Способ преобразования энергии излучения радиоактивных отходов в электрическую энергию

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для получения электрической энергии из энергии излучения радионуклидов. Способ преобразования энергии радиоактивных излучений в электрическую энергию включает размещение фотоэлектрических преобразователей вблизи источника радиоактивного излучения. Между источником радиоактивного излучения и фотоэлектрическими преобразователями размещают рабочую газовую среду в виде смеси Ar-N₂ под давлением 1-5 атм. Смесь излучает преимущественно в диапазонах длин волн 350-410 и 750-1050 нм на переходах С→В и В→А молекулы азота N₂ соответственно. Изобретение позволяет повысить КПД преобразования ядерной энергии в оптическое излучение и уменьшить вредное воздействие излучения на полупроводниковые фотоэлементы. 1 ил.

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для создания технологии получения электрической энергии из энергии излучения радионуклидов, преимущественно для утилизации отработанного топлива ядерных реакторов и иных материалов, так называемых радиоактивных отходов.

В современных условиях растущего энергопотребления, по-видимому, трудно найти альтернативу дальнейшему развитию ядерной энергетики. Атомная энергетика позволяет повысить уровень энергетической безопасности, сберегает органическое сырье и стабилизирует электроэнергетику в целом, позволяет уменьшить выбросы парниковых газов.

Отрицательной стороной ядерной энергетики является накопленное количество отработанного топлива ядерных реакторов. В настоящее время газообразные и жидкие радиоактивные отходы, очищенные от высокоактивных примесей, сбрасывают в атмосферу или водоемы. Высокоактивные жидкие радиоактивные отходы хранят в виде солевых концентратов в специальных резервуарах в поверхностных слоях земли, выше уровня грунтовых вод. Твердые радиоактивные отходы захораниваются в стальных или иных контейнерах в подземных выработках, соляных пластах, на дне океанов.

Из уровня техники известно, что с помощью полупроводниковых элементов энергию радиоактивных излучений можно преобразовать в электрическую энергию (GB 1356341, опубл. 1974 г.) /1/. Радиоактивное излучение, попадая на полупроводниковый элемент, индуцирует в нем ЭДС, которая при присоединении элемента к нагрузке приводит к возникновению в цепи электрического тока.

Практическое использование этого решения предложено в известном способе превращения энергии радиоактивного излучения в электрическую энергию (RU 2130657, опубл. 1999 г.) /2/ и заключается в том, что батареи из полупроводниковых фотоэлементов размещают на понтонах, расположенных на поверхностях загрязненных радионуклидами озер, рек, морей, океана, либо на поверхности загрязненного радионуклидами грунта, либо на поверхности зданий, сооружений, транспорта при загрязнении радионуклидами атмосферы. Как видно из описания к патенту /2/, преимущественное назначение известного способа состоит в защите атмосферы от радиоактивного излучения. При этом полупроводниковые фотоэлементы, подвергаясь воздействию излучения, быстро выходят из строя и требуют замены.

Задача настоящего изобретения заключается в создании эффективной технологии утилизации отработанного топлива или радиоактивных отходов ядерных реакторов с уменьшенным вредным воздействием излучения на полупроводниковые фотоэлементы.

Для решения поставленной задачи способ преобразования энергии радиоактивных излучений в электрическую энергию включает размещение фотоэлектрических преобразователей вблизи источника радиоактивного излучения, при этом между источниками радиоактивного излучения и фотоэлектрическими преобразователями размещают рабочую газовую среду, представляющую собой смесь Ar-N₂, находящуюся под давлением 1-5 атм и излучающую преимущественно в диапазонах длин волн 350-410 и 750-1050 нм на переходах С→В и В→А молекулы азота N₂ соответственно.

Предпосылки для решения поставленной задачи следующие. Поскольку радиация является жестким излучением, ее можно использовать как источник энергии в ядерно-оптических преобразователях (ЯОП) с дальнейшей конверсией оптического излучения в электроэнергию с помощью фотоэлектрических преобразователей. При этом сами отходы не требуют специальной переработки и выдержки во временных хранилищах. А электричество с помощью фотоэлементов может вырабатываться в постоянном режиме в течение многих лет практически без смены источника излучения, если уровень остаточной радиоактивности и период полураспада достаточно высоки.

Активная среда в ЯОП, обычно являющаяся специально подобранной по составу и давлению газовой смесью, возбуждается жестким излучением. Жестким принято называть такое корпускулярное или электромагнитное излучение, которое ионизует и возбуждает газ, но слабо взаимодействует непосредственно с электронами образовавшейся плазмы. Роль такого излучения могут играть электронные и ионные пучки, продукты ядерных реакций, потоки коротковолновых фотонов (вплоть до γ-квантов, получаемых в ядерном взрыве). "Жесткие частицы" (электроны, ионы, фотоны) ионизуют атомы и молекулы газовой смеси, создавая неравновесную плазму с повышенной степенью ионизации.

При возбуждении жестким ионизатором газов последовательность процессов следующая: быстрая заряженная частица или коротковолновый фотон ионизуют газ; образовавшиеся низкоэнергетичные электроны плазмы формируют в столкновениях максвелловское распределение и рекомбинируют. Такая плазма называется рекомбинационно-неравновесной или переохлажденной (Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б, T.XI-4 "Газовые и плазменные лазеры". Под ред. С.И.Яковленко. М.: Физматлит, 2005 г.).

Основным источником проникающей радиации отработанного топлива ядерных реакторов является γ-излучение Cs¹³⁷ (период полураспада 30 лет) с энергией Е_γ=662 кэВ и задача создания источника энергии на основе ЯОП сведена к поиску радиолитически и термически устойчивой, а также химически инертной среды с достаточно высоким КПД преобразования ядерной энергии в оптическое излучение в удобном для фотоэлектрических преобразований диапазоне спектра. В результате в качестве рабочей газовой среды предлагается смесь Ar-N₂ при давлении 1-5 атм, излучающая преимущественно в диапазонах длин волн 350-410 и 750-1050 нм на переходах С→В и В→А молекулы азота N₂ соответственно.

Обозначение «С→В и В→А переходы» является общепринятым для указанной молекулы (табл.7.2, справочник А.А.Радциг, Б.М.Смирнов. Справочник по атомной и молекулярной физике. М., Атомиздат, 1980 г.), но при необходимости для большей степени его возможно идентифицировать и следующим

образом: С ³П_u → В ³П_g и В ³П_g → А ³Σ⁺ _u.

Смесь Ar-N₂, находящаяся под давлением 1-5 атм, обуславливает направление релаксационных потоков энергии в определенном направлении, а точнее резонансную передачу большей части энергии от метастабильных атомов аргона Ar*, которые образуются, главным образом, в результате прямого возбуждения электронным ударом вторичных электронов или диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов Ar₂ ⁺, на электронно-возбужденное состояние азота С ³П_u. В результате последующего радиационного каскада C ³П_u → B ³П_g → А ³Σ⁺ _u происходит широкополосное излучение в диапазонах длин волн 350-410 и 750-1050 нм на соответствующих электронно-колебательно-вращательных переходах, которое приводит к наилучшему совпадению спектра оптического излучения и спектра поглощения фотоэлектрического преобразователя, обуславливая возможность использования фотоэлектрических преобразователей.

Под воздействием излучения в этой газовой смеси происходит наработка электронно-возбужденных атомов и молекул. Оптическое излучение возбужденных молекул попадает на вход фотоэлектрических преобразователей, что приводит к возникновению электрической энергии на их выходе. Состав и давление газовой смеси подобраны экспериментально, исходя из максимального совпадения спектра оптического излучения возбужденных молекул и спектра поглощения фотоэлектрического преобразователя. Соотношение пропорций компонентов газовой смеси Ar-N₂ определяется конструкцией установки, давлением и чистотой используемой смеси, а потому является предметом НИОКР при создании конструкции конкретной установки и будет примерно следующим: [Ar]:[N₂]≈10:1.

Новый технический результат, который может быть достигнут при реализации заявленного способа, заключается в повышении КПД преобразования ядерной энергии в оптическое излучение и уменьшении вредного воздействия излучения на полупроводниковые фотоэлементы.

Заявленный способ может быть реализован с помощью изображенного на чертеже устройства, выполненного в виде контейнера. Фотоэлектрические преобразователи 1 размещены вблизи радиоактивного источника γ-излучения - радиоактивных отходов 2. Между источником излучения - радиоактивными отходами и фотоэлектрическими преобразователями - размещена рабочая газовая среда - смесь Ar-N₂, находящаяся под давлением 1-5 атм и излучающая преимущественно в диапазонах длин волн 350-410 и 750-1050 нм на переходах С→В и В→А молекулы азота N₂ соответственно. Радиоактивные отходы могут быть размещены внутри емкости с оптически активной средой.

Ожидаемая удельная электрическая мощность энергосъема с отработанного топлива составляет w=1 Вт/кг, а полная постоянная электрическая мощность одной сборки радиусом 40 м из 200 контейнеров диаметром 0.5 м и высотой 3 м - Р=1 МВт. При этом получение электрической энергии не зависит от местоположения источника γ-излучения, а воздействие вредного излучения на полупроводниковые структуры уменьшено.

Способ преобразования энергии радиоактивных излучений в электрическую энергию, включающий размещение фотоэлектрических преобразователей вблизи источника радиоактивного излучения, отличающийся тем, что между источником радиоактивного излучения и фотоэлектрическими преобразователями размещают рабочую газовую среду, представляющую собой смесь Ar-N₂, находящуюся под давлением 1-5 атм и излучающую преимущественно в диапазонах длин волн 350-410 и 750-1050 нм на переходах С→В и В→А молекулы азота N₂ соответственно.