Les radio-isotopes au milieu du 20e siècle semblaient être une source presque illimitée d'électricité bon marché - les réacteurs étaient sur le point d'arriver dans les avions, les voitures et même les maisons, pensaient-ils alors. Mais cela ne s'est produit que dans le monde de Fallout. Pourquoi l'énergie nucléaire est-elle dans une impasse et verrons-nous son coucher de soleil? Dans cet article, nous parlons des tentatives infructueuses de rapprocher un atome pacifique des gens - nous continuons une série de messages sur les sources d'énergie.
Un atome pacifique pourrait jouer un rôle très important dans la réduction des émissions de dioxyde de carbone sans réduire la production mondiale d'énergie. Mais n'a pas joué.
Après la catastrophe de Tchernobyl, l'enthousiasme pour les centrales nucléaires s'est calmé - personne n'a aimé la perspective d'une contamination radioactive improbable mais possible de régions entières. La catastrophe de Fukushima n'a fait qu'accélérer l'abandon de l'énergie nucléaire en Europe. Dans l'Union européenne, où, de frontière en frontière, grosso modo, «à portée de main», toute fuite de combustible nucléaire couvrira plusieurs pays à la fois.
En Italie, la dernière centrale nucléaire était en 1990. Depuis 2000, l'Allemagne a commencé à abandonner systématiquement l'énergie nucléaire et, après l'accident de Fukushima, huit réacteurs sur 17 dans le pays ont été arrêtés en même temps. La Belgique fermera ses sept réacteurs d'ici 2025. La Suisse fermera ses réacteurs d'ici 2034. Les pays d'Amérique, du Moyen-Orient et d'Asie ne sont pas pressés d'arrêter leurs centrales nucléaires et en construisent même de nouvelles, mais avec eux, ils développent activement l'énergie verte. Et en Allemagne en 2019, la quantité d'électricité reçue du soleil, du vent, de l'eau et de la biomasse a dépassé celle des centrales électriques en combustibles fossiles, y compris nucléaires.
La part de l'énergie nucléaire dans les pays. Après 10 ans, les taches vertes en Europe disparaîtront. Et même la Chine a investi 380 milliards de dollars dans la construction de centrales éoliennes et solaires. Source: PRIS - Statistiques par pays / Wikimedia
Les centrales nucléaires représentent environ 10% de l'électricité mondiale et leur part diminue lentement. Et pour les sources renouvelables - 20%, la plus forte croissance étant enregistrée par l'énergie éolienne (4,5 fois en 10 ans) et les centrales solaires (25 fois en 10 ans). Bien sûr, il est trop tôt pour enterrer la centrale nucléaire, mais qui sait ce qui nous attend au cours des 20 prochaines années. À la fin des années 1990, personne n'aurait pu penser que les éoliennes et les panneaux solaires occuperaient au moins une part importante de l'industrie énergétique mondiale.
Pendant l'âge d'or de l'atome, les scientifiques ont essayé de rendre ces technologies plus sûres, plus accessibles et compréhensibles pour les gens, mais un certain nombre de problèmes non résolus et non résolus ont enfoui des idées prometteuses ou réduit au minimum le champ de leur application. Voici quelques-unes de ces idées.
Un réacteur volant qui n'a pas décollé
Dans les années 1950, alors que le flair romantique pour l'avenir nucléaire n'était pas encore dissipé, les réacteurs atomiques ont tenté d'expérimenter autant que possible. Ce n'est un secret pour personne que le principal client et investisseur des scientifiques aux États-Unis est le ministère de la Défense, qui était alors prêt à financer les projets les plus fous.
Au tout début des années 50, on parlait déjà dans l'air d'une guerre inévitable avec l'URSS et d'une guerre nucléaire. Avec la livraison d'armes nucléaires à ce moment-là, il y a eu des problèmes: la science des fusées en était à ses balbutiements et les premiers bombardiers de l'après-guerre n'avaient tout simplement pas le temps de se rendre sur le territoire d'un ennemi potentiel en cas de conflit. Il était nécessaire que les avions militaires soient constamment en l'air aussi près que possible des lieux des bombardements présumés. Nous avons donc besoin d'un moteur d'avion qui peut fonctionner des jours et des semaines sans faire le plein.
Le programme d'installation d'un réacteur nucléaire dans un avion a commencé aux États-Unis dès 1946. Les deux plus grands développeurs de moteurs d'avion, General Electric et Pratt & Whitney, ont présenté leurs options pour un moteur statoréacteur. Le principe de leur fonctionnement était d'une simplicité éclatante: après le décollage avec du combustible conventionnel, l'air entrant dans les entrées d'air pénétrait dans le réacteur, traversait des milliers de canaux chauffés au-dessus de 1000 ° C et créait une poussée réactive en sortie.
Moteur nucléaire à écoulement direct General Electric HTRE-3. Source: Gouvernement fédéral des États-Unis / Wikimedia
L'idée était géniale: même selon des estimations prudentes, un avion avec un tel moteur pourrait être en l'air pendant des semaines - tant qu'il y avait suffisamment de nourriture et d'eau de l'équipage. Dans la pratique, il y avait des problèmes que vous aviez probablement déjà devinés. Premièrement, le réacteur a créé une boucle de rayonnements ionisants et a ainsi considérablement gâché le territoire sur lequel il a survolé. Il était possible de se débarrasser de l'échappement à l'aide d'un système à double circuit, comme dans les centrales nucléaires, mais ensuite l'efficacité du moteur a fortement chuté - l'avion pouvait à peine se transporter sans charge utile. Deuxièmement, la protection biologique de l'équipage n'était pas idéale et un pilote militaire qualifié, en particulier un pilote de bombardier stratégique, est une ressource en or. Troisièmement, la chute d'un tel avion sur n'importe quel territoire (sauf l'ennemi) entraînerait un scandale international et une catastrophe environnementale. En général, ils ont mis le réacteur dans l'avion, mais sur un seul - la seule carte expérimentale était le NB-36H (sur la toute première photo de ce matériau), et les moteurs dessus n'étaient pas connectés au réacteur.
L'équipage était protégé par une structure en plomb et en caoutchouc, qui ajoutait 11 tonnes à la masse de l'avion, mais ne pouvait toujours pas protéger complètement les gens des radiations. À bord, le bombardier transportait un réacteur refroidi à l'eau de 1 MW pesant 16 tonnes. L'avion a volé pendant 215 heures, dont 89 heures avec un réacteur en fonctionnement, des tests ont été effectués exclusivement au-dessus des régions désertiques du Texas et du Nouveau-Mexique.
L'idée d'une bombe atomique a été abandonnée en 1961 par décret du président Kennedy au milieu d'un «dégel» des relations entre les deux superpuissances. Mais cela ne signifie pas que les États-Unis ont complètement enterré le programme de moteurs nucléaires pour les avions.
Les moteurs General Electric HTRE-2 et HTRE-3 de 35 MW sont maintenant ouverts dans le parking du laboratoire national de l'Idaho, où ils ont été testés. Source: Wtshymanski / Wikimedia
Comme vous pouvez le deviner, des projets similaires existaient en URSS - des deux côtés de la planète, les tendances dans les affaires militaires étaient similaires. En 1955, les travaux ont commencé sur la création d'une centrale nucléaire de l'aviation, et les avions pour elle devaient être développés par le Bureau d'études de Tupolev et Myasishchev. Pour les tests, un bombardier stratégique Tu-95M prometteur a été pris (au fait, il est toujours en service). En 1958, l'avion Tu-95LAL avec un réacteur dans le compartiment à bagages était prêt. Au cours de l'été 1961, l'avion de laboratoire a effectué 34 vols. Comme dans le projet américain, il était censé utiliser des turbopropulseurs NK-12M conventionnels pour le décollage, et le réacteur était déjà connecté en hauteur.
Contrairement aux Américains, les ingénieurs soviétiques ont protégé l'équipage avec des cloisons en polyéthylène et en cérésine avec un additif de carbure de bore, qui étaient plus efficaces et beaucoup plus légers que le caoutchouc au plomb.
Le projet s'appelait Tu-119 et le bombardier lui-même était généralement assez viable. Mais après les États-Unis, le développement de l'hélicoptère atomique soviétique a été arrêté au début des années 1960. Il est possible que pour les mêmes raisons: le «dégel», le développement de la science des fusées et le danger d'effondrement. Et, bien sûr, le prix: amener le Tu-119 à la production en série a coûté 1 milliard de roubles soviétiques.
Le schéma déclassifié du Tu-119 montre clairement l'emplacement du réacteur. Source: Bureau d'études Tupolev
Les années 1960 ont marqué un changement dans les priorités militaires des bombardiers aux missiles intercontinentaux. Et ici, le simple fait de faire voler des réacteurs serait très déplacé - il n'y a personne dans la fusée qui a besoin de radioprotection, de nourriture et d'eau, la fusée peut voler pendant des mois et, au bon moment, manoeuvrer et livrer des salutations nucléaires de l'autre côté de l'océan.
Le projet Pluton, lancé en 1957 aux États-Unis, visait à créer un missile avec une ogive nucléaire et un réacteur atomique comme moteur, semblable à ce qu'ils ont tenté sans succès de fixer aux bombardiers.
Le produit, appelé SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, une fusée supersonique à basse altitude) était censé voler à une altitude pouvant atteindre 300 mètres à une vitesse de 4200 km / h. Mais ce projet n'a pas été mis en œuvre: la fusée, même en théorie, s'est avérée être trop chère et "sale" (plus d'informations sur ce projet sont décrites
ici ).
De plus, lorsque le projet était officiellement prêt, les missiles intercontinentaux conventionnels se débarrassaient déjà des maladies infantiles. Ils se sont avérés beaucoup moins chers, plus sûrs et plus faciles à utiliser. Et la nouvelle époque semble nous avoir apporté le Pétrel russe, mais son examen dépasse le cadre de ce billet.
Nous ajoutons que si les missiles à moteur nucléaire n'ont pas été réalisés au XXe siècle, les satellites le sont tout à fait. En 1965, les Américains ont lancé le Snapshot avec SNAP-10A en orbite terrestre basse. Il devait y «s'affaisser» pendant un an, générant une puissance électrique d'environ 500 watts. Mais le 43e jour du vol, le régulateur de tension embarqué est tombé en panne, la puissance a bondi à 590 W et le réacteur a été arrêté. Il était supposé que SNAP-10A serait en orbite sous forme de débris spatiaux pendant les 4000 prochaines années, mais en 2008, l'appareil s'était effondré en de nombreux fragments de moins de 10 cm de diamètre. Très probablement, il est entré en collision avec d'autres débris spatiaux.
Réacteur spatial 500 W SNAP-10A Celui qui vole maintenant autour de la Terre sous forme de débris. Source: US DOE / Wikimedia
En URSS, des centrales nucléaires de faible puissance sont utilisées avec succès sur des engins spatiaux depuis 1970. Ils ont notamment alimenté les satellites de reconnaissance du système Legenda avec un total d'environ trois douzaines. Mais même ici, une série d'incidents a mis fin à l'utilisation de réacteurs nucléaires - du moins en orbite terrestre basse. Et tout cela parce que même si quelque chose se passe mal dans l'espace, les débris radioactifs volent toujours vers la Terre. En 1978, un incident désagréable s'est produit avec le satellite soviétique Cosmos-954 équipé d'une installation nucléaire de Buk: après un mois de travail en orbite, le vaisseau spatial est rentré spontanément sur Terre, s'est effondré dans des couches atmosphériques denses et s'est généreusement dispersé sur 124000 mètres carrés. km de l'Arctique canadien 30 kilogrammes d'uranium 235. Heureusement, les territoires du Nord-Ouest peu peuplés du Canada ont aidé à éviter les conséquences tragiques. Les expéditions de recherche ont permis de recueillir 65 kg de débris divers, dont certains de fonil sous 200 rayons X / heure.
En 1983, le Cosmos-1402 a plongé dans les eaux chaudes de l'océan Indien. Bien que le réacteur ait brûlé dans l'atmosphère, les résidus finement dispersés de l'uranium 235 ont été enregistrés pendant longtemps dans les sédiments.
Et lorsque le Cosmos-1900 s'est écrasé en 1988, il a été automatiquement envoyé sur l'orbite funéraire. Mais à ce moment-là, la communauté mondiale avait formé un très fort préjugé contre l'utilisation de réacteurs dans les engins spatiaux.
Une alternative à un réacteur volant compact est un générateur thermoélectrique à radio-isotopes, et c'est lui qui a trouvé une application plus large dans la pratique. Mais pas du tout ce qu'espéraient les passionnés de l'énergie atomique.
Générateur thermoélectrique de radio-isotopes (RTG)
En 1912, le physicien britannique Henry Moseley a créé la première source d'énergie radio-isotopique: au centre d'une fiole en verre aux parois argentées, une source de rayonnement de radium a été installée sur l'électrode, les particules bêta émises créent une différence de potentiel entre l'argent et le rayonnement, ce qui provoque l'apparition de tension sur les électrodes de l'ampoule.
Henry Moseley avec un de ses flacons utilisé pour étudier les rayons X. Malheureusement, la vie d'un scientifique et inventeur prometteur a été interrompue par une balle de tireur d'élite lors de la bataille de Gallipoli pendant la Première Guerre mondiale. Source: Bibliothèque publique de New York
Pendant la décroissance radioactive, la substance se réchauffe, parfois aux températures les plus élevées. Les RTG de chaleur générée sont convertis en électricité à l'aide de générateurs thermoélectriques.
Un générateur thermoélectrique est une chose simple mais très divertissante. Il y a deux siècles, en 1821, l'Allemand Thomas Seebeck a découvert qu'avec une différence de température entre deux conducteurs, l'électricité est générée en raison de la formation d'une différence de potentiel lors du flux de chaleur d'un conducteur à l'autre. Soit dit en passant, l'effet inverse de ce phénomène, découvert en 1834 par Jean-Charles Peltier, a formé la base des refroidisseurs de processeur sur les éléments Peltier, qui n'ont pas été produits longtemps au début des années 2000: si vous laissez passer du courant entre des conducteurs différents, l'un d'eux se réchauffe et l'autre, au contraire, ça va refroidir.
La structure du générateur thermoélectrique est très simple et compréhensible, de sorte que la création de RTG ne reposait pas sur des limitations technologiques, mais en l'absence d'isotopes dans les quantités requises. Source: Wikimedia / Ken Braizer
Si l'électricité peut être obtenue si facilement à partir de la chaleur, qui est abondante sur notre planète (énergie solaire, hydrothermique et pétrothermique), alors pourquoi n'y a-t-il pas de centrales électriques sur des générateurs thermoélectriques? Parce que l'efficacité d'un tel générateur, pour le dire doucement, n'est pas très - environ 6-10% de la puissance thermique. Pour obtenir une puissance plus ou moins décente d'un RTG portable, il faut rechercher des radio-isotopes à forte génération de chaleur et à longue demi-vie.
D'un autre côté, même avec une efficacité aussi faible, vous pouvez vivre et travailler: une source de radio-isotopes suffit pour alimenter l'éclairage LED, une variété de capteurs et de systèmes de contrôle, et organiser avec elle une alimentation de secours. Qu'est-ce qui n'est pas une option pour l'approvisionnement énergétique individuel des maisons qui ne resteront pas sans électricité même en cas de catastrophe naturelle?
Les propriétés de tant d'isotopes ont été étudiées, mais il y avait très peu d'éléments adaptés aux RTG: les exigences pour les sources d'énergie étaient trop strictes. Par exemple, le plutonium-238, qui est presque sûr en raison du faible rayonnement bêta et gamma utilisé dans les engins spatiaux et les stimulateurs cardiaques, émet environ 0,54 W de chaleur par gramme de substance, et sa demi-vie est de 88 ans. Au cours de l'année, le RTG du plutonium-238 perdra 0,78% de la capacité de démarrage. Une source de plutonium durera longtemps, mais pour obtenir quelques centaines de watts, vous devez charger quelques kilogrammes de la substance.
Mais regardez le polonium-210, c'est un vrai «poêle» - autant que 140 watts de chaleur par gramme, 2000 fois plus de plutonium! Oui, voici le problème, la demi-vie du polonium n'est que de 138 jours. Vous ne pouvez pas voler loin avec un tel RTG.
Conception typique d'un RTG moderne: noyau isotopique, plusieurs paires de conducteurs générateurs thermoélectriques et un radiateur obligatoire sur le corps qui élimine l'excès de chaleur. Source: NASA / Wikimedia
Un demi-siècle s'est écoulé entre la découverte d'Henry Moseley et l'apparition des RTG - ils ont été mis en marche par des réacteurs nucléaires, où il a été possible de produire des isotopes en grandes quantités. Les travaux sur les RTG ont commencé dans les années 1960, lorsque SNAP-1 (Systems for Nuclear Auxiliary Power) a été créé aux États-Unis. SNAP-1 était plutôt une «machine à vapeur» au cérium-144, dans laquelle du mercure était utilisé à la place de l'eau.
Après SNAP-1, SNAP-3 a été développé avec un générateur thermoélectrique au plutonium-238. L'appareil pesait environ 2 kg et produisait 2,5 watts de puissance. SNAP-3 a propulsé les satellites de navigation Transit américains, les prédécesseurs du GPS.
L'expérience réussie de SNAP-3 a marqué le début de l'ère des alimentations radio-isotopiques dans les engins spatiaux, qui nécessitent des "batteries" compactes, à longue durée de vie et sans entretien. Et oui, dans la série SNAP, il y avait non seulement des générateurs thermoélectriques, mais aussi des réacteurs nucléaires à part entière, que nous avons mentionnés ci-dessus.
L'utilisation de RTG dans l'industrie spatiale est jusqu'à présent la seule solution au problème énergétique des petites sondes interplanétaires. L'efficacité des panneaux solaires diminue avec la distance du soleil. La NASA a clairement expliqué ce problème dans l'illustration.
Les RTG ont trouvé leur place dans le vaisseau spatial Voyager (160 W) qui a déjà dépassé le système solaire, les stations interplanétaires Cassini, New Horizons et Galileo (300 W), le rover Curiosity (110 W), et même dans le vaisseau spatial du programme lunaire Apollo (73 W ) De plus, ces sources non seulement alimentent, mais chauffent également l'électronique - 90% de l'énergie thermique va dans les radiateurs.
Un cylindre gris avec huit «ailes» au centre de la photo - SNAP-27 RTG, générant 75 watts à 30 V DC, il a été utilisé sur la lune lors de la mission Apollo 14. Source: NASA, Alan Shepard / Wikimedia
Cependant, même dans l'espace, les RTG sont rarement utilisés. La perspective d'un accident impliquant une source de rayonnement radioactif qui a pénétré dans l'espace ne concerne pas, en général, la population de notre planète, mais elle est bien pire si une nuisance se produit sur Terre, par exemple, à cause des actions de mains troublées de quelqu'un. Et personne n'a annulé les lancements de missiles infructueux. Ainsi, en 1964, le satellite américain Transit-5B avec le RTG SNAP-9A s'est effondré au lancement, diffusant près d'un kilogramme de plutonium-238 dans l'atmosphère. En 1968, encore une fois, le satellite météorologique américain Nimbus B-1 avec SNAP-19B2 n'a pas infecté l'océan dans lequel il est tombé, uniquement grâce à une conception de capsule améliorée avec 1 kg de plutonium-238. Enfin, le grand appareil de recherche russe Mars-96 en 1996 a quitté l'orbite et a enterré 270 grammes de plutonium-238 au fond de l'océan Pacifique.
Une capsule en acier avec l'isotope du plutonium-238 pour le ballon météorologique Nimbus B-1 et elle se trouve également au fond de l'océan. Source: NASA
Et maintenant, la nouvelle troublante: les RTG sont utilisés non seulement dans l'espace, mais aussi sur terre. Au 20e siècle, ils étaient utilisés pour alimenter des bouées marines et des phares inhabités dans des régions reculées de la planète, par exemple, dans l'Arctique. Des bouées et des phares usés sont désormais collectés et éliminés pour éviter les fuites de combustible nucléaire. Parfois, les caisses RTG sont endommagées pendant la maintenance, le transport ou tout simplement pendant le fonctionnement - 23 incidents se sont produits dans la CEI au cours des 36 dernières années. . - , — , . .
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