Os radioisótopos em meados do século 20 pareciam uma fonte quase infinita de eletricidade barata - os reatores estavam prestes a chegar a aviões, carros e até casas, eles pensavam então. Mas isso só aconteceu no mundo de Fallout. Por que a energia nuclear está em um impasse e vamos ver o pôr do sol? Neste artigo, falamos sobre tentativas malsucedidas de aproximar um átomo pacífico das pessoas - continuamos uma série de posts sobre fontes de energia.
Um átomo pacífico pode desempenhar um papel muito importante na redução das emissões de dióxido de carbono sem reduzir a produção global de energia. Mas não jogou.
Após o desastre de Chernobyl, o entusiasmo pelas usinas nucleares diminuiu - ninguém gostou da perspectiva de uma contaminação radioativa improvável, mas possível, de regiões inteiras. O desastre de Fukushima apenas acelerou o abandono da energia nuclear na Europa. Na União Européia, onde, da fronteira à fronteira, grosso modo, “na mão” qualquer vazamento de combustível nuclear cobrirá vários países ao mesmo tempo.
Na Itália, a última usina nuclear estava em 1990. Desde 2000, a Alemanha começou a abandonar sistematicamente a energia nuclear e, após o acidente de Fukushima, oito dos 17 reatores do país foram desligados de uma só vez. A Bélgica encerrará todos os sete reatores até 2025. A Suíça encerrará os reatores até 2034. Os países da América, Oriente Médio e Ásia não têm pressa em parar suas usinas nucleares e até estão construindo novas, mas junto com elas estão desenvolvendo ativamente a energia verde. E na Alemanha, em 2019, a quantidade de eletricidade recebida do sol, vento, água e biomassa excedeu a das usinas de energia de combustíveis fósseis, incluindo combustível nuclear.
A parcela de energia nuclear nos países. Após 10 anos, as manchas verdes na Europa desaparecerão. E até a China investiu US $ 380 bilhões na construção de estações eólicas e solares. Fonte: PRIS - Estatísticas do País / Wikimedia
As centrais nucleares representam cerca de 10% da eletricidade do mundo e sua participação está diminuindo lentamente. E para fontes renováveis - 20%, com o maior crescimento sendo mostrado pela energia eólica (4,5 vezes em 10 anos) e estações solares (25 vezes em 10 anos). Obviamente, é muito cedo para enterrar a usina nuclear, mas quem sabe o que nos espera nos próximos 20 anos. No final dos anos 90, ninguém poderia pensar que moinhos de vento e painéis solares ocupariam pelo menos uma parte significativa do setor global de energia.
Durante a era de ouro do átomo, os cientistas tentaram tornar essas tecnologias mais seguras, acessíveis e compreensíveis para as pessoas, mas vários problemas não resolvidos e não resolvidos enterraram idéias promissoras ou reduziram o escopo de sua aplicação ao mínimo. Aqui estão algumas dessas idéias.
Um reator voador que não decolou
Na década de 1950, quando o talento romântico para o futuro nuclear ainda não havia sido dissipado, os reatores atômicos tentavam experimentar sempre que possível. Não é segredo que o principal cliente e investidor de cientistas nos Estados Unidos é o Departamento de Defesa, e estava pronto para financiar os projetos mais loucos.
No começo dos anos 50, já se falava no ar sobre uma guerra inevitável com a URSS e uma guerra nuclear. Com a entrega de armas nucleares na época, houve problemas: a ciência dos foguetes estava em sua infância e os primeiros bombardeiros do pós-guerra simplesmente não tiveram tempo de chegar ao território de um inimigo em potencial no caso de um conflito. Era necessário que aeronaves militares estivessem constantemente no ar o mais próximo possível dos locais dos supostos bombardeios. Portanto, precisamos de um motor de aeronave que possa funcionar dias e semanas sem reabastecer.
O programa para instalar um reator nuclear em um avião começou nos Estados Unidos já em 1946. Os dois maiores desenvolvedores de motores de aeronaves, General Electric e Pratt & Whitney, apresentaram suas opções para um motor ramjet. O princípio de sua operação era brilhantemente simples: após a decolagem com combustível convencional, o ar que entra nas entradas de ar entra no reator, passa por milhares de canais aquecidos acima de 1000 ° C e cria um impulso reativo na saída.
Motor nuclear de fluxo direto General Electric HTRE-3. Fonte: Governo Federal dos Estados Unidos / Wikimedia
A ideia foi incrível: mesmo por estimativas conservadoras, um avião com esse motor poderia ficar no ar por semanas - desde que houvesse comida e água suficientes da tripulação. Na prática, houve problemas que você provavelmente já adivinhou. Em primeiro lugar, o reator criou um loop de radiação ionizante e, assim, estragou significativamente o território sobre o qual sobrevoava. Foi possível se livrar do escapamento com a ajuda de um sistema de circuito duplo, como em usinas nucleares, mas a eficiência do motor caiu acentuadamente - a aeronave dificilmente poderia se sustentar sem uma carga útil. Em segundo lugar, a proteção biológica da tripulação não era ideal e um piloto militar qualificado, especialmente um piloto estratégico de bombardeiros, é um recurso de ouro. Em terceiro lugar, a queda de tal aeronave em qualquer território (exceto inimigo) levaria a um escândalo internacional e desastre ambiental. Em geral, eles colocaram o reator no avião, mas apenas em um - o NB-36H se tornou a única placa experimental (na primeira foto deste material), e os motores nele não estavam conectados ao reator.
A tripulação estava protegida por uma estrutura de chumbo e borracha, que acrescentava 11 toneladas à massa da aeronave, mas ainda não conseguia proteger completamente as pessoas da radiação. A bordo, o bombardeiro carregava um reator refrigerado a água de 1 MW, pesando 16 toneladas. O avião voou por 215 horas, das quais 89 horas com um reator em funcionamento, testes foram realizados exclusivamente nas regiões desérticas do Texas e Novo México.
A idéia de uma bomba atômica foi abandonada em 1961 por decreto do presidente Kennedy em meio a um "degelo" nas relações entre as duas superpotências. Mas isso não significava que os Estados Unidos enterrassem completamente o programa de motores nucleares para aeronaves.
Os motores General Electric HTRE-2 e HTRE-3 de 35 MW estão agora estacionados abertamente no estacionamento do Laboratório Nacional de Idaho, onde foram testados. Fonte: Wtshymanski / Wikimedia
Projetos semelhantes, como você pode imaginar, existiam na URSS - em ambos os lados do planeta, as tendências nos assuntos militares eram semelhantes. Em 1955, começaram os trabalhos de criação de uma usina de aviação nuclear, e as aeronaves a serem desenvolvidas pelo Bureau de Design de Tupolev e Myasishchev. Para os testes, um bombardeiro Tu-95M estratégico promissor foi usado (a propósito, ele ainda está em serviço). Em 1958, a aeronave Tu-95LAL com um reator no compartimento de carga estava pronta. Durante o verão de 1961, a aeronave de laboratório realizou 34 vôos. Como no projeto americano, era suposto usar motores turboélices convencionais NK-12M para decolar, e o reator já estava conectado a uma altura.
Ao contrário dos americanos, os engenheiros soviéticos protegiam a tripulação com partições feitas de polietileno e ceresina com um aditivo de carboneto de boro, que eram mais eficazes e muito mais leves que a borracha com chumbo.
O projeto foi nomeado Tu-119, e o próprio bombardeiro era geralmente bastante viável. Mas depois dos Estados Unidos, o desenvolvimento do helicóptero atômico soviético foi interrompido no início dos anos 1960. É possível que pelas mesmas razões: o "degelo", o desenvolvimento da ciência dos foguetes e o perigo de colapso. E, claro, o preço: levar o Tu-119 à produção em série custou 1 bilhão de rublos soviéticos.
O esquema não classificado do Tu-119 mostra claramente a localização do reator. Fonte: Tupolev Design Bureau
A década de 1960 marcou uma mudança nas prioridades militares de bombardeiros para mísseis intercontinentais. E aqui, apenas reatores voadores estariam muito fora de lugar - não há pessoas no foguete que precisem de proteção contra radiação, comida e água; o foguete pode voar por meses e, no momento certo, manobrar e entregar cumprimentos nucleares do outro lado do oceano.
O projeto Plutão, lançado em 1957 nos EUA, visava criar um míssil com uma ogiva nuclear e um reator atômico como motor, semelhante ao que eles tentaram sem sucesso anexar aos bombardeiros.
O produto, chamado SLAM (míssil supersônico de baixa altitude, um foguete supersônico de baixa altitude) deveria voar a uma altitude de até 300 metros a uma velocidade de 4200 km / h. Mas esse projeto não foi implementado: o foguete, mesmo em teoria, acabou sendo inaceitavelmente caro e "sujo" (mais sobre esse projeto é descrito
aqui ).
Além disso, quando o projeto estava formalmente pronto, os mísseis intercontinentais convencionais já se livraram das doenças da infância. Eles ficaram muito mais baratos, mais seguros e fáceis de usar. E o novo tempo parece ter nos trazido o Petrel russo, mas sua revisão está além do escopo deste post.
Acrescentamos que se os mísseis com um motor nuclear não foram realizados no século 20, então os satélites são bastante. Em 1965, os americanos lançaram o Snapshot com SNAP-10A em baixa órbita terrestre. Ele deveria "ceder" lá por um ano, gerando energia elétrica de cerca de 500 watts. Porém, no 43º dia do voo, o regulador de tensão a bordo falhou, a potência saltou para 590 W e o reator foi desligado. Supunha-se que o SNAP-10A estivesse em órbita como detritos espaciais pelos próximos 4000 anos, mas em 2008 o dispositivo havia colapsado em muitos fragmentos com menos de 10 cm de diâmetro. Provavelmente, ele colidiu com outros detritos espaciais.
Reator espacial SNAP-10A de 500W Aquele que agora voa ao redor da Terra na forma de detritos. Fonte: US DOE / Wikimedia
Na URSS, usinas nucleares de baixa potência têm sido usadas com sucesso em naves espaciais desde 1970. Em particular, eles alimentaram os satélites de reconhecimento do sistema Legenda com um total de cerca de três dúzias. Mas mesmo aqui uma série de incidentes pôs fim ao uso de reatores nucleares - pelo menos em baixa órbita terrestre. E tudo porque, mesmo que algo dê errado no espaço, os detritos radioativos ainda voam para a Terra. Em 1978, ocorreu um incidente desagradável com o satélite soviético Cosmos-954 equipado com uma instalação nuclear de Buk: depois de um mês trabalhando em órbita, a sonda voltou espontaneamente para a Terra, desabou em densas camadas atmosféricas e se espalhou generosamente por 124 mil metros quadrados. km do Ártico canadense 30 kg de urânio-235. Felizmente, os territórios do noroeste escassamente povoados do Canadá ajudaram a evitar as trágicas conseqüências. As expedições de busca coletaram 65 kg de vários detritos, alguns deles sob menos de 200 raios-x / hora.
Em 1983, o Cosmos-1402 mergulhou nas águas quentes do Oceano Índico. Embora o reator tenha queimado na atmosfera, os resíduos finamente dispersos de urânio-235 a partir dele foram registrados por um longo tempo em sedimentos.
E quando o Cosmos-1900 caiu em 1988, foi automaticamente enviado para a órbita do enterro. Mas, nessa época, a comunidade mundial havia formado um forte preconceito contra o uso de reatores em naves espaciais.
Uma alternativa a um reator voador compacto é um gerador termoelétrico de radioisótopos, e foi ele quem encontrou uma aplicação mais ampla na prática. Mas também de forma alguma o que os entusiastas da energia atômica esperavam.
Gerador Termoelétrico Radioisótopo (RTG)
Em 1912, o físico britânico Henry Moseley criou a primeira fonte de energia de radioisótopos: no centro de um balão de vidro com paredes banhadas a prata, uma fonte de radiação de rádio foi instalada no eletrodo, as partículas beta emitidas criam uma diferença potencial entre prata e radiação, o que faz com que a tensão apareça nos eletrodos da lâmpada.
Henry Moseley, com um de seus frascos, estudava radiografias. Infelizmente, a vida de um cientista e inventor promissor foi cortada por uma bala de atirador na batalha de Gallipoli durante a Primeira Guerra Mundial. Fonte: Biblioteca Pública de Nova York
Durante o decaimento radioativo, a substância aquece, às vezes até as temperaturas mais altas. Os RTGs de calor gerados são convertidos em eletricidade usando geradores termoelétricos.
Um gerador termoelétrico é uma coisa simples, mas muito divertida. Dois séculos atrás, em 1821, o alemão Thomas Seebeck descobriu que, com uma diferença de temperatura entre dois condutores, a eletricidade é gerada devido à formação de uma diferença potencial durante o fluxo de calor de um condutor para outro. A propósito, o efeito inverso desse fenômeno, descoberto em 1834 por Jean-Charles Peltier, formou a base de resfriadores de processador nos elementos Peltier, que não foram produzidos por muito tempo no início dos anos 2000: se você deixar a corrente entre condutores diferentes, um deles aquece e o outro, pelo contrário, esfriará.
A estrutura do gerador termoelétrico é muito simples e compreensível; portanto, a criação de RTGs não se baseou em limitações tecnológicas, mas na ausência de isótopos nas quantidades necessárias. Fonte: Wikimedia / Ken Braizer
Se a eletricidade pode ser tão facilmente obtida a partir do calor, que é abundante em nosso planeta (energia solar, hidrotérmica e petrotérmica), então por que não existem usinas de energia nos geradores termoelétricos? Porque a eficiência de um gerador desse tipo, para dizer o mínimo, não é muito - cerca de 6 a 10% da energia térmica. Para obter potência mais ou menos decente de um RTG portátil, é preciso procurar radioisótopos com alta geração de calor e meia-vida longa.
Por outro lado, mesmo com uma eficiência tão baixa, você pode viver e trabalhar: uma fonte de radioisótopos é suficiente para alimentar a iluminação LED, uma variedade de sensores e sistemas de controle e organizar a energia de backup com ela. O que não é uma opção para o fornecimento de energia individual das casas que não permanecerão sem eletricidade, mesmo em caso de desastre natural?
As propriedades de tantos isótopos foram estudadas, mas havia muito poucos elementos adequados para RTGs: os requisitos para fontes de energia eram muito rigorosos. Por exemplo, o plutônio-238, que é quase seguro devido à baixa radiação beta e gama usada em naves espaciais e marca-passos, emite cerca de 0,54 W de calor por 1 grama de matéria e sua meia-vida é de 88 anos. Ao longo do ano, o RTG no plutônio-238 perderá 0,78% da capacidade inicial. Uma fonte de plutônio vai durar muito tempo, mas para obter algumas centenas de watts você precisa carregar alguns quilos da substância.
Mas observe o polônio-210, este é realmente um “fogão” - até 140 watts de calor por grama, 2.000 vezes mais plutônio! Sim, aqui está o problema, a meia-vida do polônio é de apenas 138 dias. Você não pode voar longe com esse RTG.
Projeto típico de um RTG moderno: núcleo isotópico, muitos pares de condutores geradores termoelétricos e um radiador obrigatório no corpo que remove o excesso de calor. Fonte: NASA / Wikimedia
Meio século se passou entre a descoberta de Henry Moseley e o surgimento de RTGs - eles receberam o início da vida de reatores nucleares, onde foi possível produzir isótopos em grandes volumes. O trabalho em RTGs começou na década de 1960, quando o SNAP-1 (Sistemas de Energia Auxiliar Nuclear) foi criado nos EUA. O SNAP-1 era um “motor a vapor” em cério-144, no qual mercúrio era usado em vez de água.
Após o SNAP-1, o SNAP-3 foi desenvolvido com um gerador termoelétrico plutônio-238. O dispositivo pesava cerca de 2 kg e produzia 2,5 watts de potência. O SNAP-3 alimentou os satélites de navegação Transit American, os antecessores do GPS.
A experiência bem-sucedida do SNAP-3 marcou o início da era das fontes de energia por radioisótopos em naves espaciais, que exigem "baterias" compactas, de longa duração e sem manutenção. E sim, na série SNAP não havia apenas geradores termoelétricos, mas também reatores nucleares de pleno direito, que mencionamos acima.
Até agora, o uso de RTGs na indústria espacial é a única solução para o problema de energia para pequenas sondas interplanetárias. A eficiência dos painéis solares diminui com a distância do sol. A NASA explicou claramente esse problema na ilustração.
Os RTGs encontraram seu lugar na sonda Voyager (160 W) que já foi além do sistema solar, nas estações interplanetárias Cassini, New Horizons e Galileo (300 W), no rover Curiosity (110 W) e até na sonda Apollo (73 W). ) Além disso, essas fontes não apenas fornecem energia, mas também aquecem os eletrônicos - 90% da energia térmica é aplicada em radiadores.
Um cilindro cinza com oito “asas” no centro da foto - RTAP SNAP-27, emitindo 75 watts a 30 V DC, foi usado na lua durante a missão Apollo 14. Fonte: NASA, Alan Shepard / Wikimedia
No entanto, mesmo no espaço, os RTGs raramente são usados. A perspectiva de um acidente envolvendo uma fonte de radiação radioativa que foi para o espaço exterior não preocupa, em geral, a população do nosso planeta, mas é muito pior se ocorrer um incômodo na Terra, por exemplo, pelas ações das mãos problemáticas de alguém. E ninguém cancelou lançamentos de mísseis sem sucesso. Assim, em 1964, o satélite American Transit-5B com o RTG SNAP-9A entrou em colapso no lançamento, espalhando quase um quilograma de plutônio-238 na atmosfera. Em 1968, novamente, o satélite meteorológico americano Nimbus B-1 com SNAP-19B2 não infectou o oceano em que caiu, apenas graças a um design de cápsula aprimorado com 1 kg de plutônio-238. Finalmente, o grande aparelho de pesquisa russo Mars-96 em 1996 deixou a órbita e enterrou 270 gramas de plutônio-238 no fundo do Oceano Pacífico.
Uma cápsula de aço com o isótopo plutônio-238 para o balão meteorológico Nimbus B-1 e também está no fundo do oceano. Fonte: NASA
E agora a notícia perturbadora: os RTGs são usados não apenas no espaço, mas também em terra. No século 20, eles eram usados para alimentar boias marítimas e faróis desabitados em áreas remotas do planeta, por exemplo, no Ártico. Bóias e faróis gastos agora são coletados e descartados para evitar o vazamento de combustível nuclear. Às vezes, os casos de RTG são danificados durante a manutenção, transporte ou simplesmente durante a operação - 23 incidentes ocorreram no CEI nos últimos 36 anos. . - , — , . .
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