Radioisotop di pertengahan abad ke-20 tampak seperti sumber listrik murah yang hampir tak ada habisnya - reaktor akan tiba di pesawat terbang, mobil, dan bahkan rumah, pikir mereka waktu itu. Tapi ini hanya terjadi di dunia Fallout. Mengapa energi nuklir menemui jalan buntu dan akankah kita menyaksikan matahari terbenam? Dalam artikel ini, kita berbicara tentang upaya yang gagal untuk membuat atom damai lebih dekat dengan orang-orang - kita melanjutkan serangkaian posting tentang sumber energi.
Atom yang damai dapat memainkan peran yang sangat penting dalam mengurangi emisi karbon dioksida tanpa mengurangi produksi energi global. Tapi tidak main.
Setelah bencana Chernobyl, antusiasme untuk pembangkit listrik tenaga nuklir mereda - tidak ada yang menyukai kemungkinan yang tidak mungkin terjadi, tetapi kemungkinan kontaminasi radioaktif di seluruh wilayah. Bencana Fukushima hanya mempercepat pengabaian energi nuklir di Eropa. Di Uni Eropa, di mana, dari perbatasan ke perbatasan, secara kasar, “ada” kebocoran bahan bakar nuklir akan mencakup beberapa negara sekaligus.
Di Italia, pembangkit listrik tenaga nuklir terakhir berdiri pada tahun 1990. Sejak 2000, Jerman mulai secara sistematis meninggalkan tenaga nuklir, dan setelah kecelakaan Fukushima, delapan dari 17 reaktor di negara itu ditutup sekaligus. Belgia akan menutup ketujuh reaktornya pada tahun 2025. Swiss akan menutup reaktor pada tahun 2034. Negara-negara Amerika, Timur Tengah dan Asia tidak terburu-buru untuk menghentikan pembangkit listrik tenaga nuklir mereka dan bahkan membangun yang baru, tetapi bersama dengan mereka mereka secara aktif mengembangkan energi hijau. Dan di Jerman pada tahun 2019, jumlah listrik yang diterima dari matahari, angin, air dan biomassa melebihi dari pembangkit listrik dalam fosil, termasuk nuklir, bahan bakar.
Pangsa energi nuklir di negara-negara. Setelah 10 tahun, bintik-bintik hijau di Eropa akan hilang. Dan bahkan Cina telah menginvestasikan $ 380 miliar dalam pembangunan stasiun tenaga angin dan matahari. Sumber: PRIS - Statistik Negara / Wikimedia
Akun NPP sekitar 10% dari listrik dunia, dan bagiannya secara perlahan menurun. Dan untuk sumber terbarukan - 20%, dengan pertumbuhan terbesar ditunjukkan oleh energi angin (4,5 kali dalam 10 tahun) dan stasiun tenaga surya (25 kali dalam 10 tahun). Tentu saja, masih terlalu dini untuk mengubur pembangkit listrik tenaga nuklir, tetapi siapa yang tahu apa yang menanti kita dalam 20 tahun ke depan. Pada akhir 1990-an, tidak ada yang bisa mengira bahwa kincir angin dan panel surya akan menempati setidaknya bagian penting dalam industri energi global.
Selama masa keemasan atom, para ilmuwan mencoba untuk membuat teknologi ini lebih aman, lebih mudah diakses dan dimengerti oleh orang-orang, tetapi sejumlah masalah yang tidak terselesaikan dan tidak terpecahkan mengubur ide-ide yang menjanjikan atau mempersempit cakupan aplikasi mereka ke minimum. Inilah beberapa ide ini.
Reaktor terbang yang tidak lepas landas
Pada 1950-an, ketika bakat romantis untuk masa depan nuklir belum dihilangkan, reaktor atom mencoba bereksperimen sedapat mungkin. Bukan rahasia lagi bahwa pelanggan utama dan investor ilmuwan di Amerika Serikat adalah Departemen Pertahanan, dan kemudian siap untuk membiayai proyek-proyek paling gila.
Pada awal 50-an, sudah ada pembicaraan di udara tentang perang yang tak terhindarkan dengan Uni Soviet, apalagi, perang nuklir. Dengan pengiriman senjata nuklir pada waktu itu ada masalah: ilmu roket sedang dalam masa pertumbuhan, dan pembom pasca-perang pertama sama sekali tidak punya waktu untuk sampai ke wilayah musuh potensial jika terjadi konflik. Perlu bahwa pesawat militer terus-menerus di udara sedekat mungkin ke tempat-tempat yang diduga sebagai pengeboman. Jadi, kita membutuhkan mesin pesawat yang dapat bekerja berhari-hari dan berminggu-minggu tanpa mengisi bahan bakar.
Program untuk menginstal reaktor nuklir di pesawat dimulai di Amerika Serikat pada awal 1946. Dua pengembang mesin pesawat terbang terbesar, General Electric dan Pratt & Whitney, mempresentasikan pilihan mereka untuk mesin ramjet. Prinsip operasi mereka sangat sederhana: setelah lepas landas pada bahan bakar konvensional, udara yang memasuki intake udara memasuki reaktor, melewati ribuan saluran yang dipanaskan di atas 1000 ° C dan menciptakan daya dorong reaktif di outlet.
Mesin nuklir aliran langsung General Electric HTRE-3. Sumber: Pemerintah Federal Amerika Serikat / Wikimedia
Idenya mengagumkan: bahkan dengan perkiraan konservatif, sebuah pesawat terbang dengan mesin seperti itu dapat mengudara selama berminggu-minggu - selama ada cukup makanan dan air dari para kru. Dalam praktiknya, ada masalah yang mungkin sudah Anda tebak. Pertama, reaktor menciptakan satu lingkaran radiasi pengion dan dengan demikian secara signifikan merusak wilayah yang dilaluinya. Dimungkinkan untuk membuang knalpot dengan bantuan sistem sirkuit ganda, seperti pada pembangkit listrik tenaga nuklir, tetapi kemudian efisiensi mesin turun tajam - pesawat tidak bisa membawa dirinya sendiri tanpa muatan. Kedua, perlindungan biologis kru tidak ideal, dan pilot militer yang terampil, terutama pilot bomber strategis, adalah sumber daya emas. Ketiga, jatuhnya pesawat seperti itu di wilayah mana pun (kecuali musuh) akan menyebabkan skandal internasional dan bencana lingkungan. Secara umum, mereka meletakkan reaktor di pesawat, tetapi hanya pada satu - satu-satunya papan eksperimental adalah NB-36H (dalam foto pertama dalam bahan ini), dan mesin di atasnya tidak terhubung ke reaktor.
Para kru dilindungi oleh struktur timah dan karet, yang menambah 11 ton massa pesawat, tetapi masih tidak bisa sepenuhnya melindungi orang dari radiasi. Di atas pesawat, bomber membawa reaktor berpendingin air 1-MW dengan berat 16 ton. Pesawat terbang selama 215 jam, di mana 89 jam dengan reaktor yang berfungsi, tes dilakukan secara eksklusif di daerah gurun Texas dan New Mexico.
Gagasan tentang bom atom ditinggalkan pada tahun 1961 oleh dekrit Presiden Kennedy di tengah "pencairan" dalam hubungan antara kedua negara adidaya. Tetapi ini tidak berarti bahwa Amerika Serikat sepenuhnya mengubur program mesin nuklir untuk pesawat terbang.
Mesin 35 MW General Electric HTRE-2 dan HTRE-3 sekarang diparkir secara terbuka di tempat parkir Laboratorium Nasional Idaho, tempat mereka diuji. Sumber: Wtshymanski / Wikimedia
Proyek serupa, seperti yang Anda duga, ada di USSR - di kedua sisi planet ini, tren dalam urusan militer serupa. Pada tahun 1955, pekerjaan dimulai pada penciptaan pembangkit listrik penerbangan nuklir, dan pesawat untuk itu akan dikembangkan oleh Biro Desain Tupolev dan Myasishchev. Untuk pengujian, sebuah bomber Tu-95M strategis yang menjanjikan diambil (omong-omong, masih beroperasi). Pada tahun 1958, pesawat Tu-95LAL dengan reaktor di kompartemen kargo sudah siap. Selama musim panas 1961, pesawat laboratorium melakukan 34 penerbangan. Seperti dalam proyek Amerika, itu seharusnya menggunakan mesin turboprop NK-12M konvensional untuk tinggal landas, dan reaktor terhubung sudah pada ketinggian.
Tidak seperti orang Amerika, insinyur Soviet melindungi awak dengan partisi yang terbuat dari polietilen dan ceresin dengan aditif boron karbida, yang lebih efektif dan jauh lebih ringan daripada karet dengan timah.
Proyek itu bernama Tu-119, dan pembom itu sendiri pada umumnya cukup layak. Tetapi setelah Amerika Serikat, pengembangan helikopter atom Soviet dihentikan pada awal 1960-an. Mungkin karena alasan yang sama: "mencair", pengembangan ilmu roket dan bahaya kehancuran. Dan, tentu saja, harganya: membawa Tu-119 ke produksi serial menghabiskan 1 miliar rubel Soviet.
Skema yang dideklasifikasi dari Tu-119 dengan jelas menunjukkan lokasi reaktor. Sumber: Biro Desain Tupolev
1960-an menandai pergeseran prioritas militer dari pembom ke rudal antarbenua. Dan di sini hanya reaktor terbang yang akan sangat tidak pada tempatnya - tidak ada orang di roket yang membutuhkan perlindungan radiasi, makanan dan air, roket dapat terbang selama berbulan-bulan, dan pada saat yang tepat, bermanuver dan memberikan salam nuklir dari sisi lain samudera.
Proyek Pluto, diluncurkan di AS pada tahun 1957, bertujuan untuk membuat rudal dengan hulu ledak nuklir dan reaktor atom sebagai sebuah mesin, mirip dengan apa yang mereka coba lampirkan gagal untuk pembom.
Produk yang disebut SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, roket ketinggian rendah supersonik) seharusnya terbang pada ketinggian hingga 300 meter dengan kecepatan 4.200 km / jam. Tetapi proyek ini tidak diimplementasikan: roket, bahkan dalam teori, ternyata sangat mahal dan "kotor" (lebih lanjut tentang proyek ini dijelaskan di
sini ).
Selain itu, ketika proyek itu secara resmi siap, rudal antarbenua konvensional sudah menyingkirkan penyakit anak-anak. Mereka ternyata jauh lebih murah, lebih aman dan lebih mudah digunakan. Dan waktu yang baru tampaknya telah membawa kita kepada Petrel Rusia, tetapi ulasannya berada di luar cakupan tulisan ini.
Kami menambahkan bahwa jika rudal dengan mesin nuklir tidak terealisasi pada abad ke-20, maka satelit cukup. Pada tahun 1965, Amerika meluncurkan Snapshot dengan SNAP-10A ke orbit Bumi yang rendah. Dia seharusnya "melorot" di sana selama setahun, menghasilkan daya listrik sekitar 500 watt. Tetapi pada hari ke 43 penerbangan, regulator tegangan onboard gagal, daya melonjak menjadi 590 W, dan reaktor dimatikan. Diasumsikan bahwa SNAP-10A akan berada di orbit sebagai puing-puing angkasa untuk 4000 tahun ke depan, tetapi pada tahun 2008 perangkat tersebut telah runtuh menjadi banyak fragmen dengan diameter kurang dari 10 cm. Kemungkinan besar, dia bertabrakan dengan puing-puing luar angkasa lainnya.
500W SNAP-10A Space Reactor Yang sekarang terbang di sekitar Bumi dalam bentuk puing-puing. Sumber: US DOE / Wikimedia
Di Uni Soviet, pembangkit listrik tenaga nuklir rendah telah berhasil digunakan di pesawat ruang angkasa sejak tahun 1970. Secara khusus, mereka memberi makan satelit pengintai dari sistem Legenda dengan total sekitar tiga lusin. Tetapi bahkan di sini serangkaian insiden mengakhiri penggunaan reaktor nuklir - setidaknya di orbit Bumi yang rendah. Dan semua karena meskipun ada yang salah di luar angkasa, puing radioaktif masih terbang ke Bumi. Pada tahun 1978, sebuah insiden yang tidak menyenangkan terjadi dengan satelit Soviet Cosmos-954 yang dilengkapi dengan instalasi nuklir Buk: setelah sebulan bekerja di orbit, pesawat ruang angkasa itu secara spontan pulang ke Bumi, runtuh dalam lapisan atmosfer yang padat dan tersebar luas dengan luas 124 ribu meter persegi. km dari Arktik Kanada, 30 kilogram uranium-235. Untungnya, wilayah barat laut Kanada yang jarang penduduknya membantu menghindari konsekuensi tragis. Ekspedisi pencarian mengumpulkan 65 kg puing-puing beragam, beberapa di antaranya fonil di bawah 200 x-ray / jam.
Pada tahun 1983, Cosmos-1402 menyelam ke perairan hangat Samudra Hindia. Meskipun reaktor terbakar di atmosfer, residu uranium-235 yang terdispersi dengan baik dicatat untuk waktu yang lama dalam sedimen.
Dan ketika Cosmos-1900 jatuh pada tahun 1988, secara otomatis dikirim ke orbit penguburan. Tetapi pada saat itu, komunitas dunia telah membentuk prasangka yang sangat kuat terhadap penggunaan reaktor di pesawat ruang angkasa.
Alternatif untuk reaktor terbang kompak adalah generator termoelektrik radioisotop, dan dialah yang menemukan aplikasi yang lebih luas dalam praktiknya. Tetapi juga sama sekali tidak seperti yang diharapkan oleh para penggemar energi atom.
Generator Termoelektrik Radioisotop (RTG)
Pada tahun 1912, fisikawan Inggris Henry Moseley menciptakan sumber daya radioisotop pertama: di tengah labu gelas dengan dinding berlapis perak, sumber radiasi radium dipasang pada elektroda, partikel beta yang dipancarkan menciptakan perbedaan potensial antara perak dan radiasi, yang menyebabkan tegangan muncul pada elektroda bohlam.
Henry Moseley dengan salah satu labu yang digunakan untuk belajar x-ray. Sayangnya, kehidupan seorang ilmuwan dan penemu yang menjanjikan terputus oleh peluru penembak jitu di pertempuran Gallipoli selama Perang Dunia I. Sumber: Perpustakaan Umum New York
Selama peluruhan radioaktif, zat tersebut memanas, kadang-kadang ke suhu tertinggi. RTG panas yang dihasilkan dikonversi menjadi listrik menggunakan generator termoelektrik.
Generator termoelektrik adalah hal yang sederhana namun sangat menghibur. Dua abad yang lalu, pada tahun 1821, Jerman Thomas Seebeck menemukan bahwa dengan perbedaan suhu antara dua konduktor, listrik dihasilkan karena pembentukan perbedaan potensial selama aliran panas dari satu konduktor ke konduktor lainnya. Omong-omong, efek berlawanan dari fenomena ini, ditemukan pada tahun 1834 oleh Jean-Charles Peltier, membentuk dasar pendingin prosesor pada elemen Peltier, yang tidak diproduksi lama di awal tahun 2000-an: jika Anda membiarkan arus antara konduktor yang berbeda, salah satunya memanas, yang lain memanas, dan yang lainnya, sebaliknya, itu akan menjadi dingin.
Struktur generator termoelektrik sangat sederhana dan dapat dimengerti, sehingga pembuatan RTG tidak terletak pada keterbatasan teknologi, tetapi dengan tidak adanya isotop dalam jumlah yang diperlukan. Sumber: Wikimedia / Ken Braizer
Jika listrik dapat dengan mudah diperoleh dari panas, yang berlimpah di planet kita (energi matahari, hidrotermal dan petrotermal), lalu mengapa tidak ada pembangkit listrik pada generator termoelektrik? Karena efisiensi generator seperti itu, secara sederhana, tidak terlalu - sekitar 6-10% dari daya termal. Untuk mendapatkan daya yang lebih atau kurang layak dari RTG portabel, kita harus mencari radioisotop dengan generasi panas tinggi dan waktu paruh yang panjang.
Di sisi lain, bahkan dengan efisiensi yang begitu rendah, Anda dapat hidup dan bekerja: sumber radioisotop cukup untuk menyalakan pencahayaan LED, berbagai sensor dan sistem kontrol, dan mengatur daya cadangan dengannya. Apa yang bukan merupakan pilihan untuk pasokan energi individu rumah yang tidak akan tetap tanpa listrik bahkan jika terjadi bencana alam?
Sifat-sifat dari begitu banyak isotop dipelajari, tetapi ada sangat sedikit elemen yang cocok untuk RTG: persyaratan untuk sumber daya terlalu ketat. Misalnya, plutonium-238, yang hampir aman karena rendahnya radiasi beta dan gamma yang digunakan dalam pesawat ruang angkasa dan alat pacu jantung, memancarkan sekitar 0,54 W panas per 1 gram materi, dan waktu paruh adalah 88 tahun. Sepanjang tahun, RTG pada plutonium-238 akan kehilangan 0,78% dari kapasitas awal. Sumber plutonium akan bertahan lama, tetapi untuk mendapatkan beberapa ratus watt Anda harus memuat beberapa kilogram zat tersebut.
Tapi lihat saja polonium-210, ini adalah "kompor" sungguhan - sebanyak 140 watt panas per gram, 2.000 kali lebih banyak plutonium! Ya, ini masalahnya, waktu paruh polonium hanya 138 hari. Anda tidak bisa terbang jauh dengan RTG seperti itu.
Desain khas RTG modern: inti isotop, banyak pasangan konduktor pembangkit termoelektrik dan radiator wajib pada tubuh yang menghilangkan panas berlebih. Sumber: NASA / Wikimedia
Setengah abad berlalu antara penemuan Henry Moseley dan penampilan RTG - mereka diberi awal kehidupan oleh reaktor nuklir, di mana dimungkinkan untuk menghasilkan isotop dalam volume besar. Pekerjaan pada RTG dimulai pada 1960-an, ketika SNAP-1 (Sistem untuk Tenaga Bantu Nuklir) diciptakan di AS. SNAP-1 lebih merupakan "mesin uap" di cerium-144, di mana merkuri digunakan sebagai pengganti air.
Mengikuti SNAP-1, SNAP-3 dikembangkan dengan generator thermoelectric plutonium-238. Perangkat itu beratnya sekitar 2 kg dan menghasilkan daya 2,5 watt. SNAP-3 memberdayakan satelit navigasi Transit American, pendahulu GPS.
Pengalaman sukses SNAP-3 menandai dimulainya era catu daya radioisotop di pesawat ruang angkasa, yang membutuhkan "baterai" yang ringkas, tahan lama, dan bebas perawatan. Dan ya, dalam seri SNAP tidak hanya ada generator termoelektrik, tetapi juga reaktor nuklir penuh, yang kami sebutkan di atas.
Penggunaan RTG dalam industri luar angkasa sejauh ini merupakan satu-satunya solusi untuk masalah energi untuk probe antarplanet kecil. Efisiensi panel surya berkurang dengan jarak dari matahari. NASA telah dengan jelas menjelaskan masalah ini dalam ilustrasi.
RTG menemukan tempat mereka di pesawat ruang angkasa Voyager (160 W) yang sudah melampaui tata surya, stasiun antarplanet Cassini, New Horizons dan Galileo (300 W), penjelajah Curiosity (110 W), dan bahkan di wahana antariksa program bulan Apollo (73 W) ) Selain itu, sumber-sumber tersebut tidak hanya daya, tetapi juga memanaskan elektronik - 90% dari energi termal masuk ke radiator.
Sebuah silinder abu-abu dengan delapan "sayap" di tengah foto - RTAP SNAP-27, mengeluarkan 75 watt pada 30 V DC, itu digunakan di bulan selama misi Apollo 14. Sumber: NASA, Alan Shepard / Wikimedia
Namun, bahkan di ruang angkasa, RTG jarang digunakan. Prospek kecelakaan yang melibatkan sumber radiasi radioaktif yang telah pergi ke luar angkasa tidak, secara umum, menyangkut populasi planet kita, tetapi jauh lebih buruk jika gangguan terjadi di Bumi, misalnya, dari tindakan tangan seseorang yang bermasalah. Dan tidak ada yang membatalkan peluncuran rudal yang gagal. Jadi, pada tahun 1964, satelit American Transit-5B dengan RTG SNAP-9A runtuh pada saat peluncuran, menyebarkan hampir satu kilogram plutonium-238 di atmosfer. Pada tahun 1968, lagi-lagi, satelit cuaca Nimbus B-1 Amerika dengan SNAP-19B2 tidak menginfeksi laut tempat ia jatuh, hanya berkat desain kapsul yang ditingkatkan dengan 1 kg plutonium-238. Akhirnya, peralatan penelitian Rusia Mars-96 pada tahun 1996 meninggalkan orbit dan mengubur 270 gram plutonium-238 di dasar Samudra Pasifik.
Sebuah kapsul baja dengan isotop plutonium-238 untuk balon cuaca Nimbus B-1 dan juga di dasar laut. Sumber: NASA
Dan sekarang berita yang mengganggu: RTG digunakan tidak hanya di ruang angkasa, tetapi juga di darat. Pada abad ke-20, mereka digunakan untuk menyalakan pelampung laut dan mercusuar tidak berpenghuni di daerah terpencil di planet ini, misalnya, di Kutub Utara. Pelampung dan mercusuar yang rusak sekarang dikumpulkan dan dibuang untuk mencegah kebocoran bahan bakar nuklir. Kadang-kadang kasus RTG rusak selama pemeliharaan, transportasi, atau hanya selama operasi - 23 insiden telah terjadi di CIS selama 36 tahun terakhir. . - , — , . .
, ? « » . , -, «». , « », — . - .
, -238. : Oak Ridge Associated Universities
, . , ? , Mr. Fusion « 2» . () , , .
, «» , . - , - , 100 — , ! . , , .
Toshiba . , Toshiba 4S, 10 50 . 4S — Super-Safe, Small and Simple, «, ». 30- , . - , , .
. : Toshiba
— . . , 200 , — +1 . . 4S , . +1 — - , , .
Toshiba 4S. : Toshiba
Toshiba 4S — . , 30 . , . . , , . -1000, $0,6-1 . 163 , 4,5-5 . , Toshiba 4S $25-30 . — - $8 , .
, . Toshiba 4S , 2010 . . — , . , , (NRC). , — , .
NRC , . 10 , . … . , — . NRC, , $200 — , , .
. «» — . , . , ! . , , , - . , , - - , . , .
, Toshiba 4S .
NRC . , , TerraPower, . 4S , .
...
«» , , . - , . , . , .