Таблица Х.9 Теплопроводность изоляционных материалов, используемых в термогенераторах отечественного производства [68]

Таблица Х.Ю

Свойства изоляционных материалов, применяемых в изотопных генер а торах, изготовленных в США [42]

Таблица Х.П Среднегодовые допустимые концентрации а- и -излучений [41]

при попадании радиоактивных веществ внутрь организма, так и при облучении (табл. Х.П).

Проникающее излучение уменьшают до требуемых норм защитными экранами. Мощность дозы излучения не должна превышать 200 мР/ч на поверхности и 3 мР/ч на расстоянии 1 м от центра объекта [42]. Элементы электронных схем и электронное оборудование не

Таблица X.I2 Радиационная стойкость компонентов электроники [42]

Таблица X.I3

Радиационная стойкость ыек-тронного оборудования [42]

должны подвергаться облучению в дозах, больших, чем приведенные в табл. Х.12 и Х.13.

Как известно, существуют четыре типа ядерного излучения, опасного для человека и разрушительного для оборудования: Y-кванты, нейтронное излучение, Р-и а-частицы. Этн излучения при распаде изотопов сопровождаются

дополнительным излучением (тормозным, рентгеновским и др.), которое необходимо учитывать при конструировании защитных оболочек. Наилучшими материалами для защиты от V-квантов являются свинец, вольфрам и обедненный уран, от нейтронного излучения - водородсодержащие соединения, бериллий и другие материалы с малыми атомными массами. На рис. Х.29, Х.ЗО приведены толщины свинцовой защиты от [5- и а-частиц, обеспечивающие мощность дозы на расстоянии 1 м от точечного источника не более 10 мбэр/ч. На рис. Х.31 приведена зависимость мощности доз излучения от тепловой мощности изотопного источника для расстояния 1 м от оси топливной ампулы с учетом самопоглощения в топливе и стенках ампулы. Из рис. Х.31, в частности, следует, что

изотопный генератор с топливом плутоний-238 практически ие требует защиты.

Иногда в космических генераторах используют теневую защиту, ограждающую наиболее чувствительные приборы от прямого излучения изотопного источника.

100 300 1000 3000 wBt

10 30 100 300 1000 3000 да Вт Р-излучения при раз-

Рис. Х.29. Толщина свинцовой защиты / для личных тепловых мощностях:

; Се; 2 - Sr; 3 - Cs [42].

Рис. Х.ЗО. Толщина свинцовой защиты / для а-излучения при различных тепловых мощностях:

; J Th; 2 - U; 5 - Cm (7 + нейтроны деления); 4 - Pu; 5 - Ро il+ нейтроны деления) [42].

Корпус генератора. Его назначение - передача тепла в окружающее пространство от термобатареи, обеспечение герметичности при заполнении генератора инертным газом, защита внутренних элементов от механического и химического воздействий внешней среды. Для наземных и космических вариантов корпус генератора

Рис. Х.31. Зависимость мощности доз излучения Wg от тепловой мощности:

Sr (тормозное излучение); 2.- Cm (нейтронное излучение); 3 - Cm (т-излученне); 4- Ри (нейтронное излучение); 5 - Рн (-излучение) (1 бэр/ч = 2,56.10 быстрых нейтронов/ см.ч, I б9р/ч= 1 ф9р/ч для 7-квантов, 10 б9р/ч=1 ф9р/ч для нейтронов) [42].

обычно-изготовляется из легких сплавов. Наружная поверхность покрывается материалами, обеспечивающими эффективный тепло-отвод и химическую стойкость. Корпус глубоководных генераторов

8 10 12 дакВт

изготовляется из специальных материалов, выдерживающих необходимое гидростатическое давление.

Температура корпуса, рассеивающего тепло, определяется обычным путем с учетом характера теплообмена с окружающей средой (вода, воздух, вакуум). Тепловой поток, отводимый от поверхнгсти генератора (плотность потока обычно не превышает 1000-3000 Вт/м ) [721, не вызывает больших перегревов в наземных условиях или воде. Более сложным является теплоотвод в вакууме; отводимая мощность определяется по формуле

Qj. = e as(r*-7t),

(Х.П)

где 8д - излучательная способность поверхности оболочки, s - эффективная площадь излучающей поверхности, - температура излучающей поверхности, - температура окружающей среды. Значения для некоторых материалов приведены на рис.

0,2 О

400 600 800 1000 1200 1400 1600 №00 ТК

Рис Х.32. Излучательные способности различных материалов для покрытия излучателей:

/ - черненая 9маль; 2 - AljO,; 3 - ZrO,; 4 - ZrSiO,; 5 - MgO; 6 - анодированный алюминий [42].

Х.32. При использовании оребрения в формуле Х.П s - площадь призматической поверхности, рассчитанная для высоты h, уменьшенной до эффективной высоты ft = hm, где

Y = (/ + e)/.]/

ребреб

(Х.12)

реб ~ коэффициент теплопроводности материала ребра, Spg - площадь его поперечного сечения, а - коэффициент теплообмена, I - длина ребра, б - цолутодщина ребра у его основания [42].

Регулирование мощности. Распад изотопного топлива приводит к экспоненциальному уменьшению его мощности со временем (рис. X. 33), а следовательно, и к уменьшению перепада температуры в термо(Затарее, которое, в свою очередь, приводит к уменьшению электрического напряжения и мощности. Для стабилизации напряжения и мощности на заданном уровне используются электрические и тепловые регуляторы. Первыми в начальные периоды поглощается избыточная электрическая

Рис. Х.ЗЗ. Зависимость мощности изотопных источников от времени t для различных топ лив:

/ .<pu; 2 - *Ст; 3 - Рт; 4 - Се; 5 - Ст; 6 - Ро [50].

мощность, вторыми отводится часть тепловой мощности в окружающую среду, минуя термобатарею.

На рис. Х.34 приведена схема одного из механических вариантов регуляторов теплоотвода. Резервуар с жидким металлом укреплен на тепловом блоке и имеет тепловой контакт с топливной ампулой. Изменение температуры ампулы приводит к расширению или сокращению сильфона и через рычажные механизмы - к перемещению

400 /сут

Рис. Х.34. Схема устройства для регулирования мощности изотопного генератора:

; - топливо; 2 - защита; 3 - вакуум; 4 - основной излучатель; 5, 10 - изоляция; 6 - термоэлементы; 7 - электронзоляция; 8 - резервуар с NaK-78; 9 - приводной механизм; -заслонки терморегулятора; /2 - корпус генератора; 13 - вспомогательный излучатель [42].

Рнс. Х.35. Схема устройства для регулирования мощности изотопного источника тепла с использованием меняющегося основания излучателя: I / - вспомогательный излучатель; 2 - испаряющийся материал; 3 - изотопное топливо; 4 - основной излучатель; 5 - термобатарея; 6 - топливный блок; 7 - каркас низкой теплопроводности [42].

заслонок, которыми регулируется теплообмен вспомогательного излучателя с окружающей средой. В начальные периоды работы излучатель полностью открыт и рассеивает в окружающее пространство часть тепловой энергии. По мере падения мощности заслонки закрываются, теплоотвод уменьшается, сохраняя, таким образом, постоянный тепловой поток через термобатарею.

На рис. Х.35 приведена схема более простого устройства, в котором использован сублимирующий материал, переносящий тепло от топливной камеры к вспомогательному излучателю. Со временем испарение в вакууме (космическом пространстве) приводит к уменьшению количества этого материала, его тепловое сопротивление растет и, соответственно, убывает количество тепла, переносимого к вспомогательному излучателю. Для регулирования может быть использован и газ, частично шунтирующий тепловой поток через термобатарею. Постепенное стравливание газа в космос уменьшает теплоотвод и компенсирует изменение мощности источника тепла.

Компенсация достигается и закорачиванием части элементов термобатареи. При этом эффектом Пельтье поглощается избыточное тепловыделение в начале работы генератора.

Могут быть использованы и стабилизирующие покрытия на охлаждающих оребрениях, имеющие в начальные периоды работы высокую излучательиую способность. В генераторах, где использованы изотопы с большими периодами полураспада (плутоний-238, кюрий-244, стронций-90), необходимость в системах регулирования мощности невелика.

3. Наземные генераторы

В СССР в первых вариантах изотопных генераторов применены ?1Ро и *Се. В генераторе с iPo размер топливного блока 60 X X 60 X 13 мм, тепловая мощность 320 Вт; использованы 8 термоэлементов из Ge-Si длиной 3 см [63]. Сведения о наземных изотопных генераторах приведены в табл. Х.14.

Для электропитания радиометеорологических станций и. для других целей разработаны генераторы серии Бета . Первый из них - Бета-1 - на топливе молибдат церия с вольфрамовой цилиндрической ампулой диаметром 100 мм, толщиной стенок 20 мм и днища 40 мм. Тепловая мощность блока 135 Вт. Использованы термоэлементы размерами 5 X 5 X 20 мм из тройных сплавов на основе висмута, сурьмы, селена, теллура. Количество термоэлементов 97. Коммутация произведена мягкими припоями. Рабочая температура горячего спая 180° С, холодного 27° С. Постоянная тепловая мощность, подводимая к термобатарее, регулировалась системой подвижных экранов и редукторов. В конструкции генератора использован внешний кожух с развитой поверхностью охлаждения из 64 прямоугольных ребер, позволяющий поддерживать температуру холодных спаев термобатареи близкой к температуре окружающей среды. Масса генератора с рабочим контейнером 400 кг, с транспортным -,1200 кг; габаритные размеры - диаметр 690 мм, высота 508 мм [67].

Генератор Бета-2 по конструкции аналогичен Бета-1 . Здесь использовано изотопное горючее стронций-90, позволившее увеличить тепловую мощность до 148 Вт. Температура горячих спаев увеличена до 250° С. Масса генератора без защиты 150 кг, масса