Die Radioisotope in der Mitte des 20. Jahrhunderts schienen eine fast endlose Quelle billiger Elektrizität zu sein - Reaktoren würden in Flugzeugen, Autos und sogar Häusern ankommen, dachten sie damals. Dies geschah jedoch nur in der Welt von Fallout. Warum befindet sich die Kernenergie in einer Sackgasse und werden wir ihren Sonnenuntergang fangen? In diesem Artikel sprechen wir über erfolglose Versuche, ein friedliches Atom den Menschen näher zu bringen - wir setzen eine Reihe von Beiträgen über Energiequellen fort.
Ein friedliches Atom könnte eine sehr wichtige Rolle bei der Reduzierung der Kohlendioxidemissionen spielen, ohne die globale Energieerzeugung zu verringern. Hat aber nicht gespielt.
Nach der Katastrophe von Tschernobyl ließ die Begeisterung für Kernkraftwerke nach - niemand mochte die Aussicht auf eine unwahrscheinliche, aber mögliche radioaktive Kontamination ganzer Regionen. Die Katastrophe von Fukushima beschleunigte nur die Aufgabe der Kernenergie in Europa. In der Europäischen Union, wo von der Grenze zur Grenze grob gesagt „zur Hand“ jedes Leck von Kernbrennstoff mehrere Länder gleichzeitig abdeckt.
In Italien stand 1990 das letzte Kernkraftwerk. Seit dem Jahr 2000 begann Deutschland, die Kernenergie systematisch aufzugeben, und nach dem Unfall in Fukushima wurden acht von 17 Reaktoren des Landes gleichzeitig abgeschaltet. Belgien wird bis 2025 alle sieben Reaktoren abschalten. Die Schweiz wird die Reaktoren bis 2034 abschalten. Die Länder Amerikas, des Nahen Ostens und Asiens haben es nicht eilig, ihre Kernkraftwerke zu stoppen und bauen sogar neue, aber zusammen mit ihnen entwickeln sie aktiv grüne Energie. Und in Deutschland lag die Menge an Strom, die aus Sonne, Wind, Wasser und Biomasse gewonnen wurde, 2019 über der von Kraftwerken aus fossilen Brennstoffen, einschließlich Kernbrennstoffen.
Der Anteil der Kernenergie in Ländern. Nach 10 Jahren werden grüne Flecken in Europa verschwinden. Und selbst China hat 380 Milliarden US-Dollar in den Bau von Wind- und Solarstationen investiert. Quelle: PRIS - Länderstatistik / Wikimedia
KKW machen etwa 10% des weltweiten Stroms aus, und ihr Anteil nimmt langsam ab. Und für erneuerbare Quellen - 20%, wobei das größte Wachstum bei Windenergie (4,5-fach in 10 Jahren) und Solarstationen (25-fach in 10 Jahren) zu verzeichnen ist. Natürlich ist es zu früh, um das Kernkraftwerk zu begraben, aber wer weiß, was uns in den nächsten 20 Jahren erwartet. In den späten neunziger Jahren hätte niemand gedacht, dass Windmühlen und Sonnenkollektoren zumindest einen bedeutenden Teil der globalen Energiewirtschaft ausmachen würden.
Während des goldenen Zeitalters des Atoms versuchten Wissenschaftler, diese Technologien für Menschen sicherer, zugänglicher und verständlicher zu machen, aber eine Reihe ungelöster und unlösbarer Probleme begrub vielversprechende Ideen oder beschränkte den Anwendungsbereich auf ein Minimum. Hier sind einige dieser Ideen.
Ein fliegender Reaktor, der nicht gestartet ist
In den 1950er Jahren, als das romantische Flair für die nukleare Zukunft noch nicht beseitigt war, versuchten Atomreaktoren, wo immer möglich zu experimentieren. Es ist kein Geheimnis, dass der Hauptkunde und Investor von Wissenschaftlern in den Vereinigten Staaten das Verteidigungsministerium ist, und dann war es bereit, die verrücktesten Projekte zu finanzieren.
Bereits Anfang der 50er Jahre wurde in der Luft über den unvermeidlichen Krieg mit der UdSSR und darüber hinaus über einen Atomkrieg gesprochen. Mit der Lieferung von Atomwaffen gab es damals Probleme: Die Raketenwissenschaft steckte noch in den Kinderschuhen, und die ersten Nachkriegsbomber hatten im Konfliktfall einfach keine Zeit, auf das Territorium eines potenziellen Feindes zu gelangen. Militärflugzeuge mussten ständig so nah wie möglich an den Orten des mutmaßlichen Bombenangriffs in der Luft sein. Wir brauchen also ein Flugzeugtriebwerk, das Tage und Wochen ohne Auftanken arbeiten kann.
Das Programm zur Installation eines Kernreaktors in einem Flugzeug begann bereits 1946 in den USA. Die beiden größten Flugzeugtriebwerksentwickler, General Electric und Pratt & Whitney, stellten ihre Optionen für ein Staustrahltriebwerk vor. Das Prinzip ihres Betriebs war genial einfach: Nach dem Start mit herkömmlichem Brennstoff trat die in die Lufteinlässe eintretende Luft in den Reaktor ein, durchlief Tausende von über 1000 ° C erhitzten Kanälen und erzeugte einen reaktiven Schub am Auslass.
Direktstrommotor General Electric HTRE-3. Quelle: Bundesregierung der Vereinigten Staaten / Wikimedia
Die Idee war großartig: Selbst nach vorsichtigen Schätzungen könnte ein Flugzeug mit einem solchen Motor wochenlang in der Luft sein - solange genügend Nahrung und Wasser von der Besatzung vorhanden sind. In der Praxis gab es Probleme, die Sie wahrscheinlich bereits erraten haben. Erstens erzeugte der Reaktor eine Schleife ionisierender Strahlung und verdarb dadurch das Gebiet, über das er flog, erheblich. Es war möglich, den Auspuff mit Hilfe eines Zweikreissystems wie in Kernkraftwerken loszuwerden, aber dann sank der Wirkungsgrad des Triebwerks stark - das Flugzeug konnte sich ohne Nutzlast kaum selbst tragen. Zweitens war der biologische Schutz der Besatzung nicht ideal, und ein erfahrener Militärpilot, insbesondere ein strategischer Bomberpilot, ist eine goldene Ressource. Drittens würde der Sturz eines solchen Flugzeugs in einem Gebiet (außer dem Feind) zu einem internationalen Skandal und einer Umweltkatastrophe führen. Im Allgemeinen haben sie den Reaktor in die Ebene gebracht, aber nur auf eine - die einzige Versuchsplatine war NB-36H (auf dem allerersten Foto in diesem Material), und die Motoren darauf waren nicht mit dem Reaktor verbunden.
Die Besatzung war durch eine Blei-Gummi-Struktur geschützt, die die Masse des Flugzeugs um 11 Tonnen erhöhte, die Menschen jedoch immer noch nicht vollständig vor Strahlung schützen konnte. An Bord des Bombers befand sich ein wassergekühlter 1-MW-Reaktor mit einem Gewicht von 16 Tonnen. Das Flugzeug flog 215 Stunden, davon 89 Stunden mit einem funktionierenden Reaktor. Tests wurden ausschließlich in den Wüstenregionen von Texas und New Mexico durchgeführt.
Die Idee einer Atombombe wurde 1961 durch Dekret von Präsident Kennedy inmitten eines „Tauwetters“ in den Beziehungen zwischen den beiden Supermächten aufgegeben. Dies bedeutete jedoch nicht, dass die Vereinigten Staaten das Nuklearmotorenprogramm für Flugzeuge vollständig begraben hatten.
35 MW General Electric HTRE-2- und HTRE-3-Motoren werden jetzt offen auf dem Parkplatz des Idaho National Laboratory geparkt, wo sie getestet wurden. Quelle: Wtshymanski / Wikimedia
Ähnliche Projekte gab es, wie Sie sich vorstellen können, in der UdSSR - auf beiden Seiten des Planeten waren die Trends in militärischen Angelegenheiten ähnlich. 1955 begannen die Arbeiten zur Schaffung eines nuklearen Luftfahrtkraftwerks, und Flugzeuge dafür sollten vom Designbüro von Tupolev und Myasishchev entwickelt werden. Zum Testen wurde ein vielversprechender strategischer Tu-95M-Bomber genommen (der übrigens noch in Betrieb ist). Bis 1958 war das Tu-95LAL-Flugzeug mit einem Reaktor im Frachtraum fertig. Im Sommer 1961 unternahm das Laborflugzeug 34 Flüge. Wie im amerikanischen Projekt sollte es konventionelle NK-12M-Turboprop-Motoren zum Abheben verwenden, und der Reaktor war bereits in einer Höhe angeschlossen.
Im Gegensatz zu den Amerikanern schirmten sowjetische Ingenieure die Besatzung mit Trennwänden aus Polyethylen und Ceresin mit einem Additiv aus Borcarbid ab, die wirksamer und viel leichter waren als Gummi mit Blei.
Das Projekt wurde Tu-119 genannt, und der Bomber selbst war im Allgemeinen durchaus lebensfähig. Aber nach den Vereinigten Staaten wurde die Entwicklung des sowjetischen Atomhubschraubers in den frühen 1960er Jahren gestoppt. Es ist möglich, dass aus den gleichen Gründen: das "Auftauen", die Entwicklung der Raketenwissenschaft und die Gefahr des Zusammenbruchs. Und natürlich der Preis: Die Serienproduktion des Tu-119 kostete 1 Milliarde sowjetische Rubel.
Das freigegebene Schema des Tu-119 zeigt deutlich den Standort des Reaktors. Quelle: Tupolev Design Bureau
In den 1960er Jahren verlagerten sich die militärischen Prioritäten von Bombern zu Interkontinentalraketen. Und hier wären nur fliegende Reaktoren sehr fehl am Platz - es gibt keine Menschen in der Rakete, die Strahlenschutz, Nahrung und Wasser benötigen, die Rakete kann monatelang fliegen und zur richtigen Zeit nukleare Grüße von der anderen Seite des Ozeans manövrieren und übermitteln.
Das 1957 in den USA gestartete Pluto-Projekt zielte darauf ab, eine Rakete mit einem Atomsprengkopf und einem Atomreaktor als Motor zu schaffen, ähnlich dem, was sie erfolglos an Bomber anbringen wollten.
Das Produkt namens SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, eine Überschallrakete in geringer Höhe) sollte in einer Höhe von bis zu 300 Metern mit einer Geschwindigkeit von 4200 km / h fliegen. Dieses Projekt wurde jedoch nicht umgesetzt: Die Rakete erwies sich selbst theoretisch als unannehmbar teuer und "schmutzig" (mehr über dieses Projekt wird
hier beschrieben).
Als das Projekt offiziell fertig war, wurden konventionelle Interkontinentalraketen bereits Kinderkrankheiten beseitigt. Sie erwiesen sich als viel billiger, sicherer und einfacher zu bedienen. Und die neue Zeit scheint uns den russischen Sturmvogel gebracht zu haben, aber seine Überprüfung geht über den Rahmen dieses Beitrags hinaus.
Wir fügen hinzu, dass, wenn Raketen mit einem Atommotor im 20. Jahrhundert nicht realisiert wurden, Satelliten ziemlich sind. 1965 starteten die Amerikaner den Snapshot mit SNAP-10A in die erdnahe Umlaufbahn. Er sollte dort ein Jahr lang „durchhängen“ und Strom von etwa 500 Watt erzeugen. Aber am 43. Tag des Fluges fiel der Bordspannungsregler aus, die Leistung sprang auf 590 W und der Reaktor wurde abgeschaltet. Es wurde angenommen, dass sich SNAP-10A für die nächsten 4000 Jahre als Weltraummüll im Orbit befinden würde, aber bis 2008 war das Gerät in viele Fragmente mit einem Durchmesser von weniger als 10 cm zusammengebrochen. Höchstwahrscheinlich kollidierte er mit anderen Weltraummüll.
500 W SNAP-10A Weltraumreaktor Derjenige, der jetzt in Form von Trümmern um die Erde fliegt. Quelle: US DOE / Wikimedia
In der UdSSR werden Kernkraftwerke mit geringem Stromverbrauch seit 1970 erfolgreich auf Raumfahrzeugen eingesetzt. Insbesondere versorgten sie die Aufklärungssatelliten des Legenda-Systems mit insgesamt rund drei Dutzend. Aber auch hier haben eine Reihe von Zwischenfällen den Einsatz von Kernreaktoren beendet - zumindest im erdnahen Orbit. Und das alles, denn selbst wenn im Weltraum etwas schief geht, fliegen immer noch radioaktive Trümmer zur Erde. 1978 ereignete sich ein unangenehmer Vorfall mit dem sowjetischen Satelliten Cosmos-954, der mit der Nuklearanlage Buk ausgestattet war: Nach einem Monat Arbeit im Orbit ging das Raumschiff spontan zur Erde zurück, brach in dichten atmosphärischen Schichten zusammen und war großzügig über 124.000 Quadratmeter verteilt. km der kanadischen Arktis 30 Kilogramm Uran-235. Glücklicherweise haben die dünn besiedelten Nordwestgebiete Kanadas dazu beigetragen, die tragischen Folgen zu vermeiden. Suchexpeditionen sammelten 65 kg verschiedener Trümmer, von denen einige unter 200 Röntgenstrahlen pro Stunde fonil waren.
1983 tauchte Cosmos-1402 in das warme Wasser des Indischen Ozeans ein. Obwohl der Reaktor in der Atmosphäre ausgebrannt war, wurden die fein dispergierten Rückstände von Uran-235 aus ihm lange Zeit in Sedimenten aufgezeichnet.
Und als der Cosmos-1900 1988 abstürzte, wurde er automatisch in die Grabbahn geschickt. Zu diesem Zeitpunkt hatte die Weltgemeinschaft jedoch ein sehr starkes Vorurteil gegen den Einsatz von Reaktoren in Raumfahrzeugen gebildet.
Eine Alternative zu einem kompakten Flugreaktor ist ein thermoelektrischer Radioisotopgenerator, der in der Praxis eine breitere Anwendung fand. Aber auch überhaupt nicht das, was sich Atomenergie-Enthusiasten erhofft hatten.
Thermoelektrischer Radioisotopgenerator (RTG)
1912 schuf der britische Physiker Henry Moseley die erste Radioisotop-Stromquelle: In der Mitte eines Glaskolbens mit versilberten Wänden ist eine Radiumstrahlungsquelle an der Elektrode installiert, emittierte Beta-Partikel erzeugen eine Potentialdifferenz zwischen Silber und Strahlung, wodurch Spannung an den Glühbirnenelektroden auftritt.
Henry Moseley mit einer seiner Flaschen untersuchte Röntgenstrahlen. Leider wurde das Leben eines vielversprechenden Wissenschaftlers und Erfinders in der Schlacht von Gallipoli im Ersten Weltkrieg durch eine Scharfschützen-Kugel unterbrochen. Quelle: New York Public Library
Während des radioaktiven Zerfalls erwärmt sich die Substanz manchmal auf die höchsten Temperaturen. Die erzeugten Wärme-RTGs werden mit thermoelektrischen Generatoren in Elektrizität umgewandelt.
Ein thermoelektrischer Generator ist eine einfache, aber sehr unterhaltsame Sache. Vor zwei Jahrhunderten, 1821, entdeckte der Deutsche Thomas Seebeck, dass bei einem Temperaturunterschied zwischen zwei Leitern Elektrizität erzeugt wird, weil sich während des Wärmeflusses von einem Leiter zum anderen eine Potentialdifferenz bildet. Übrigens bildete der umgekehrte Effekt dieses Phänomens, der 1834 von Jean-Charles Peltier entdeckt wurde, die Grundlage für Prozessorkühler auf Peltier-Elementen, die Anfang der 2000er Jahre nicht lange hergestellt wurden: Wenn Sie Strom zwischen verschiedenen Leitern lassen, erwärmt sich einer von ihnen und der andere, im Gegenteil, es wird abkühlen.
Der Aufbau des thermoelektrischen Generators ist sehr einfach und verständlich, so dass die Erstellung von RTGs nicht auf technologischen Einschränkungen beruhte, sondern auf dem Fehlen von Isotopen in den erforderlichen Mengen. Quelle: Wikimedia / Ken Braizer
Wenn Elektrizität so leicht aus der auf unserem Planeten reichlich vorhandenen Wärme (Sonnen-, Hydrothermal- und Petrothermie) gewonnen werden kann, warum gibt es dann keine Kraftwerke für thermoelektrische Generatoren? Denn der Wirkungsgrad eines solchen Generators ist, gelinde gesagt, nicht sehr hoch - etwa 6-10% der Wärmeleistung. Um eine mehr oder weniger anständige Leistung eines tragbaren RTG zu erhalten, muss man nach Radioisotopen mit hoher Wärmeerzeugung und langer Halbwertszeit suchen.
Auf der anderen Seite können Sie auch bei einem so geringen Wirkungsgrad leben und arbeiten: Eine Radioisotopquelle reicht aus, um LED-Beleuchtung, eine Vielzahl von Sensoren und Steuerungssystemen mit Strom zu versorgen und damit die Notstromversorgung zu organisieren. Was ist keine Option für die individuelle Energieversorgung von Häusern, die auch im Falle einer Naturkatastrophe nicht ohne Strom bleiben?
Die Eigenschaften so vieler Isotope wurden untersucht, aber es gab nur sehr wenige Elemente, die für RTGs geeignet waren: Die Anforderungen an Stromquellen waren zu streng. Zum Beispiel gibt Plutonium-238, das aufgrund der in Raumfahrzeugen und Herzschrittmachern verwendeten niedrigen Beta- und Gammastrahlung nahezu sicher ist, etwa 0,54 W Wärme pro Gramm Substanz ab und hat eine Halbwertszeit von 88 Jahren. Im Laufe des Jahres wird die RTG für Plutonium-238 0,78% der Startkapazität verlieren. Eine Plutoniumquelle hält lange, aber um ein paar hundert Watt zu erhalten, müssen Sie ein paar Kilogramm der Substanz laden.
Aber schauen Sie sich nur Polonium-210 an, dies ist ein echter „Ofen“ - bis zu 140 Watt Wärme pro Gramm, 2.000-mal mehr Plutonium! Ja, hier ist das Problem, die Halbwertszeit von Polonium beträgt nur 138 Tage. Mit einem solchen RTG können Sie nicht weit fliegen.
Typisches Design eines modernen RTG: Isotopenkern, viele Paare thermoelektrischer Erzeugerleiter und ein obligatorischer Strahler am Körper, der überschüssige Wärme abführt. Quelle: NASA / Wikimedia
Zwischen der Entdeckung von Henry Moseley und dem Erscheinen von RTGs verging ein halbes Jahrhundert - sie wurden durch Kernreaktoren ins Leben gerufen, in denen Isotope in großen Mengen hergestellt werden konnten. Die Arbeiten an RTGs begannen in den 1960er Jahren, als in den USA SNAP-1 (Systems for Nuclear Auxiliary Power) entwickelt wurde. SNAP-1 war bei Cer-144 eher eine „Dampfmaschine“, bei der Quecksilber anstelle von Wasser verwendet wurde.
Nach SNAP-1 wurde SNAP-3 mit einem thermoelektrischen Plutonium-238-Generator entwickelt. Das Gerät wog ca. 2 kg und leistete 2,5 Watt Leistung. SNAP-3 versorgte die amerikanischen Navigationssatelliten Transit, die Vorgänger von GPS.
Die erfolgreiche Erfahrung mit SNAP-3 markiert den Beginn der Ära der Radioisotop-Stromversorgungen in Raumfahrzeugen, die kompakte, langlebige und wartungsfreie "Batterien" erfordern. Und ja, in der SNAP-Serie gab es nicht nur thermoelektrische Generatoren, sondern auch vollwertige Kernreaktoren, die wir oben erwähnt haben.
Der Einsatz von RTGs in der Raumfahrtindustrie ist bislang die einzige Lösung für das Energieproblem kleiner interplanetarer Sonden. Der Wirkungsgrad von Sonnenkollektoren nimmt mit der Entfernung von der Sonne ab. Die NASA hat dieses Problem in der Abbildung klar erklärt.
RTGs fanden ihren Platz in der Raumsonde Voyager (160 W), die bereits über das Sonnensystem hinausgegangen ist, den interplanetaren Stationen Cassini, New Horizons und Galileo (300 W), dem Curiosity Rover (110 W) und sogar in der Raumsonde Apollo Moon (73 W.) ) Darüber hinaus versorgen solche Quellen die Elektronik nicht nur mit Strom, sondern erwärmen sie auch - 90% der Wärmeenergie fließen in Heizkörper.
Ein grauer Zylinder mit acht „Flügeln“ in der Mitte des Fotos - SNAP-27 RTG, der 75 Watt bei 30 V DC erzeugt und während der Apollo 14-Mission auf dem Mond eingesetzt wurde. Quelle: NASA, Alan Shepard / Wikimedia
RTGs werden jedoch auch im Weltraum selten eingesetzt. Die Aussicht auf einen Unfall mit einer Quelle radioaktiver Strahlung, die in den Weltraum gelangt ist, betrifft im Allgemeinen nicht die Bevölkerung unseres Planeten, aber es ist viel schlimmer, wenn auf der Erde ein Ärgernis auftritt, beispielsweise durch die Handlungen der unruhigen Hände eines Menschen. Und niemand hat erfolglose Raketenstarts abgesagt. So brach 1964 der amerikanische Satellit Transit-5B mit dem RTG SNAP-9A beim Start zusammen und streute fast ein Kilogramm Plutonium-238 in die Atmosphäre. Auch 1968 infizierte der amerikanische Wettersatellit Nimbus B-1 mit SNAP-19B2 den Ozean, in den er fiel, nur dank eines verbesserten Kapseldesigns mit 1 kg Plutonium-238 nicht. Schließlich verließ der große russische Forschungsapparat Mars-96 1996 die Umlaufbahn und vergrub 270 Gramm Plutonium-238 auf dem Grund des Pazifischen Ozeans.
Eine Stahlkapsel mit dem Plutonium-238-Isotop für den Nimbus B-1-Wetterballon und befindet sich auch auf dem Meeresboden. Quelle: NASA
Und jetzt die beunruhigende Nachricht: RTGs werden nicht nur im Weltraum, sondern auch an Land eingesetzt. Im 20. Jahrhundert wurden sie verwendet, um Seebojen und unbewohnte Leuchttürme in abgelegenen Gebieten des Planeten, beispielsweise in der Arktis, anzutreiben. Abgenutzte Bojen und Leuchttürme werden jetzt gesammelt und entsorgt, um das Austreten von Kernbrennstoff zu verhindern. Manchmal werden RTG-Fälle während der Wartung, des Transports oder einfach während des Betriebs beschädigt - in den letzten 36 Jahren sind in der GUS 23 Vorfälle aufgetreten. . - , — , . .
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