当时他们认为，20世纪中叶的放射性同位素似乎几乎是无穷无尽的廉价电力来源-反应堆即将运抵飞机，汽车甚至房屋。 但这仅在辐射的世界中发生。 为什么核能陷入僵局，我们会赶上它的落日吗？ 在本文中，我们谈论了使和平原子更接近人们的尝试，但未成功-我们继续撰写有关能源的一系列文章。
一个和平的原子在不减少全球能源生产的情况下，可以在减少二氧化碳排放方面发挥非常重要的作用。 但是没有玩。
切尔诺贝利灾难后，人们对核电站的热情减弱了，没有人喜欢整个地区发生不太可能但可能受到放射性污染的前景。 福岛核灾难只是加速了欧洲放弃核能。 在欧盟，从边界到边界，粗略地说，“手头”的任何核燃料泄漏都将一次覆盖多个国家。
在意大利，最后一座核电站建于1990年。 自2000年以来，德国开始系统地放弃核电，福岛核事故后，该国17个反应堆中的8个立即关闭。 比利时将在2025年之前关闭所有七个反应堆。 瑞士将在2034年之前关闭反应堆。 美国，中东和亚洲国家不急于停止其核电站，甚至在建造新的核电站，但他们与它们一起积极开发绿色能源。 在2019年的德国，太阳，风，水和生物质能发电量超过了化石发电厂（包括核能，燃料）的发电量。
核能在国家中的份额。 十年后，欧洲的绿点将消失。 甚至中国也投资了3800亿美元建设风能和太阳能发电站。 资料来源：PRIS-国家统计/维基媒体
核电厂约占世界电力的10％，其份额正在缓慢下降。 对于可再生资源-20％，增长最大的是风能（10年为4.5倍）和太阳能发电站（10年为25倍）。 当然，埋葬核电站为时过早，但是谁知道未来20年我们仍在等待什么呢。 在1990年代后期，没有人会想到风车和太阳能电池板将在全球能源行业中至少占据重要地位。
在原子的黄金时代，科学家试图使这些技术更安全，更易获得和为人们所理解，但是许多未解决和未解决的问题掩盖了有希望的想法或将其应用范围缩小到最小。 这里有一些想法。
没有起飞的飞行反应堆
在1950年代，当尚未消除对核未来的浪漫幻想时，原子反应堆试图在任何可能的地方进行实验。 众所周知，美国科学家的主要客户和投资者是国防部，然后它准备为最疯狂的项目提供资金。
在上世纪50年代初期，已经有人在谈论关于与苏联不可避免的战争以及核战争。 当时，随着核武器的交付，出现了麻烦：火箭科学还处于起步阶段，战后第一批轰炸机根本没有时间在发生冲突时到达潜在敌人的领土。 有必要使军用飞机始终在空中，并尽可能靠近所称轰炸的地方。 因此，我们需要一种可以连续几天甚至几周不加油地工作的飞机发动机。
早在1946年，美国就开始了在飞机上安装核反应堆的计划。 两家最大的飞机发动机开发商通用电气和普惠公司介绍了冲压喷气发动机的选择。 它们的工作原理非常简单：使用常规燃料起飞后，进入进气口的空气进入反应堆，通过加热到1000°C以上的数千个通道，并在出口处产生反作用力。
直流核电通用电气HTRE-3。 资料来源：美国联邦政府/ Wikimedia
这个想法很棒：即使保守估计，只要机组人员有足够的食物和水，带有这种发动机的飞机也可能在空中飞行数周。 实际上，您可能已经猜到了一些问题。 首先，反应器产生了一个电离辐射回路，从而大大破坏了其飞越的区域。 像核电厂一样，借助双回路系统可以消除废气，但是随后发动机的效率急剧下降-飞机几乎没有有效载荷就无法携带自己。 其次，对机组人员的生物保护并不理想，熟练的军事飞行员，特别是战略轰炸机飞行员是一个黄金资源。 第三，这种飞机坠落在任何领土（敌人除外）将导致国际丑闻和环境灾难。 通常，他们将反应堆放在飞机上，但只能放在一个平面上-唯一的实验板是NB-36H（此材料的第一张照片），并且其上的发动机未连接到反应堆。
机组人员受到铅和橡胶结构的保护，该结构使飞机增加了11吨的重量，但仍无法完全屏蔽人员免受辐射的影响。 轰炸机上装有一个重16吨的1兆瓦水冷反应堆。 这架飞机飞行了215小时，其中有一个反应堆正在运转89个小时，仅在德克萨斯州和新墨西哥州的沙漠地区进行了测试。
1961年，肯尼迪总统的法令在两个超级大国之间的关系“解冻”之际放弃了原子弹的想法。 但这并不意味着美国完全放弃了飞机的核引擎计划。
35 MW通用电气HTRE-2和HTRE-3发动机现已在爱达荷州国家实验室停车场公开停放，并在那里进行了测试。 资料来源：Wtshymanski / Wikimedia
您可能会猜想，苏联存在类似的项目-在地球的两侧，军事事务的趋势都相似。 1955年，开始建立核航空发电厂的工作，由图波列夫和Myasishchev设计局研制的飞机。 为了进行测试，采用了一架有前途的战略性Tu-95M轰炸机（顺便说一句，它仍在服役）。 到1958年，在货舱中装有反应堆的Tu-95LAL飞机已经准备就绪。 1961年夏天，实验室飞机进行了34趟飞行。 与在美国项目中一样，应该使用传统的NK-12M涡轮螺旋桨发动机进行起飞，反应堆已经在高处连接。
与美国人不同的是，苏联工程师用聚乙烯和ceresin制成的隔板和碳化硼添加剂来保护船员，这种隔板比含铅的橡胶更有效，更轻。
该项目被命名为Tu-119，轰炸机本身通常是相当可行的。 但是在美国之后，苏联原子直升机的开发在1960年代初就停止了。 出于相同的原因，可能是：“解冻”，火箭科学的发展和崩溃的危险。 而且，当然是价格：将Tu-119投入批量生产需要花费10亿卢布。
Tu-119的解密方案清楚地显示了反应堆的位置。 资料来源：图波列夫设计局
1960年代标志着军事优先事项从轰炸机转向洲际导弹。 而且这里只是飞行反应堆会非常不合适-火箭中没有需要辐射防护，食物和水的人，火箭可以飞行数月，并且在适当的时候进行机动并从海洋的另一侧传递核问候。
冥王星计划于1957年在美国启动，目的是制造一种带有核弹头和原子反应堆作为发动机的导弹，类似于他们未能成功地安装在轰炸机上的导弹。
该产品被称为SLAM（超音速低空导弹，一种超音速低空火箭），可以在高达300米的高度以4200 km / h的速度飞行。 但是这个项目没有执行：即使从理论上讲，火箭也变得昂贵且“肮脏”（这是该项目的更多描述）。
此外，当该项目正式准备就绪时，常规的洲际导弹已经摆脱了儿童疾病的困扰。 他们证明更便宜，更安全，更易于使用。 新的时代似乎给我们带来了俄罗斯海燕，但是对它的审查不在本文的讨论范围之内。
我们补充说，如果在20世纪没有实现带有核引擎的导弹，那么卫星就可以了。 1965年，美国人将SNAP-10A的快照发射到近地轨道。 他应该在那里“下垂”一年，产生约500瓦的电能。 但是在飞行的第43天，机载稳压器发生故障，功率跃升至590 W，反应堆被关闭。 假定SNAP-10A将在接下来的4000年中作为空间碎片进入轨道，但到2008年，该装置已坍塌成许多直径小于10厘米的碎片。 他很可能与其他太空碎片相撞。
500W SNAP-10A空间反应堆 现在以碎片形式绕地球飞行的那只。 资料来源：美国能源部/ Wikimedia
自1970年以来，在苏联，低功率核电站已在航天器上成功使用。 特别是，他们总共向莱昂达系统的侦察卫星提供了三打。 但是即使在这里，一系列事件也终止了核反应堆的使用-至少在低地球轨道上如此。 所有这一切都是因为即使太空发生了问题，放射性碎片仍会飞向地球。 1978年，配备Buk核装置的苏联Cosmos-954卫星发生了令人不愉快的事件：在轨道工作一个月后，该航天器自发返回地球，塌陷在浓密的大气层中，慷慨地散布了124000平方米。 公里的加拿大北极地区30公斤铀235。 幸运的是，人口稀少的加拿大西北地区帮助避免了悲剧性后果。 搜索探险队收集了65公斤各种碎片，其中一些碎片在每小时200片X射线以下。
1983年，Cosmos-1402潜入印度洋的温暖水域。 尽管反应堆在大气中烧尽，但从沉积物中长期记录了铀235细分散的残留物。
当1988年的Cosmos-1900坠毁时，它被自动发送到埋葬轨道。 但是到那个时候，国际社会已经对在航天器中使用反应堆形成了非常强烈的偏见。
紧凑型飞行反应堆的替代品是放射性同位素热电发生器，正是他在实践中发现了更广泛的应用。 但也根本不是原子能发烧友所希望的。
放射性同位素热电发生器（RTG）
1912年，英国物理学家亨利·莫斯利（Henry Moseley）创建了第一个放射性同位素电源：在镀银壁玻璃烧瓶的中心，电极上安装了镭辐射源，发射出的β粒子在银和辐射之间产生电势差，从而导致电压出现在灯泡的电极上。
亨利·莫斯利（Henry Moseley）带着一个烧瓶来研究X射线。 不幸的是，第一次世界大战期间在加里波利战役中，狙击子弹切断了一位有前途的科学家和发明家的生命。 资料来源：纽约公共图书馆
在放射性衰变过程中，该物质加热，有时达到最高温度。 产生的热量RTG使用热电发电机转换为电能。
热电发电机是一种简单但非常有趣的东西。 两个世纪前的1821年，德国人托马斯·塞贝克（Thomas Seebeck）发现，由于两根导体之间存在温差，因此在热量从一根导体流向另一根导体时形成了电势差，从而产生了电能。 顺便说一下，这种现象的反作用是让·查尔斯·珀尔帖（Jean-Charles Peltier）在1834年发现的，它构成了珀尔帖元件上的处理器冷却器的基础，该冷却器在2000年代初期没有生产很长时间：如果让不同导体之间的电流流过，其中一个会变热，另一个会变热，相反，它将冷却。
热电发生器的结构非常简单易懂，因此，RTG的产生不是技术限制，而是没有所需数量的同位素。 资料来源：Wikimedia / Ken Braizer
如果可以很容易地从地球上充沛的热量（太阳能，水热能和石油热能）中获取电力，那么为什么在热电发电机上没有发电厂呢？ 温和地说，因为这种发电机的效率不是很高-大约是热功率的6-10％。 为了获得或多或少的便携式RTG功率，人们必须寻找具有高热量产生和长半衰期的放射性同位素。
另一方面，即使效率很低，您也可以生活和工作：放射性同位素源足以为LED照明，各种传感器和控制系统供电，并利用其组织备用电源。 对于即使在自然灾害中也不会断电而无法维持的房屋个人能源供应，没有什么选择呢？
研究了这么多同位素的性质，但适用于RTG的元素很少：对电源的要求太严格了。 例如，p238由于在航天器和起搏器中使用的低β和γ辐射而几乎是安全的，每克物质散发的热量约为0.54 W，其半衰期为88年。 在一年中，on 238上的RTG将失去启动能力的0.78％。 source源将持续很长时间，但要获得几百瓦的功率，您必须负载几千克的物质。
但是，看看po210，这是真正的“炉子”-每克热量高达140瓦，是p的2,000倍！ 是的，这就是问题所在，po的半衰期仅为138天。 这样的RTG不能让您飞得太远。
现代RTG的典型设计：同位素堆芯，多对热电生成导体以及人体上强制性的散热器，用于消除多余的热量。 资料来源：NASA / Wikimedia
在亨利·莫斯利（Henry Moseley）的发现与RTG的出现之间过去了半个世纪-核反应堆使它们开始了生命的发展，在那里可以大量生产同位素。 RTG的工作始于1960年代，当时在美国创建了SNAP-1（核辅助系统）。 SNAP-1相当是铈144上的“蒸汽机”，其中使用汞代替水。
继SNAP-1之后，SNAP-3用with238热电发生器开发。 该设备重约2千克，产生的功率为2.5瓦。 SNAP-3为Transit American导航卫星（GPS的前身）提供了动力。
SNAP-3的成功经验标志着航天器放射性同位素电源时代的开始，该航天器需要紧凑，可长期使用且无需维护的“电池”。 是的，在SNAP系列中，不仅有热电发电机，而且还有我们上面提到的成熟的核反应堆。
迄今为止，在航天工业中使用RTG是解决小型行星际探测器能量问题的唯一解决方案。 太阳能电池板的效率随着与太阳距离的增加而降低。 NASA已在插图中清楚地说明了此问题。
RTG在旅行者（160 W）航天器中找到了位置，该航天器已经超越了太阳系，卡西尼号，新视野号和伽利略星际站（300 W），好奇号漫游车（110 W）甚至在阿波罗登月计划航天器（73 W）中） 此外，此类能源不仅为电力供电，而且还为电子设备供热-90％的热能进入散热器。
在照片中央有一个带有八个“翼”的灰色圆柱体-RTAP SNAP-27，在30 V DC时发出75瓦功率，在阿波罗14号任务中被用于月球。 资料来源：NASA，Alan Shepard / Wikimedia
但是，即使在太空中，也很少使用RTG。 通常，涉及放射辐射源进入外层空间的事故的可能性与我们的星球无关，但是，如果地球上发生令人讨厌的事情（例如，由于某人的手部不适而引起的滋扰），情况就更糟了。 而且没有人取消不成功的导弹发射。 因此，1964年，装有RTG SNAP-9A的美国Transit-5B卫星在发射时坍塌，在大气中散布了近一公斤的238-。 再次在1968年，仅使用1千克-238改进的胶囊设计，带有SNAP-19B2的美国Nimbus B-1气象卫星才没有感染落入其的海洋。 最终，大型俄罗斯研究设备Mars-96于1996年离开轨道，并在太平洋底部埋藏了270克238 p。
用于Nimbus B-1气象气球的带有with 238同位素的钢囊，它也在海底。 资料来源：NASA
现在令人不安的消息是：RTG不仅在太空中使用，而且在陆地上使用。 在20世纪，它们被用于为地球偏远地区（例如北极地区）的海浮标和无人居住的灯塔提供动力。 现在收集破损的浮标和灯塔，并进行处理，以防止核燃料泄漏。 有时，RTG案例在维护，运输或仅在操作过程中被损坏-在过去的36年中，独联体发生了23起事件。
此外，其中一些电源盒被有色金属收集器破坏。用坚硬的α射线锯切RTG比用大锤拆卸高爆炸弹丸更危险-至少弹丸可能不会爆炸，但没有办法躲避铀或p的辐射。特别是如果破坏者呼吸铀尘。但是，如果RTG广泛可用怎么办？所以到“脏弹”并不遥远。放射性同位素的周转率受到其他方面的监管，因此，您不应该等待航天和“国防工业”以外的其他地方的控制削弱和RTG出现。放射性同位素电源变得“更贴近人”的唯一领域是起搏器电池。是的，在那里长期以来一直被锂离子电池取代。
用于起搏器的电池，可从中提取p238。资料来源：橡树岭联合大学
小型反应堆房反应堆
显然，从这样的放射性同位素来源，不可能以所有愿望为房屋供电。那你自己的反应堆又可以放在房子后面呢？当然，契约先生的奇迹 电影《回到未来2》的融合并未为我们做好准备。但是，在低功率核电厂（AFMM）领域取得了一些进步，但是，即使最有前途的项目仍处于非常不确定的状态。在紧凑型反应堆上建造小型核电站似乎是为偏远的小城镇供电的绝佳解决方案，在这些偏远的小城镇中没有绿色能源的机会，而且运输化石燃料的时间长且昂贵。我们采取了某种极极的解决方案，在这种解决方案中，连冷却池都无法组织，并在那里建立了一个微型的100 MW核电站-快速，方便，甚至廉价！出于这种想法，开发了许多ACMM项目。但是，在纸上看似简单且负担得起的东西却变得昂贵而复杂。东芝在能源领域的发展之一已成为低功率反应堆。该项目名为Toshiba 4S，是一个模块化免维护反应堆，容量为10至50 MW。 4S是Super-Safe，Small和Simple的缩写，即“超可靠，紧凑和简单”。该设备是一个30米的密封外壳，其内部有一个没有控制棒的反应堆堆芯。代替围绕堆芯周围的棒，安装了支持反应的中子反射板，并且在紧急情况下，停止链反应。
反射镜的工作原理。资料来源：东芝
缺少熟悉的杆并不是这些反应堆和大型反应堆之间的唯一区别。液体钠代替水用于冷却。这种金属不会沸腾，也不会增加反应器内部的压力，但同时在比水高200度的温度下仍能保持其特性-这仍然是安全的+1。钠由电磁泵泵送。 4S不需要冷却泵；在停机的情况下，它会通过壳体将热量排放到周围的冷土中。再一次，为了安全+1，由于停电造成的泵故障加剧了福岛事故，导致反应堆过热，堆芯熔化和核燃料泄漏。
示意图东芝4S。资料来源：东芝
但是，东芝4S的最重要优点是免维护。燃料在工厂装载，此后反应堆在同一加油站运行了大约30年。随着时间的流逝，它的功率不可避免地会下降，在第一次加油的生命周期结束时最多会下降一半。然后拆除反应堆，并在其位置安装新的反应堆。实际上，这不是浪费，而是巨大的节省。 VVER-1000反应堆一个燃料组件的价格根据生产国和合同而波动，价格在0.6-1百万美元之间波动，VVER中有163件，每块的使用寿命不超过4.5-5年。相比之下，整个东芝4S核电站的价格理论上应为25-30百万美元，建造一座高容量核电站的成本约为80亿美元，并且因国家和发电厂数量的不同而有很大差异。但是在这里，通过实际实施，情况甚至比RTG情况更糟。原本应该在加利纳市附近的阿拉斯加安装东芝4S反应堆，但在2010年该项目被冻结。在美国官僚溜冰场的无情攻击下，进展停止了。核电站是一件严肃的事情，如果不及时处理，它们将是极其危险的；您不必走得太远。因此，在美国，任何与核能相关的项目都必须通过核监管委员会（NRC）的最复杂的认证程序。要说这是一个漫长而又昂贵的过程，那就是低估了它的复杂性和成本。在NRC进行反应堆的认证需要提供大量的工作文件，对于未实现的项目，必须在合格的专家的协助下编写。它的容量很容易超过一万页，每页将花费很多钱。提交申请后，委员会将考虑...四年。我们记得核能是严重的。试图获得NRC证书以使通行证栩栩如生，这很容易花费2亿美元-这是一个非常可观的数额，只有在您完全确定自己的项目在商业上取得成功的情况下，这项支出才算是合理的。而且进展并不顺利。 “廉价”反应堆灭亡的平庸原因之一是其维护成本的低估。从理论上讲，一切看起来都很美，因为小型反应堆只需要几个人的监督。但是，您还需要人员来处理核电站的其余必不可少的要素，以及需要在安全方面投资多少钱！监管机构根本不允许在没有强大保护的情况下将像核电厂这样的诱人对象留给恐怖分子。一个人一个人，一个廉价核电站的工作人员在增加，随之而来的是发电成本也在增加，在某个时候，一个和平的原子输给了普通的柴油发动机。这是在阿拉斯加发生的事情，经过详细的计算，结果表明，由于较高的基本成本，一千瓦时的价格甚至比柴油发电厂的价格还要高。必须大大降低生产成本或显着提高产能。不幸的是，东芝4S并没有获得不合格的证书。向NRC提交的描述该反应堆的初步申请仍保留在Internet上。但是反应堆并没有被遗忘，TerraPower的主要投资者之一比尔·盖茨（Bill Gates）从事行波反应堆的开发，对此产生了兴趣。4S设计被用作未来发展的基础，很快世界将看到合作的结果。这将是美丽的...
从“绿色”能源的发展速度来看，核能将永远不会成为与房屋屋顶上的风车或太阳能电池板相同的日常现象。不要在家里看到我们的反应堆，而不是柴油发电机，不要拥有几乎没有尽头的电池的智能手机。这可能是最好的。几代人的经验表明，人类并不总是能够应付一个和平的原子。