CC BY
245УДК 621.039.5
С.З. Жизнин, В.М. Тимохов1
РАДИОИЗОТОПНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
В процессе радиоактивного распада ядер выделяется огромное количество энергии, которая может быть преобразована в тепловую или электрическую энергию, и использована в качестве источников питания там, где применение традиционных технологий нерентабельно или невозможно. Это космические аппараты, межпланетные станции, удаленные северные регионы и т.д. Радиоактивные изотопы, применяемые в таких источниках энергии, должны обладать определенными свойствами как по техническим параметрам, так и экономическим показателям. В настоящей работе рассмотрены такие источники энергии, возможности их применения в различных сферах экономики и вопросы обеспечения энергетической безопасности.
Ключевые слова: радиоизотопные источники энергии, плутоний-238, уран-232, радиоизотопный термоэлектрический генератор, РИТЭГ.
В процессе развития технологий человечество искало все новые источники энергии, которые могли бы удовлетворить производственные и бытовые нужды, быть безопасными и не требовать ресурсов для своей работы. Так, для получения электрической энергии удобнее всего использовать тепловую энергию с дальнейшим ее преобразованием в электрическую. В качестве тепловой энергии чаще всего применяется пар, нагретый воздух или углеводородное топливо. Далее каждый из этих источников поступает на тепловые электростанции, в двигатели Стирлинга, двигатели внутреннего сгорания и т.д., то есть в установки, где производится их преобразование в электрическую энергию.
Однако с появлением новых технологий и их развитием требовались другие источники, которые позволили бы с меньшими потерями производить большие объемы энергии и в течение длительного периода времени. К ним относятся источники энергии, выделяемой из атомного ядра, то есть появилась потребность использовать в сфере энергетики ядерные технологии.
Действительно, в процессе радиоактивного распада ядер, реакциях деления тяжелых ядер под действием нейтронов, реакциях синтеза легких ядер и в процессах аннигиляции выделяется огромное количество энергии. Ее можно пре-
образовать в тепловую энергию и применять в различных отраслях народного хозяйства без приченения вреда окружающей среде взамен энергии, выделяемой при сжигании органических углеводородов. Это позволит решить одну из главных проблем энергетики - ресурсную.
В предыдущих наших работах мы достаточно подробно проанализировали: а) ядерную энергетику на тепловых нейтронах [1]; б) ядерную энергетику на быстрых нейтронах и ториевый топливный цикл [2]; в) термоядерную энергетику или управляемый термоядерный синтез (УТС) [3]; г) радиоактивные источники для ядерной медицины [4]. В настоящей работе мы рассмотрим радиоизотопные источники энергии.
Что такое радиоизотопные источники энергии?
При поглощении радиоактивного излучения (альфа-, бета-, гамма-), испускаемого радиоактивными ядрами, происходит нагревание. Образуемая тепловая энергия с помощью термоэлектрического преобразования может быть переведена в электрическую энергию. Этот принцип используется чаще всего при получении электрической энергии от радиоактивных изотопных источников.
1 Станислав Захарович Жизнин - профессор Международного института энергетической политики и дипломатии МГИМО МИД РФ, д.э.н., президент Центра энергетической дипломатии и геополитики, e-mail: [email protected];
Владимир Михайлович Тимохов - генеральный директор Центра энергетической дипломатии и геополитики, к.ф-м.н., e-mail: [email protected]
Радиоизотопными источниками энергии (РИЭ) называются устройства, которые преобразуют энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде ядер, или тепловую энергию изотопа в электрическую или тепловую энергию. Отметим, что коэффициент полезного действия таких источников небольшой и составляет 3-5% [5].
Принципиальное отличие радиоизотопного источника энергии от атомного реактора состоит в том, что в РИЭ используется энергия распада радиоактивных ядер, которая не контролируется и определяется свойствами изотопа и его формы (сплав или соединение), а в ядерных реакторах осуществляется управляемая цепная реакция. Важно также отметить, что РИЭ обеспечивают полную автономность в работе, имеют высокую надежность, малый вес и габариты.
Основные причины применения радиоизотопных источников: компактность, необслуживаемость в течение длительного времени и самое главное - огромная энергоемкость изотопов. Например, в РИЭ на основе оксида плу-тония-238 (238Ри), снижение энерговыделения из-за распада ядер составляет всего 0,78% в год. Массовая и объемная энергоемкости при распаде изотопов значительно (в 4-50 раз) меньше аналогичных энергоемкостей при делении ядер урана, плутония и других делящихся изотопов, но они в десятки и сотни тысяч раз выше энергоемкостей химических источников энергии, таких как аккумуляторы, топливные элементы и другие химические элементы.
Данные свойства характерны только для радиоизотопов и являются их значительным преимуществом перед другими энергетическими источниками.
Основные характеристики изотопов, применяемых в РИЭ
Источником тепла в радиоизотопных источниках энергии являются радиоактивные изотопы различных химических элементов [6]. Известно более 3000 радиоизотопов, но лишь небольшое количество (примерно 47) из них подходят в качестве энергетических радиоизо-
топных источников [7]. Основные виды и некоторые характеристики наиболее применяемых РИЭ показаны в табл. 1.
Отметим, что в настоящей работе мы анализируем только радиоактивные изотопы, которые могут быть использованы для получения энергии (электрической или тепловой) в радиоизотопном источнике. Другие очень важные изотопы - радиоактивные изотопы для медицины, металлургии и для других областей применения рассмотрены нами ранее [4, с. 146].
Из табл. 1 можно видеть, что одна часть радиоактивных изотопов образуются в процессе облучения в реакторе, а вторая - как осколки деления топливных изотопов реактора (ура-на-235, урана-238, плутония-239).
Наиболее используемыми изотопами для РИЭ являются плутоний-238 (238Ри), кюрий-244 (244Ст) и стронций-90 (90Бг).
Также изучены другие изотопы, представленные в табл. 1. Все они значительно различаются по своим энергетическим характеристикам. Так, изотоп полоний-210 имеет период полураспада всего 138 дней, но у него огромная начальная удельная мощность тепловыделения, равная 142 Вт/грамм. Напротив, у изотопа америция-241 - громадный период полураспада (433 года), но его удельное тепловыделение составляет всего ~ 0,1 Вт/грамм.
Кроме этих изотопов огромный интерес представляют также изотопы тяжелых трансурановых элементов, такие как: кюрий-245, изотопы калифорния (248, 249, 250СГ), эйнштейний (254Б8), фермий (25Тш), более легкие изотопы полония (208, 209Ро), актиний (227Ас).
При выборе рабочего изотопа для РИЭ важную роль играет образование дочернего изотопа, который также способен к значительному тепловыделению. В этом случае цепочка ядерных распадов удлиняется и соответственно возрастает общая выделяемая энергия, которую также можно использовать.
Из табл. 1 также можно сделать вывод о том, что уран-232 (232и) является наилучшим изотопом для РИЭ. Он имеет длинную цепочку распада и выделяет энергию почти в 10 раз большую, чем у большинства других изотопов. Од-
Таблица 1
Основные характеристики наиболее применяемых изотопов в РИЭ [8]
и
и Е а
VI
о я
ю о
Изотоп Период полураспда, Т 1/2 Способ получения Удельная мощность, Вт/гр Интегральная энергия распада изотопа, кВт-ч/г Средняя энергия Р-излучения, МэВ Энергия а-излучения, МэВ Энергия у-излучения, МэВ
60Со 5,3 лет Облучение в атомном реакторе 2,9 193,2 0,31 1.17; 1.33
238ри 86 лет Облучение в атомном реакторе 0,568 608,7 5,5 (72%); 5,5 (28%)
908г 28,6 лет Осколки деления 0,93 162,7 0,546
144Се 285 дней Осколки деления 2,6 57,4 0,31
242Ст 162 дня Облучение в атомном реакторе 121 677,8 6,1 (74%); 6,1 (26%)
147Рт 2,64 года Осколки деления 0,37 12,34 0,224
137Св 33 года Осколки деления 0,27 230,24 1,176 0,661
210ро 138 дней Облучение висмута 142 677,6 5,3 (100%)
244Ст 18,1 года Облучение в атомном реакторе 2,8 640,6 5,8 (77%); 5,8 (23%)
X
о
И
Е
и
и Е
СО
о и
Е ^
5
03
д
и
и н 5
л
и о
я
>
и
и
СО
о
я
>
3 о
5 я
Я о о н сг
Окончание табл. 1
Изотоп Период полураспда, Т 1/2 Способ получения Удельная мощность, Вт/гр Интегральная энергия распада изотопа, кВт-ч/г Средняя энергия Р-излучения, МэВ Энергия а-излучения, МэВ Энергия у-излучения, МэВ
232и 68,9 лет Облучение тория-232 8,1 4887,1а 5,3 (69%); 5,26(31%)
106Ки 372 дня Осколки деления 29,81 9,9 0,04
241Ат 432,5 года Облучение в атомном реакторе -0,1 5,5 (85%); 5,4 (85%) 0/06
Примечание: а - с учетом полной цепочки распадов короткожпвущпх дочерних изотопов. Источник: по данным [8].
X
о и
Е
и
и Е
СО
О и
Е ^
5 о о н сг
03
к
и
1-1 и н 5 Л и о
я
>
и
и
СО
о
я
>
нако его получение в настоящее время является достаточно дорогим и опасным, поэтому для широкомасштабного производства урана-232 предстоит решить ряд непростых технологических задач.
Радиоизотопные источники энергии, и соответственно источники тепла соединений и сплавов, изготовленных из них, должны удовлетворять следующим требованиям:
- иметь достаточно высокую объемную активность, чтобы получить высокое выделение энергии в очень ограниченном объеме источника;
- достаточно длительный период поддержания мощности при заданной скорости уменьшения энерговыделения, то есть период полураспада изотопа должен быть достаточно большим (несколько десятилетий);
- обладать безопасным видом ионизирующего излучения, не влияющим на экологию и применяемую аппаратуру. Любое высокое гамма, рентгеновское и нейтронное излучение требует специальных мер по защите персонала и близкорасположенной аппаратуры;
- иметь максимальную критическую массу для делящихся изотопов;
- высокую температуру плавления сплавов и соединений;
- относительно дешевый изотоп и возможно простотой способ его изготовления по существующим ядерным технологиям.
Большая часть представленных в табл. 1 изотопов этим требованиям удовлетворяет. Выбор изотопного источника тепла определяется задачами и временем выполнения работ. Огромным недостатком радиоизотопов является тот факт, что выделяющуюся из них энергию нельзя регулировать (уменьшить или увеличить), можно лишь отсечь тепловой поток от источника.
Области применения РИЭ
РИЭ широко используются в основном в качестве источников питания в тех отраслях, где использование традиционных технологий нерентабельно или невозможно.
К таким сферам применения относятся:
- космические аппараты, межпланетные станции, спутники и другие устройства, где очень мал поток от солнечного излучения;
- системы регенерации воды на космических аппаратах;
- удаленные северные территории (Арктика, открытое море);
- обеспечение электроэнергией маяков и бакенов, метеостанций;
- стимуляторы сердечной деятельности;
- глубоководные аппараты и другие нетрадиционные области.
В зависимости от назначения и требований к выполняемым задачам радиоизотопные источники энергии изготавливаются в различном исполнении. Их разновидности показаны в табл. 2. В ней также отмечены способы получения электрической энергии и некоторые области применения.
Как видно из табл. 2, РИЭ могут быть использованы в качестве маломощных источников электроэнергии, источников тепла для обогрева, маломощных высоковольтных источников, реактивных двигателей с невысокой мощностью для обеспечения маневров спутника и др.
Важно также отметить, что при использовании РИЭ выделяемое количество энергии очень мало. Для сравнения - в результате цепной реакции из 1 грамма урана можно получить до 20 МВт энергии, а в методе радиоизотопной генерации - всего ~ 10 Вт, но его период полураспада - около 90 лет. Это означает, что радиоизотопный источник будет работать десятилетиями, тогда как в атомном реакторе это топливо «выгорит» за несколько секунд.
Рассмотрим более подробно наиболее используемый РИЭ - радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ).
РИТЭГ - это радиоизотопный источник электрической энергии, использующий тепловую энергию, которая выделяется в процессе естественного распада радиоактивного изотопа и преобразуется в электрическую энергию с помощью термоэлектрического генератора (термопары). В зависимости от используемой термо-
Таблица 2
Виды радиоизотопных источников энергии [9]
№ Наименование РИЭ Способ получения электрической энергии Области применения
1 Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) С помощью термоэлементов. КПД: 3-5% Космос
2 Радиоизотопные термоэмиссионные генераторы С помощью термоэмиссионного преобразования Космос. Больший КПД, чем у РИТЭГов
3 Комбинированные генераторы радиоизотопов С помощью термоэмиссионного преобразования (1-я ступень) и термоэлементов (2-я ступень) Космос
4 Паротурбинные генераторы радиоизотопов С помощью парортутных или водопаровых турбин и электрогенератора Космос
5 Атомные элементы С помощью альфа- и бетаизлучающих изотопов, создающих высокие напряжения при малых токах, в вакуумных капсулах В маломощных системах управления, миниатюрных искусственных спутниках Земли и др.
6 Полупроводниковые атомные элементы Облучением полупроводников Питание маломощных устройств
7 Пьезоэлектрические радиоизотопные источники С помощью пьезоэффекта Питание маломощных устройств
8 Радиоизотопные оптико-электрические источники Из смеси радия-226, (Т1/2 = 1620 лет) или прометия-147 (Т1/2= 2,64 года) с фосфором Источники света для получения постоянного свечения
9 Радиоизотопные тепловые источники Облучением и последующим нагревом жидкостей (воды, топлива и др.) или газа Отопление и обогрев резервных батарей и т.д.
10 Радиоизотопные подогреватели, ионизаторы воздуха Подогревом и сильной ионизацией воздуха или кислорода для подачи в металлургическую печь Для интенсификации сгорания топлива
11 Радиоизотопные реактивные двигатели Из высококонцентрированных и тугоплавких соединений радиоизотопов, имеющих максимальное выделение энергии для нагрева рабочего тела из водорода, гелия. Реактивные двигатели небольшой мощности для маневрирования спутника
Источник: по данным [9].
пары эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую составляет 3-9% [5, 7].
РИТЭГ и являются наиболее подходящим источником энергии для автономных систем мощностью от нескольких десятков до несколько сотен ватт в течение длительного времени работы, которое невозможно достичь в топливных элементах или аккумуляторах. Они применяются в следующих областях.
В космосе. На космических аппаратах с продолжительной миссией и значительно удаленных от Солнца, таких, например, как Вояджер-2 или Кассини-Гюйгенс, РИТЭГи являются основным источником электропитания.
Зонд New Horizons в 2006 г. использовал изотоп плутоний-238 (238Pu) как источник питания в аппаратуре космических аппаратов. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высоко-
чистого диоксида 238Pu, производит в среднем 220 Вт электрической энергии на весь путь: 240 Вт первоначально (2006 г.) и, согласно расчетам, 200 Вт в конце пути (2020 год).
Зонды Галилео и Кассини, марсоход Curiosity также были оборудованы источниками энергии из плутония-238. В марсоходе используется последнее поколение РИТЭГа под названием Multi Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Оно производит 125 Вт электрической мощности в начале и 100 Вт - по истечении 14 лет.
РИТЭГ SNAP-27(Systems for Nuclear Auxiliary Power) применялся в миссии Аполлон-14 для электропитания приборов ALSEP. Генератор электроэнергии содержал 3,735 кг диоксида плу-тония-238, имел тепловую мощность 1480 Вт и электрическую - 63,5 Вт.
В космических аппаратах чаще всего применяется плутоний-238. Он имеет период полураспада 88 лет, выделяет энергию 5,5 Мэв с удельной мощностью ~ 0,54 Вт/гр. и ее снижением ~ 0,78% в год, является почти чистым альфа-излучателем с образованием высокостабильного изотопа урана-234 (234U), что в совокупности позволяет считать плутоний-238 в качестве очень безопасного изотопа при минимальных требованиях к биологической защите. Однако его получение, особенно чистого изотопа, требует создания и эксплуатации специальных реакторов, что делает плутоний-238 дорогостоящим изотопом.
На земле. Наземные РИТЭГи использовались в навигации (маяки, радиомаяки, метеостанции) и другом аналогичном оборудовании, которое устанавливается в тех местах, где по технические или экономические причины не позволяют применять другие источники электрического питания.
В СССР они использовались для питания навигационного оборудования, которое было установлено вдоль трассы Северного морского пути на побережье Северного Ледовитого океана. Сегодня, в связи с повышенными рисками хищений радиоактивных материалов, практика по использованию необслуживаемых РИТЭГов в малодоступных местах прекращена.
В США РИТЭГи применялись в качестве наземных источников питания, морских буев, в различных подводных установках. Точное ко-
личество установленных США РИТЭГов неизвестно, но, по некоторым оценкам 1992 г., оно составляло 100-150 установок.
В наземных РИТЭГах советского и американского производства широко применялся строн-ций-90. Этот изотоп с периодом полураспада 29 лет посредством двух р-распадов образует стабильный изотоп цирконий-90 (9^г) и выделяет суммарную энергию 2,8 Мэвс удельной мощностью ~ 0,46 Вт/грамм. Его получают достаточно дешево и в больших количествах из отработанного ядерного топлива. Однако, в отличие от изотопа плутоний-238, строн-ций-90 имеет более высокий уровень и проницаемость радиоактивного излучения, что, в свою очередь, требует повышенной биологической защиты.
В кардиостимуляторах. РИТЭГи, как генераторы тока, стимулируют работу сердца (кардиостимуляторы), в них применяются изотопы плутония-236 и плутония-238. По состоянию на 2003 г., в США от 50 до100 человек имели плутониевые кардиостимуляторы.
Другие применения. Эти изотопы также использовались при изготовлении атомных электрических батареек со сроком службы 5 и более лет. Также рассматривалось применение плутония-238 для костюмов водолазов и космонавтов, но производство этого изотопа было прекращено.
Подкритические РИТЭГи. Подкритический источник энергии содержит источник нейтронов и делящееся вещество, масса которого меньше критической. Нейтроны, испущенные источником, захватываются ядрами делящегося вещества, вызывают их деление, в результате которого выделяется энергия. Основное преимущество данного источника энергии заключается в том, что энергия реакции распада с захватом нейтрона значительно больше энергии спонтанного деления. Так, для изотопов плутония она составляет ~ 200 Мэв против ~ 6 Мэв спонтанного деления. Соответственно, необходимо гораздо меньшее количество вещества для обеспечения требуемого тепловыделения и электрической мощности, что значительно снижает вес и размеры источника.
Безопасность РИЭ
Хронология развития РИЭ. Первый радиоизотопный источник энергии создал в 1913 г. британский физик Г. Мозли. РИЭ состоял из посеребренной изнутри стеклянной сферы, в центре которой на изолированном электроде располагался радиоактивный радиевый источник. Испускаемые в процессе бета-распада электроны создавали разность потенциалов между электродом с солью радия и слоем серебра на стеклянной сфере.
Первые радиоизотопные генераторы для практического применения появились в США и СССР в середине ХХ в. после появления большого количества осколков деления из ядерного топлива и в связи освоением космоса.
США в 1956 г. разработали программу «Вспомогательные ядерные энергетические установки» (SNAP - Systems for Nuclear Auxiliary Power). Она предназначалась для получения надежного автономного источника энергии, работающего без обслуживания в отдаленных местах в течение длительного промежутка времени. В результате программы были созданы источники энергии для спутников «Транзит» (SNAP-11), Американской антарктической станции и Арктического бюро погоды (SNAP-7-Е, SNAP-7-D, SNAP-10-A), а также другие радиоизотопные генераторы системы SNAP.
В настоящее время США выделили радиоизотопную энергетику в отдельную и самостоятельную область энергетики, сформирована национальная изотопная программа [12].
СССР произвел 1007 РИТЭГов для наземной эксплуатации. Практически все они были изготовлены на базе радиоактивного изотопа стронций-90 (90Sr). Их мощность составляла 10-120 Вт, срок службы - от 10 до 30 лет. Данные РИТЭГи обеспечили электропитание маяков по всему Северному морскому пути до конца 1990-х годов. К 2012 г. большинство из них утилизированы и заменены альтернативными источниками питания (АИП).
Радиоизотопные генераторы «Орион-1» и «11К» на основе полония-210 (210Ро) были использованы в 1965 г. на космических аппаратах «Космос-84», «Космос-90», «Луноходе-1» (1970 г.), «Луноходе-2» (1973 г.).
Безопасность. Применительно к РИЭ включает в себя радиационную безопасность, предотвращение их использования в военных целях, а также обеспечение их применения для надежного и бесперебойного производства электрической энергии или тепла. РИТЭГ представляет собой потенциальную опасность, так как имеет довольно высокий уровень радиоактивности (от десятков до нескольких сотен тысяч кюри) [5]. Обычно он размещается на безлюдной территории, поэтому легко может быть похищен и затем использован как «грязная» ядерная бомба. Были зафиксированы также случаи разукомплектования РИТЭГов похитителями цветных металлов, которые при этом получали смертельные дозы облучения.
В настоящее время осуществляется их демонтаж и утилизация под надзором МАГАТЭ и при финансовой поддержке США, Норвегии и некоторых других развитых стран.
К началу 2011 г. демонтировано 539 РИТЭГов. По состоянию на 2012 г.: эксплуатируется 72 РИТЭГа, утеряно - 3, на хранении - 222, в утилизации - 31, четыре установки эксплуатировались в Антарктиде [13]. Эти последние 4 РИТЭГа в 2015 г. «Росатом» вывез из Антарктиды, их суммарная активность по строн-цию-90 составляла 80 000 кюри [13]. Успешная эвакуация радиоактивного материала с территории Антарктиды повысила физическую, техническую и экологическую безопасность континента и также способствовала решению международной задачи укрепления глобальной ядерной и радиологической безопасности.
В 2015 г. завершена программа вывода из эксплуатации РИТЭГов. По состоянию на 31 декабря 2015 г. выведено из эксплуатации 994 РИТЭГа, утилизировано 870 РИТЭГов. Оставшиеся 124 РИТЭГа безопасно хранятся на предприятиях «Росатома» [13].
В России остаются в эксплуатации 12 РИТЭГов на Камчатке в войсковых частях Министерства обороны.
Для навигации РИТЭГи больше не производят, их заменяют альтернативные источники энергии, такие как ветроэнергетические установки, фотоэлектрические преобразователи, светодиодные маяки, необслуживаемые аккумуляторные батареи и т.д.
Экономическая значимость радиоизотопов
Экономическое значение изотопов, которые производят с помощью ядерных реакторов, в определенном смысле уже превосходит ценность созданной этими реакторами электроэнергии. В частности, отработанное ядерное топливо (ОЯТ) представляет собой источник ценных металлов. Помимо большого количества радиоактивных изотопов и ядерного топлива, например плутония-239 (239Ри), в который превращается под нейтронным облучением уран-238 (238и), ядерные реакторы дают много промышленно важных редких металлов, таких, например, как палладий, родий, рутений и др. [4, с. 153].
Извлечение этих металлов из ОЯТ для катализаторов, специальных сплавов и коррозион-но-прочных материалов экономически оправдано, а их доля при полной переработке всего топлива, ежегодно извлекаемого из АЭС, составит значительную часть их мировой добычи из минералов. Концентрация в ОЯТ этих металлов в десятки тысяч, или даже миллионы раз выше, чем их среднее содержание в земной коре, поэтому японские специалисты отметили, что отработанное топливо - самая ценная среди известных человечеству руд [14, с. 133-136]. Поэтому использование радиоактивных изотопов в качестве энергетических источников в определенной мере может решать проблему утилизации отработанного ядерного топлива и радиоактивных отходов. Радиоактивные отходы (отработанное топливо и осколки деления) представляют интерес как изотопные источники энергии, следовательно, они из очень опасных источников радиации превращаются не только в полезные и необходимые источники энергии, но и в высокодоходные источники финансовых средств. В случае полной переработки облученного топлива, полученные денежные средства могут быть сопоставимы или превосходить стоимость выработанной энергии при делении ядер урана или плутония.
С развитием ядерной энергетики цены на важнейшие радиоизотопы падают, а объемы их производства значительно возрастают, что предопределяет дальнейшее развитие радиоизо-
топной отрасли энергетики. Однако стоимость получаемых с помощью облучения изотопов, таких как уран-232, плутоний-238, полоний-210, кюрий-242 и некоторых других, снижается незначительно, поэтому страны с развитой радиоизотопной технологией постоянно исследуют более экономичные способы облучения мишеней и более удобной переработки облученного ядерного топлива.
Увеличение объемов производства изотопов связывается главным образом с увеличением удельной мощности ядерных реакторов, уменьшением времени облучения мишеней и утечки нейтронов, разработкой новых методов непрерывных циклов выделения наиболее ценных радиоизотопов.
В значительной степени надежды на расширение производства изотопов связаны с развитием направления реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов. Использование тория в качестве топлива позволит получать уран-232 в больших промышленных масштабах и существенно уменьшит его стоимость.
Стоимость некоторых видов редких изотопов
Компании, которые производят изотопы, в настоящее время не предоставляют никакой информации о ценах практически всех изотопов, она является конфиденциальной. Для понимания и представления о стоимости некоторых важных изотопов приведем в качестве примера данные сентября 1998 г., установленные изотопным отделением Окриджской национальной лаборатории (ORNL) для отдельных изотопов плутония. Они представлены в табл. 3. Видно, что цены на эти изотопы довольно высокие и исчисляются в долларах за 1 миллиграмм.
Как известно, в течение примерно 30 лет поставки плутония-238 осуществляла для США Россия [16]. Однако в 2013 г. контракт был расторгнут, и США решили восстановить собственное производство этого изотопа. Первая, после такого длительного 30-летнего перерыва, партия изотопа плутония-238 (238Ри) была получена в конце 2015 г. в Окриджской национальной лаборатории. Масса этой опытной партии
Таблица 3
Стоимость некоторых изотопов плутония
Изотоп Плутоний-238 (97% чистоты) Плутоний-239 (99,99% чистоты) Плутоний-240 ( >95% чистоты) Плутоний-241 ( >93% чистоты) Плутоний-242
Цена, долл/мг 8,25 4,65 5,45 14,70 19,75
Источник: по данным [15].
составила 50 грамм [17]. Окридж планирует выйти на производство 300-400 граммов 238Pu в год с последующим увеличением годового выпуска до 1,5 кг.
Общие запасы 238Pu в США составляют, по последним оценкам Министерства энергетики США, порядка 35 кг. Туда входят остатки плутония, произведенного в прошлом веке на объекте Саванна-Ривер, а также некоторое количество плутония, закупленного у России [17].
Ближайшая космическая миссия, в которой будут использованы плутониевые РИТЭГи - это «Mars 2020 Rover», ее ориентировочная дата старта - июль 2020 года.
Самым дорогим изотопом в мире и исключительно редким металлом является калифор-ний-252 (252Cf). Его стоимость варьируется от 6,5 до 27 млн долл. за 1 грамм [18]. Он имеет период полураспада 2,65 года. По очень приблизительным оценкам мировой запас калифорния составляет порядка пяти граммов. Ежегодные объемы его производства составляют (40-80) микрограмм в год (данные весьма приблизительные). Мощность одного грамма калифор-ния-252 эквивалентна мощности среднего ядерного реактора. Калифорний-252 производят в двух лабораториях мира: ORNL (США) и ГНЦ «НИИАР» (Димитровград, Россия) [19].
Калифорний-252 используется во многих исследованиях в области деления ядер и медицине, а также для изучения космического пространства (дальних планет и звезд), при поиске и добыче полезных ископаемых; определении глубинных слоев, несущих воду и нефть; в металлургической, нефтеперерабатывающей, угольной и химической отраслях промышленности. Портативные приборы с источником из Cf-252 незаменимы в поисках особо упакованных наркотиков, которые не могут быть обнаружены рентгеновскими лучами.
Перспективы дальнейшего развития технологий РИЭ
В ближайшем будущем изотопные источники энергии расширят свое применение в космической индустрии. К новейшим источникам энергии этого направления предъявляются жесткие требования по ядерной и радиационной безопасности, возможности продолжительного нахождения в космосе, высокой мощности на единицу массы и продолжительному сроку службы. Изотопная энергия позволит также решать различные стратегические задачи. К таким задачам относятся:
- спутники военного назначения, автономное энергоснабжение радиолокационного наблюдения, специальная связь, ретранслирование информации;
- обеспечение связи и телевещания в высокопроизводительных глобальных информационных системах, системах связи с высокой пропускной способностью;
- энергетические проблемы, такие как космическое производство энергии и дистанционное снабжение Земли, частичное решение проблемы захоронения радиоактивных отходов за счет использования изотопов, накопившихся в результате работы АЭС.
Радиоизотопы вносят значительный вклад в повышение эффективности многих отраслей экономики, включая медицину, производство продуктов, контроль целостности конструкций, исследования различного рода в промышленности. Потребности расширения масштабов использования радиоизотопов очень велики.
Получаемые в настоящее время промышленные радиоизотопы, как указано выше, достаточно дороги, кроме этого, некоторые из наиболее важных изотопов, таких как плутоний-238,
кюрий-242, уран-232, калифорний-252 производятся пока еще в очень малых количествах из-за технологических трудностей их получения, выделения и накопления. Эти изотопы, а также ряд других, являются наиболее перспективными для решения многих задач, возлагаемых на радиоизотопные источники энергии. В странах с развитой атомной энергетикой и технологиями по переработке облученного ядерного топлива существуют специализированные «плутониевые» и «калифорниевые» программы накопления и выделения этих изотопов, готовятся специалисты для работы по этим программам.
В этой связи следует отметить, что хотя атомная отрасль России занимает ведущее положение в мире, в ней необходимо осуществлять модернизацию, связанную главным образом с заменой устаревших установок (работающих с 60-70-х годов ХХ в.) и технологий их производства на более современные. В определенной степени эта задача выполняется (после введения антироссийских санкций) путем импортозаме-щения, однако в целом проблема не решается. В более ранних своих работах [20, 21] авторы указывали на необходимость системной модер-
низации не только отдельных направлений развития энергетики, а модернизацию всего топливно-энергетического комплекса, к которому можно отнести отрасль энергомашиностроения, включая производство оборудования для атомной энергетики. Такая модернизация ядерной отрасли позволит существенно повысить эффективность производствавышеуказанных перспективных радиоизотопных источников энергии.
В заключение отметим, что использование радиоизотопных источников энергии в будущем будет возрастать, поскольку они являются эффективными и незаменимыми источниками энергии в специфических условиях.
Экономические характеристики всех РИЭ в значительной степени зависят от уровня технологического развития ядерной энергетики. За прошедшие шестьдесят лет развития ядерной отрасли цены на важнейшие радиоизотопы существенно уменьшились, в то время как объемы производства радиоактивных изотопов значительно выросли. Этот фактор достаточно убедительно свидетельствует о расширении радиоизотопной энергетики.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жизнин С.З., Тимохов В.М. Геополитические и экономические аспекты развития ядерной энергетики // Вестник МГИМО. 2015. № 4(43). С. 64-73.
2. Жизнин С.З., Тимохов В.М. Экономические аспекты некоторых перспективных ядерных технологий за рубежом и в России // Вестник МГИМО. 2015. № 6(45). С. 284-297.
3. Жизнин С.З., Тимохов В.М. Перспективы международного сотрудничества в развитии термоядерной энергетики. Экономические и экологические аспекты // Энергетическая политика. 2016. № 3. С. 98-108.
4. Жизнин С.З., Тимохов В.М. Международные рынки изотопов // Вестник МГИМО. 2016. №5 (50). С. 145-157.
5. Бекман. И.Н. Изотопные генераторы тепла, электричества и света. URL: http://profbeckman.narod.ru/NIL10.pdf
6. Изотопы: свойства, получение, применения / под ред. чл.-корр. РАН В.Ю. Баранова. М.: ИздАТ. 2000. 704 с.
7. Mason Jiang. An Overview of Radioisotope Thermoelectric Generators. Introduction to Nuclear Energy PH241 - Stanford University - Winter 2013. URL: http://large.stanford.edu/courses/2013/ph241/ jiangl/
8. Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоа-томиздат.1991.
9. Алиевский Б.Л. Специальные электрические машины. М.: Энергоатомиздат. 1994. 206 с.
10. Лантратов К. Плутон стал ближе // Коммерсантъ, 2006, вып. 3341. № 10. URL: http://www.kommersant.ru/doc/642558/
11. Сергеев А. Зонд к Плутону: безупречный старт большого путешествия. Элементы большой науки. 2006. URL: http://elementy.ru/ news/430065 /
12. Mark J. Rivarda, Leo M. Bobek at al. The US national isotope program: Current status and strategy for future success. Applied Radiation and Isotopes 63 (2005) 157-178. URL: http:// www. elsevier. com/locate/apradiso.
13. Публичный отчет Росатома за 2015 год. URL: http://rosatom.ru/about/publichnaya-otchetnost/.
14. Велихов Е.П., Гагаринский А.Ю., Субботин С.А., Цибульский В.Ф. Эволюция энергетики в XXI веке. М.: ИздАт. 2008. 160 с.
15. Тихонов М.Н., Рылов М.И. Дозообразую-щие радионуклиды. Ч. 5. 03.08.2011. URL: http:// www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=pri nt&sid=3179
16. США впервые за 30 лет получили замену плутонию-238 из России. URL: http://lenta.ru/ news/2015/12/23/plutonium238
17. Окридж получил 50 граммов Pu-238. URL: http://www. atomic-energy. ru/news/2015/12/28/622 70
18. Самый ценный металл - калифорний-252. URL: http://gold-silver.com.ua/valuable_metals/ californium-252.html/
19. ГНЦ «НИИАР». URL: http://http://www. niiar. ru/complex_preparatov.
20. Жизнин С.З. Энергетическая дипломатия и модернизация ТЭК России // Международная жизнь. 2012. № 4. С. 15-32.
21. Жизнин С.З., Тимохов В.М. Международная энергетическая безопасность и модернизация ТЭК России // Энергетическая политика. 2011. № 6. С. 21-29.
Поступила в редакцию 16.01.2017 г.
S.Z. Zhiznin, V.M. Timokhov2
RADIOISOTOPE POWER SOURCES. ENERGY SECURITY
During radioactive decay allocated enormous amount of energy that can be converted into heat or electrical energy, and used as a power source where the use of conventional techniques uneconomic or impossible. This spacecraft, space probes, remote northern regions, and eTC. Radioactive isotopes are used in such energy sources, must have certain properties, both in the technical parameters and economic indicators.
This paper discusses these energy sources and their possible application in various sectors of the economy.
Key words: radioisotope power sources, plutonium-238, uranium-232, a radioisotope thermoelectric generator, RTG.
2 Stanislaw Z. Zhiznin - professor MIEP MGIMO (University) of the MFA of the Russian Federation, Doctor of Economics, e-mail: [email protected];
Vladimir M. Timokhov - General Director of the Center of Energy Diplomacy and Geopolitics, Ph.D, e-mail: [email protected].
