاراگرافهای پیشین، تبدیل پرتوفوتوولتایی یک روش مستقیم است. در یک نیم رسانا تابش فرودی حاملهای آزاد بار تولید می کند، که در لایه سد p،n نیم رسانا جدا می شوند. چشمه های مناسب تابش، ویژه هسته های پرتوزای گسیلنده ذرات b با انرژی های پایین حدود صدمات تابشی در نیم رسانا هستند. این حدود عبارت اند از تقریباً keV¹⁴⁵ برای Si و تقریباً keV350 برای Ge . لذا تنها pm¹⁴⁷،C¹⁴، Ni⁶³  و T به عنوان چشمه های تابش  مناسب اند. با استفاده از ترکیب Pm/Si¹⁴⁷ ، بازده های حدود 4% به دست می آیند.

مبدل های پویا بر پایه اصول متفاوت با باتری های اتمی قرار دارند. آنها شامل قسمتهای متحرک اند و بدون تعمیر و نگهداری نیستند. با این وجود، بازده های نسبتاً بالای حدود 20% با مبدلهای پویای کار کننده با موتورهای بخار، موتورهای استرلینگ یا توربین های گازی به دست آمده است. در این نوع مبدل ها انرژی تابش در سه مرحله به انرژی الکتریکی تبدیل می شود ( انرژی تابش به گرما، گرما به انرژی مکانیکی و انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی).