Los radioisótopos a mediados del siglo XX parecían una fuente casi infinita de electricidad barata: los reactores estaban a punto de llegar en aviones, automóviles e incluso casas, pensaron entonces. Pero esto solo sucedió en el mundo de Fallout. ¿Por qué la energía nuclear está en un punto muerto y vamos a ver su puesta de sol? En este artículo, hablamos de intentos fallidos de acercar un átomo pacífico a las personas; continuamos una serie de publicaciones sobre fuentes de energía.
Un átomo pacífico podría desempeñar un papel muy importante en la reducción de las emisiones de dióxido de carbono sin reducir la producción mundial de energía. Pero no jugó.
Después del desastre de Chernobyl, el entusiasmo por las centrales nucleares disminuyó: a nadie le gustaba la posibilidad de una contaminación radioactiva improbable, pero posible, de regiones enteras. El desastre de Fukushima solo aceleró el abandono de la energía nuclear en Europa. En la Unión Europea, donde, de la frontera a la frontera, en términos generales, "a la mano" cualquier fuga de combustible nuclear cubrirá varios países a la vez.
En Italia, la última central nuclear se situó en 1990. Desde 2000, Alemania comenzó a abandonar sistemáticamente la energía nuclear, y después del accidente de Fukushima, ocho de los 17 reactores en el país se cerraron a la vez. Bélgica cerrará los siete reactores para 2025. Suiza cerrará los reactores para 2034. Los países de América, Oriente Medio y Asia no tienen prisa por detener sus centrales nucleares e incluso están construyendo nuevas, pero junto con ellos están desarrollando activamente la energía verde. Y en Alemania en 2019, la cantidad de electricidad recibida del sol, el viento, el agua y la biomasa superó la de las centrales eléctricas de combustibles fósiles, incluidos los nucleares.
La participación de la energía nuclear en los países. Después de 10 años, las manchas verdes en Europa desaparecerán. E incluso China ha invertido $ 380 mil millones en la construcción de estaciones eólicas y solares. Fuente: PRIS - Estadísticas de país / Wikimedia
Las centrales nucleares representan aproximadamente el 10% de la electricidad mundial, y su participación está disminuyendo lentamente. Y para las fuentes renovables: 20%, con el mayor crecimiento demostrado por la energía eólica (4,5 veces en 10 años) y las estaciones solares (25 veces en 10 años). Por supuesto, es demasiado pronto para enterrar la planta de energía nuclear, pero quién sabe qué nos espera en los próximos 20 años. A fines de la década de 1990, nadie podría haber pensado que los molinos de viento y los paneles solares ocuparían al menos una parte importante en la industria energética mundial.
Durante la edad de oro del átomo, los científicos trataron de hacer que estas tecnologías fueran más seguras, más accesibles y comprensibles para las personas, pero una serie de problemas no resueltos e irresolubles enterraron ideas prometedoras o redujeron el alcance de su aplicación al mínimo. Estas son algunas de estas ideas.
Un reactor volador que no despegó
En la década de 1950, cuando el estilo romántico para el futuro nuclear aún no se había disipado, los reactores atómicos intentaron experimentar siempre que fue posible. No es ningún secreto que el principal cliente e inversor de científicos en los Estados Unidos es el Departamento de Defensa, y luego estaba listo para financiar los proyectos más locos.
A principios de los años 50, ya se hablaba en el aire sobre una guerra inevitable con la URSS y una guerra nuclear. Con la entrega de armas nucleares en ese momento hubo problemas: la ciencia de los cohetes estaba en su infancia, y los primeros bombarderos de la posguerra simplemente no tenían tiempo para llegar al territorio de un enemigo potencial en caso de conflicto. Era necesario que los aviones militares estuvieran constantemente en el aire lo más cerca posible de los lugares del presunto bombardeo. Por lo tanto, necesitamos un motor de avión que pueda funcionar días y semanas sin repostar.
El programa para instalar un reactor nuclear en un avión comenzó en los Estados Unidos ya en 1946. Los dos mayores desarrolladores de motores de aeronaves, General Electric y Pratt & Whitney, presentaron sus opciones para un motor ramjet. El principio de su funcionamiento fue brillantemente simple: después del despegue con combustible convencional, el aire que ingresó a las entradas de aire ingresó al reactor, pasó a través de miles de canales calentados por encima de 1000 ° C y creó un empuje reactivo en la salida.
Motor nuclear de flujo directo General Electric HTRE-3. Fuente: Gobierno Federal de los Estados Unidos / Wikimedia
La idea era asombrosa: incluso según estimaciones conservadoras, un avión con tal motor podría estar en el aire durante semanas, siempre que hubiera suficiente comida y agua de la tripulación. En la práctica, había problemas que probablemente ya había adivinado. En primer lugar, el reactor creó un circuito de radiación ionizante y, por lo tanto, estropeó significativamente el territorio sobre el que voló. Fue posible deshacerse del escape con la ayuda de un sistema de doble circuito, como en las plantas de energía nuclear, pero luego la eficiencia del motor se redujo drásticamente: el avión apenas podía transportarse sin una carga útil. En segundo lugar, la protección biológica de la tripulación no era ideal, y un piloto militar experto, especialmente un piloto de bombardero estratégico, es un recurso de oro. En tercer lugar, la caída de dicho avión en cualquier territorio (excepto enemigo) conduciría a un escándalo internacional y un desastre ambiental. En general, pusieron el reactor en el avión, pero solo en uno: la única placa experimental era NB-36H (en la primera foto de este material), y los motores no estaban conectados al reactor.
La tripulación estaba protegida por una estructura de plomo y goma, que agregaba 11 toneladas a la masa del avión, pero aún no podía proteger completamente a las personas de la radiación. A bordo, el bombardero llevaba un reactor refrigerado por agua de 1 MW que pesaba 16 toneladas. El avión voló durante 215 horas, de las cuales 89 horas con un reactor en funcionamiento, las pruebas se realizaron exclusivamente en las regiones desérticas de Texas y Nuevo México.
La idea de una bomba atómica fue abandonada en 1961 por decreto del presidente Kennedy en medio de un "deshielo" en las relaciones entre las dos superpotencias. Pero esto no significaba que Estados Unidos enterrara por completo el programa de motores nucleares para aviones.
Los motores General Electric HTRE-2 y HTRE-3 de 35 MW ahora están estacionados abiertamente en el estacionamiento del Laboratorio Nacional de Idaho, donde fueron probados. Fuente: Wtshymanski / Wikimedia
Proyectos similares, como se puede adivinar, existieron en la URSS: en ambos lados del planeta, las tendencias en los asuntos militares fueron similares. En 1955, se comenzó a trabajar en la creación de una planta de energía de aviación nuclear, y la Oficina de Diseño de Tupolev y Myasishchev desarrollaría aviones para ella. Para las pruebas, se tomó un prometedor bombardero estratégico Tu-95M (por cierto, todavía está en servicio). Para 1958, el avión Tu-95LAL con un reactor en el compartimento de carga estaba listo. Durante el verano de 1961, el avión de laboratorio realizó 34 vuelos. Al igual que en el proyecto estadounidense, se suponía que utilizaría motores turbopropulsores NK-12M convencionales para el despegue, y el reactor ya estaba conectado a una altura.
A diferencia de los estadounidenses, los ingenieros soviéticos protegieron a la tripulación con tabiques de polietileno y ceresina con un aditivo de carburo de boro, que eran más efectivos y mucho más livianos que el caucho con plomo.
El proyecto se llamaba Tu-119, y el bombardero en sí mismo era generalmente bastante viable. Pero después de Estados Unidos, el desarrollo del helicóptero atómico soviético se detuvo a principios de la década de 1960. Es posible que por las mismas razones: el "deshielo", el desarrollo de la ciencia de cohetes y el peligro de colapso. Y, por supuesto, el precio: llevar el Tu-119 a producción en serie costó mil millones de rublos soviéticos.
El esquema desclasificado del Tu-119 muestra claramente la ubicación del reactor. Fuente: Oficina de diseño de Tupolev
La década de 1960 marcó un cambio en las prioridades militares de bombarderos a misiles intercontinentales. Y aquí solo los reactores voladores estarían muy fuera de lugar: no hay personas en el cohete que necesiten protección contra la radiación, alimentos y agua, el cohete puede volar durante meses y, en el momento adecuado, maniobrar y entregar saludos nucleares desde el otro lado del océano.
El proyecto Plutón, lanzado en 1957 en los EE. UU., Tenía como objetivo crear un misil con una ojiva nuclear y un reactor atómico como motor, similar a lo que intentaron conectar sin éxito a los bombarderos.
Se suponía que el producto, llamado SLAM (misil supersónico de baja altitud, un cohete supersónico de baja altitud) volaba a una altitud de hasta 300 metros a una velocidad de 4200 km / h. Pero este proyecto no se implementó: el cohete, incluso en teoría, resultó ser inaceptablemente caro y "sucio" (
aquí se describe más sobre este proyecto).
Además, cuando el proyecto estuvo formalmente listo, los misiles intercontinentales convencionales ya eliminaron las enfermedades infantiles. Resultó mucho más barato, más seguro y más fácil de usar. Y el nuevo tiempo parece habernos traído el Petrel ruso, pero su revisión está más allá del alcance de esta publicación.
Agregamos que si los misiles con un motor nuclear no se realizaron en el siglo XX, entonces los satélites sí lo son. En 1965, los estadounidenses lanzaron la Instantánea con SNAP-10A en órbita terrestre baja. Se suponía que debía "hundirse" allí durante un año, generando energía eléctrica de unos 500 vatios. Pero en el día 43 del vuelo, el regulador de voltaje a bordo falló, la potencia saltó a 590 W y el reactor se apagó. Se suponía que SNAP-10A estaría en órbita como basura espacial durante los próximos 4000 años, pero para 2008 el dispositivo se había colapsado en muchos fragmentos de menos de 10 cm de diámetro. Lo más probable es que colisionó con otros desechos espaciales.
Reactor espacial SNAP-10A de 500 W El que ahora vuela alrededor de la Tierra en forma de escombros. Fuente: US DOE / Wikimedia
En la URSS, las centrales nucleares de baja potencia se han utilizado con éxito en naves espaciales desde 1970. En particular, alimentaron los satélites de reconocimiento del sistema Legenda con un total de aproximadamente tres docenas. Pero incluso aquí, una serie de incidentes puso fin al uso de reactores nucleares, al menos en la órbita terrestre baja. Y todo porque incluso si algo sale mal en el espacio, los desechos radiactivos todavía vuelan a la Tierra. En 1978, ocurrió un incidente desagradable con el satélite Cosmos-954 soviético equipado con la instalación nuclear Buk: después de un mes de trabajo en órbita, la nave espacial regresó espontáneamente a la Tierra, colapsó en densas capas atmosféricas y se dispersó generosamente en más de 124 mil metros cuadrados. km del Ártico canadiense 30 kilogramos de uranio-235. Afortunadamente, los territorios escasamente poblados del noroeste de Canadá ayudaron a evitar las trágicas consecuencias. Las expediciones de búsqueda recolectaron 65 kg de diversos escombros, algunos de ellos con menos de 200 rayos X / hora.
En 1983, Cosmos-1402 se zambulló en las cálidas aguas del Océano Índico. Aunque el reactor se quemó en la atmósfera, los residuos finamente dispersos de uranio-235 se registraron durante mucho tiempo en sedimentos.
Y cuando el Cosmos-1900 se estrelló en 1988, se envió automáticamente a la órbita funeraria. Pero para entonces, la comunidad mundial había formado un prejuicio muy fuerte contra el uso de reactores en naves espaciales.
Una alternativa a un reactor volante compacto es un generador termoeléctrico de radioisótopos, y fue él quien encontró una aplicación más amplia en la práctica. Pero tampoco en absoluto lo que los entusiastas de la energía atómica habían esperado.
Generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG)
En 1912, el físico británico Henry Moseley creó la primera fuente de energía de radioisótopos: en el centro de un matraz de vidrio con paredes plateadas, se instaló una fuente de radiación de radio en el electrodo, las partículas beta emitidas crean una diferencia de potencial entre la plata y la radiación, lo que hace que aparezca voltaje en los electrodos del bulbo.
Henry Moseley con uno de sus frascos solía estudiar radiografías. Desafortunadamente, la vida de un prometedor científico e inventor fue cortada por una bala de francotirador en la batalla de Gallipoli durante la Primera Guerra Mundial. Fuente: Biblioteca Pública de Nueva York
Durante la desintegración radiactiva, la sustancia se calienta, a veces a las temperaturas más altas. Los RTG de calor generados se convierten en electricidad mediante generadores termoeléctricos.
Un generador termoeléctrico es algo simple pero muy entretenido. Hace dos siglos, en 1821, el alemán Thomas Seebeck descubrió que con una diferencia de temperatura entre dos conductores, la electricidad se genera debido a la formación de una diferencia potencial durante el flujo de calor de un conductor a otro. Por cierto, el efecto opuesto de este fenómeno, descubierto en 1834 por Jean-Charles Peltier, formó la base de los enfriadores de procesador en los elementos Peltier, que no se produjeron durante mucho tiempo a principios de la década de 2000: si deja que la corriente entre conductores diferentes, uno de ellos se calienta y el otro, por el contrario, se enfriará.
La estructura del generador termoeléctrico es muy simple y comprensible, por lo que la creación de RTG no se basó en limitaciones tecnológicas, sino en ausencia de isótopos en las cantidades requeridas. Fuente: Wikimedia / Ken Braizer
Si la electricidad puede obtenerse tan fácilmente del calor, que es abundante en nuestro planeta (energía solar, hidrotermal y petrotérmica), entonces ¿por qué no hay plantas de energía en generadores termoeléctricos? Debido a que la eficiencia de un generador de este tipo, por decirlo suavemente, no es muy alta, alrededor del 6-10% de la potencia térmica. Para obtener una potencia más o menos decente de un RTG portátil, hay que buscar radioisótopos con alta generación de calor y una larga vida media.
Por otro lado, incluso con una eficiencia tan baja, puede vivir y trabajar: una fuente de radioisótopos es suficiente para alimentar la iluminación LED, una variedad de sensores y sistemas de control, y organizar la energía de respaldo con ella. ¿Qué no es una opción para el suministro de energía individual de las casas que no permanecerán sin electricidad incluso en caso de un desastre natural?
Se estudiaron las propiedades de tantos isótopos, pero había muy pocos elementos adecuados para RTG: los requisitos para las fuentes de energía eran demasiado estrictos. Por ejemplo, el plutonio-238, que es casi seguro debido a la baja radiación beta y gamma utilizada en naves espaciales y marcapasos, emite aproximadamente 0,54 W de calor por gramo de sustancia, y su vida media es de 88 años. Durante el año, el RTG en plutonio-238 perderá el 0,78% de la capacidad de arranque. Una fuente de plutonio durará mucho tiempo, pero para obtener un par de cientos de vatios debe cargar algunos kilogramos de la sustancia.
Pero solo mire el polonio 210, esta es una verdadera "estufa": ¡hasta 140 vatios de calor por gramo, 2,000 veces más plutonio! Sí, aquí está el problema, la vida media del polonio es de solo 138 días. No puedes volar lejos con tal RTG.
Diseño típico de un RTG moderno: núcleo isotópico, muchos pares de conductores generadores termoeléctricos y un radiador obligatorio en el cuerpo que elimina el exceso de calor. Fuente: NASA / Wikimedia
Pasó medio siglo entre el descubrimiento de Henry Moseley y la aparición de RTG: los reactores nucleares les dieron el comienzo de la vida, donde era posible producir isótopos en grandes volúmenes. El trabajo en RTG comenzó en la década de 1960, cuando se creó SNAP-1 (Sistemas para energía auxiliar nuclear) en los EE. UU. SNAP-1 era más bien una "máquina de vapor" en cerio-144, en el que se usaba mercurio en lugar de agua.
Después de SNAP-1, SNAP-3 se desarrolló con un generador termoeléctrico de plutonio-238. El dispositivo pesaba unos 2 kg y producía 2,5 vatios de potencia. SNAP-3 alimentó los satélites de navegación Transit American, los predecesores del GPS.
La exitosa experiencia de SNAP-3 marcó el comienzo de la era de las fuentes de alimentación de radioisótopos en naves espaciales, que requieren "baterías" compactas, de larga duración y sin mantenimiento. Y sí, en la serie SNAP no solo había generadores termoeléctricos, sino también reactores nucleares completos, que mencionamos anteriormente.
El uso de RTG en la industria espacial es, hasta el momento, la única solución al problema energético de las pequeñas sondas interplanetarias. La eficiencia de los paneles solares disminuye con la distancia del sol. La NASA ha explicado claramente este problema en la ilustración.
Los RTG encontraron su lugar en la nave espacial Voyager (160 W) que ya ha ido más allá del sistema solar, las estaciones interplanetarias Cassini, New Horizons y Galileo (300 W), el rover Curiosity (110 W), e incluso en la nave espacial del programa lunar Apollo (73 W ) Además, tales fuentes no solo alimentan, sino que también calientan la electrónica: el 90% de la energía térmica se destina a los radiadores.
Un cilindro gris con ocho "alas" en el centro de la foto - RTAP SNAP-27, emitiendo 75 vatios a 30 V CC, se usó en la luna durante la misión Apolo 14. Fuente: NASA, Alan Shepard / Wikimedia
Sin embargo, incluso en el espacio, los RTG rara vez se usan. La posibilidad de un accidente que involucre una fuente de radiación radiactiva que haya ido al espacio exterior, en general, no afecta a la población de nuestro planeta, pero es mucho peor si ocurre una molestia en la Tierra, por ejemplo, por las acciones de las manos atribuladas de alguien. Y nadie canceló lanzamientos fallidos de misiles. Entonces, en 1964, el satélite American Transit-5B con el RTG SNAP-9A colapsó en el lanzamiento, dispersando casi un kilogramo de plutonio-238 en la atmósfera. En 1968, nuevamente, el satélite meteorológico estadounidense Nimbus B-1 con SNAP-19B2 no infectó el océano en el que cayó, solo gracias a un diseño de cápsula mejorado con 1 kg de plutonio-238. Finalmente, el gran aparato de investigación ruso Mars-96 en 1996 salió de la órbita y enterró 270 gramos de plutonio-238 en el fondo del Océano Pacífico.
Una cápsula de acero con el isótopo de plutonio-238 para el globo meteorológico Nimbus B-1 y también está en el fondo del océano. Fuente: NASA
Y ahora la noticia inquietante: los RTG se utilizan no solo en el espacio, sino también en tierra. En el siglo XX, se utilizaron para alimentar boyas y faros deshabitados en zonas remotas del planeta, por ejemplo, en el Ártico. Las boyas y faros gastados ahora se recogen y se eliminan para evitar la fuga de combustible nuclear. A veces, los casos de RTG se dañan durante el mantenimiento, el transporte o simplemente durante la operación: se han producido 23 incidentes en el CIS en los últimos 36 años. . - , — , . .
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