Mniej typowe zastosowania energii jądrowej

Energia jądrowa może być wykorzystana w bardzo niewielkich urządzeniach, jak baterie elektryczne. Do prowadzenia badań planet i przestrzeni kosmicznej potrzebne są wydajne i długożyciowe baterie (także tzw. rozruszniki serca, z których korzystają ludzie z poważnymi wadami serca, są zasilane właśnie z tego typu baterii). W tym celu już od roku 1961 budowane są promieniotwórcze układy zasilania. Istnieją dwa rodzaje takich układów: promieniotwórcze generatory termoelektryczne, w których ciepło rozpadu promieniotwórczego np. ²³⁸Pu (0,56 W/g) ogrzewa złącze półprzewodnikowe typu p-n (termoparę) oraz termojonowe promieniotwórcze generatory mocy, w których ciepło z rozpadu promieniotwórczego wykorzystywane jest do wytworzenia różnicy potencjałów pomiędzy metalicznymi elektrodami. Ponadto buduje się małe reaktory jądrowe z konwerterami termoelektrycznymi lub termojonowymi, które wykorzystuje się do różnych celów w statkach kosmicznych, np. do napędu tych statków.

Więcej o:

• generatorach termoelektrycznych i termojonowych

Jeszcze więcej informacji można znaleźć pod adresem: www.uic.com.au.

Wykorzystanie paliwa jądrowego w reaktorach jądrowych pozwala na uzyskanie energii około 1000 milionów razy większej niż energia, którą można uzyskać w drodze reakcji  równoważnej ilości reagentów chemicznych. Jak dotąd wymyślono dwa systemy napędu korzystające z energii jądrowej. Pierwszy z nich, o skrócie NTR (od ang. Nuclear Thermal Rockets), polega na podgrzaniu wodoru, zgromadzonego w niskiej temperaturze w fazie ciekłej. Gazowy wodór o temperaturze około 2500 stopni Celsjusza jest wyrzucany przez dyszę, dając w ten sposób napęd rakiecie. W drugim systemie, napędzie jądrowo-elektrycznym NEP (od ang. Nuclear-Electric Propulsion), przekształca się energię jądrową w elektryczną, a następnie używa się tej ostatniej do zasilania układu elektromagnetycznego przyspieszającego jony do wielkich prędkości. Jony te podczas przejścia przez neutralizator w dyszy wytwarzają strugę atomów elektrycznie obojętnych, która opuszczając rakietę daje jej potrzebną siłę ciągu.  Napęd tego rodzaju był wielokrotnie używany szczególnie w radzieckich misjach orbitalnych. Z całą pewnością, zwłaszcza w długotrwałych misjach orbitalnych, napęd jądrowy ma przewagę nad chemicznym.

Więcej informacji na ten temat można znaleźć pod adresem: www.astrodigital.org.

Wykorzystywanie energii jądrowej do napędów łodzi podwodnych i samolotów było rozpatrywane niemal od początku historii tej energii. Niebezpieczeństwa związane z wykorzystaniem energii jądrowej na pokładzie samolotów nie pozwoliły jednak na rzeczywisty rozwój tej idei ani w cywilnym lotnictwie, ani w wojskowym, choć, jak widzieliśmy, została ona z sukcesem rozwinięta i wciąż jest rozwijana do napędzania statków kosmicznych. Energia jądrowa jest także wykorzystywana z wielkim sukcesem do napędów okrętów wojskowych i cywilnych. Pierwsza amerykańska łódź podwodna o napędzie atomowym, "Nautilus", której konstrukcję rozpoczęto w 1946 roku, a którą spuszczono na wodę w roku 1954, była pierwszym okrętem, który dotarł do Bieguna Północnego pod powłoką lodową Arktyki 23 lipca 1958. Lodołamacz o napędzie atomowym, "Arktyka", zbudowany w Związku Radzieckim, był z kolei pierwszym statkiem, który dopłynął do Bieguna Północnego w dniu 17 sierpnia 1977 r. Stany Zjednoczone budowały też lotniskowce o napędzie atomowym. Pierwszy z nich, "USS Enterprise", został zwodowany w roku 1960. Pierwszy transportowiec zaś, "NS Savannah" został zwodowany w USA w roku 1959. Japonia zwodowała swój pierwszy statek handlowy "Mutsu" w roku 1962.

Reaktory wykorzystywane na morzu są reaktorami typu PWR. Wszystkie rosyjskie łodzie podwodne oraz statki są wyposażone w dwa reaktory - muszą mieć one zatem możliwie małe rozmiary. W początkowej fazie rozwoju wzbogacenie wykorzystywanego w nich uranu przekraczało 90%. Obecnie jednak wzbogacenie w rdzeniach reaktorów amerykańskich zmniejszyło się do około 20-25%, a w rosyjskich do około 50%.

Lotniskowiec USS Dwight D.Eisenhower o napędzie atomowym
[dzięki uprzejmości http:\\www.radiationworks.com\nuclearships.htm]

Jedna z idei wykorzystania energii jądrowej do napędu samolotu. Piloci w tym projekcie mieli znajdować się w ogonie samolotu w kabinie, która w razie konieczności oddzielałaby się od reszty
[dzięki uprzejmości http:\\www.radiationworks.com\flyingreactor.htm]

W pierwszej chwili wydaje się rzeczą naturalną chęć wykorzystania energii jądrowej do napędów samochodów. Należy jednak pamiętać, że taki napęd - w istocie mały reaktor jądrowy - wytwarzałby neutrony, które są silnie przenikliwymi cząstkami promieniowania jonizującego. Promieniowanie to byłoby szkodliwe już nie tylko dla pasażerów samochodu, ale nawet dla ludzi przechodzących w pobliżu. Aby nie narażać szofera i pasażerów na promieniowanie neutronowe należałoby reaktor otoczyć masywną osłoną biologiczną o dużych rozmiarach - konstrukcja, która słabo przystaje do naszego wyobrażenia o samochodach pasażerskich. Nawet jednak gdyby się nam udało zbudować bezpieczny samochód, który korzystałby np. z wydajnych konwerterów termoelektrycznych, mielibyśmy problem ze zużytymi źródłami promieniotwórczymi.

Więcej na ten temat można znaleźć pod adresem: http:\\www.uic.com.au.\nip73.htm .

Energia jądrowa jest już wykorzystywana do odsalania wody, co jest problemem niezwykle istotnym dla znacznych obszarów Świata cierpiących na brak wody pitnej. Jest to szczególnie ważne w Azji i Afryce Północnej. Reaktory mogą dodatkowo wytwarzać energię elektryczną, tj. działać jako małe elektrownie jądrowe. Przykładem reaktora jądrowego wytwarzającego zarówno energię elektryczną, jak i energię potrzebną do odsalania wody, jest reaktor BN-350 na neutronach prędkich w Aktau, Kazachstan. Takie państwa, jak Japonia, Rosja i Kanada mają już spore doświadczenia w zastosowaniu reaktorów do odsalania wody, a Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej także silnie promuje tego typu zastosowania energii jądrowej. Pomysł polega na wykorzystaniu elektrowni jądrowych do zasilania sieci energetycznych w okresie najwyższego zapotrzebowania, a gdy się ono zmniejsza, wykorzystania energii elektrycznej do odsalania wody. Projekty tego typu są rozwijane obecnie w Indiach, Chinach, Pakistanie, Tunezji, Maroku, Egipcie, Algerii, Iranie, Korei Południowej, Indonezji i Argentynie.

Więcej na ten temat można znaleźć pod adresem: http:\\www.uic.com.au\nip74.htm

Z dwóch napędów, rozpatrywanych z punktu widzenia misji kosmicznych, napęd jądrowy jest znacznie bardziej pewny w działaniu i tańszy. Porównując je należy brać pod uwagę działanie rakiety lub statku kosmicznego. Podobnie, jak w wypadku samochodów, kiedy to interesujemy się zużyciem paliwa na 100 km, w wypadku rakiet pytamy się o wartość tzw. pędu właściwego (I_sp).  Wielkość ta zdefiniowana jest jako stosunek siły odrzutu do tempa zużywania paliwa napędowego. Jest ona równa w istocie v/g, gdzie g=9,81 m/s², a v -  oznacza prędkość wyrzucanych gazów. By zminimalizować wymagania co do napędu, potrzebna jest stosunkowa duża wartość pędu właściwego. Innym ważnym parametrem jest stosunek siły ciągu do ciężaru (T/W). Aby przezwyciężyć pole grawitacyjne Ziemi, stosunek ten powinien wynosić 50-75.

W rakietach o napędzie chemicznym maksymalna wartość I_sp wynosi 400-500 s i jest ograniczona przez fakt, iż źródło energii i paliwo napędu są z tego samego materiału. Z tego względu większość rakiet wysyłanych na orbity ziemskie jest rakietami wieloczłonowymi: masa struktur najniższego członu jest odrzucana w chwili wyczerpania się paliwa. W układzie z jądrowym napędem źródło energii (reakcja rozszczepienia) i paliwo (np. wodór) są od siebie niezależne. Podczas gdy system NTR pozwala na osiągnięcie wartości I_sp nawet do 1000 s, wartości jeszcze większe są osiągane w systemach NEP. Niestety te większe wartości otrzymuje się kosztem zmniejszenia stosunku T/W, tak więc NEP nie jest dobrym systemem, jeśli potrzeba dużych przyspieszeń. Jest on jednak szczególnie dobry w długoczasowych misjach cargo do odległych planet, jako że może pracować przez znacznie dłuższy czas niż układy chemiczne czy NTR.

W typowej termoparze wykorzystuje się tzw. efekt Seebecka, tj. powstawanie napięcia na złączu dwóch różnych metali, które znajduje się w temperaturze innej niż końce przewodów.

Natężenia prądów wytwarzanych w ten sposób są bardzo małe, rzędu miliamperów. Technika półprzewodnikowa oferuje jednak materiały, które mogą być użyte do produkcji użytecznej energii. Jeśli podgrzeje się złącze półprzewodnikowe wykonane z półprzewodników typu n i p, prąd elektryczny popłynie przez oba półprzewodniki w kierunku zimnych końców połączonych odbiornikiem. Oznacza to, że w obwodzie elektrycznym popłynie prąd. Takie urządzenie może wytwarzać prąd o natężeniu rzędu dziesiątków amperów, płynący pod małym napięciem (ułamka wolta). Łącząc kilka ogniw można stworzyć "stos" - termoogniwo ogrzewane ciepłem z rozpadu jąder promieniotwórczych. Moc wytwarzana w większej mocy generatorach termoelektrycznych może osiągać kilkaset watów, tak więc generatory tego typu były i są używane w różnych misjach satelitarnych. Pierwotne ciepło bierze się na ogół z rozpadu ²³⁸Pu.

Schemat konwertera termoelektrycznego

W wypadku konwertera termojonowego ogrzewanie katody pozwala elektronom pokonać tzw. pracę wyjścia i opuścić powierzchnię katody.

Schemat ogniwa termojonowego