METHOD FOR CONVERTING THE ENERGY OF IONIZING RADIATION FROM A RADIOACTIVELY CONTAMINATED AREA INTO ELECTRICITY BY RADIATION SHIELDS
Способ преобразования энергии ионизирующего излучения радиоактивно загрязненной местности в электроэнергию радиационно-защитными экранами

Изобретение относится к области энергетики, в частности к радиоизотопным источникам энергии, которые могут быть использованы в элементах радиационной защиты для электропитания технических средств, функционирующих в условиях воздействия высоких доз ионизирующего излучения.
Целью изобретения является создание условий для использования энергии полей ИИ, поглощенной защитными экранами (далее по тексту - экраны), для дополнительного (резервного) электропитания технических средств, применяемых в условиях радиоактивного загрязнения.
Одним из основных способов защиты от ионизирующего излучения является экранирование персонала и технических средств.
Ионизирующее излучение (ИИ) - это любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Различают:
- непосредственно ионизирующее излучение;
- косвенно ионизующее излучение.
Непосредственно ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении (альфа, бета-излучение и др.).
Косвенно ионизирующее излучение состоит из незаряженных частиц, взаимодействие которых со средой приводит к возникновению заряженных частиц, способных непосредственно вызвать ионизацию (нейтронное излучение, гамма-излучение и др.) [1].
Защитные экраны, как правило, используют для защиты персонала и технических средств от нейтронного и гамма-излучения, так как они обладают наибольшей проникающей способностью среди всех видов ИИ и представляют основную опасность [2, 3].
Носителями функциональных свойств радиационно-защитного материала, использующегося в экранах, являются: по отношению к гамма-излучению - элементы с атомными номерами не менее 47 (как правило, свинец и железо), по отношению к потоку тепловых нейтронов - ряд с атомными номерами 10-20, по отношению к потоку быстрых нейтронов - легкие элементы (водород, литий, углерод) [3].
Очевидно, что в результате экранирования ИИ значительная часть его энергии должна остаться в материале защиты. Использование энергии ИИ, поглощенной экранами для выработки электричества в настоящее время не применяется. Решение подобной задачи, позволит открыть новые возможности по эксплуатации технических средств в условиях высокого радиационного фона.
Известно, что с помощью полупроводниковых элементов энергию ИИ можно преобразовать в электрическую (GB 1356341, опубл. 1974 г.) [4]. Радиоактивное излучение, попадая на полупроводниковый элемент, индуцирует в нем электродвижущую силу (ЭДС), которая при присоединении элемента к нагрузке приводит к возникновению в цепи электрического тока [4].
В тоже время, радиационно-стимулированная генерация тока в полупроводниковых элементах с использованием альфа-излучения практически не применяется, поскольку приводит к быстрому разрушению материала и выходу из строя элемента питания [5]. Полупроводниковые элементы также малочувствительны к гамма- и нейтронному-излучению, ввиду их высокой проникающей способности [6, 7]. В типичных ячейках для преобразования энергии ИИ на основе полупроводников, используется бета-вольтаический эффект - генерация электронно-дырочных пар в различных полупроводниковых структурах под действием бета-излучения, принцип работы которых основан на том, что бета-частица, попадая в область р-n перехода полупроводниковой пластины, генерирует там электронно-дырочную пару, которая затем разделяется областью пространственного заряда. Вследствие этого на n- и р-поверхностях полупроводниковой пластины возникает разность электрических потенциалов и в замкнутой цепи возникает ток [8]. Однако, у всех известных прямых бета-преобразователей низкий КПД <5%, малые напряжение (порядка ширины запрещенной зоны) и токи (прядка единиц нА), кроме того, они обладают низкой радиационной стойкостью полупроводниковых структур [8], чего явно недостаточно для практических нужд.
Практическое использование описанного выше решения на радиоактивно загрязненной местности (РЗМ) предлагается в известном способе превращения энергии радиоактивного излучения в электроэнергию (RU 2130657, опубл. 1999 г.) [9], который состоит в размещении батарей из полупроводниковых фотоэлементов (далее - фотоэлементов) на загрязненных радионуклидами поверхностях водных объектов, грунта, зданий и сооружений. Достигаемый технический результат заключается в полезном использовании поверхностей, загрязненных радионуклидами, для производства электроэнергии, а также защите окружающей среды от ИИ указанных поверхностей. Однако ввиду низкого КПД фотоэлементов по преобразованию энергии гамма- и нейтронного-излучению, вклад этих излучений в генерируемый ими ток будет крайне мал.
В описанном выше способе подразумевается необходимость непосредственного контакта, либо малое удаление рабочей области фотоэлементов от поверхности, загрязненной радионуклидами. Это обусловлено необходимостью увеличения КПД преобразования за счет использования ИИ с малой проникающей способностью (преимущественно бета-излучения). Однако, воздействие альфа- и бета-излучений приводит к быстрой деградации фотоэлементов [4, 10], что потребует их частой замены.
К недостаткам устройств на основе описанного выше способа превращения энергии радиоактивного излучения в электроэнергию следует отнести:
- их малую мобильность. Установка фотоэлементов предполагается только на стационарных (с использованием понтонов) и подвижных объектах, имеющих большие площади внешней поверхности (морские и речные суда);
- их недостаточную защиту от гамма-излучения. Наиболее распространенные материалы, на основе которых изготавливаются фотоэлементы в промышленных масштабах (преимущественно кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs)), в своем составе имеют элементы только с атомными номерами менее 47, которые не обеспечивают эффективного поглощения гамма-излучения. Следовательно, по своим свойствам такие средства не соответствуют требованиям, предъявляемым к радиационно-защитным материалам от гамма-излучения.
Задача настоящего изобретения заключается в разработке экранов, одновременно работающих в качестве радиоизотопных источников энергии, предназначенных для дополнительного электроснабжения технических средств, работающих в условиях РЗМ. Так, предлагаемые экраны можно использовать либо для поддержания емкости основного источника питания, либо в качестве резервного электрического источника питания, для поддержания функционирования наиболее важных узлов и агрегатов (контрольно-измерительных приборов, аварийных радиомаяков, систем навигации или освещения и др.) в районах с высоким радиационным фоном.
Для решения поставленной задачи предлагается использовать преобразующие модули, которые состоят из двух солнечных элементов, объединенных в единую электрическую цепь, направленных рабочей поверхностью в сторону размещенного между ними сцинтиллятора (Фиг. 1). Эти модули одновременно являются основой системы преобразования энергии ИИ и экранирования. Система представляет собой совокупность нескольких слоев преобразующих модулей (поз. 1, Фиг. 2), подключенных к единой электрической цепи (поз. 2, Фиг. 2).
В качестве варианта исполнения преобразующего модуля предлагается использовать солнечные элементы на основе кремния совместно с сцинтилляционным кристаллом CsI(Tl). Кристаллы, выращенные из CsI(Tl), обладают высоким световыходом и довольно длительным временем высвечивания. При этом, максимальная длина волны генерируемых ими фотонов света близка к максимуму спектральной чувствительности солнечных элементов на основе кремния. Кроме того, указанный сцинтиллятор обладает высокой поглощающей способностью к гамма-излучению (атомные номера основных элементов более 47), что обуславливает возможность его использования в качестве радиационно-защитного материала.
Поскольку КПД солнечных элементов сильно зависит от длины волны сцинтилляционного выхода, эффективность генерации электроэнергии может быть повышена благодаря использованию альтернативных материалов, как для фотоэлемента, так и для сцинтиллятора [7].
Для увеличения количества собираемых солнечными элементами света, генерируемого сцинтиллятором, на внешнюю поверхность системы преобразования энергии ИИ (и/или преобразующего модуля) наносится светоотражающее покрытие (поз. 3, Фиг. 2). Для защиты системы от механических повреждений и влаги целесообразно использование внешнего корпуса (поз. 4, Фиг. 2).
При нахождении системы преобразования энергии (экрана) в поле ИИ происходит генерация электрического тока, электрические контакты (поз. 5, Фиг. 2) при этом присоединяются к потребителю или аккумуляторной батарее.
Генерация электроэнергии достигается путем комбинирования прямого и косвенного способов преобразования энергии ИИ.
Прямое преобразование происходит за счет образования свободных носителей заряда в материале солнечного элемента в результате воздействия на него ИИ (поз. 6, Фиг. 3).
Косвенное преобразование осуществляется за счет использования сцинтилляционного материала и включает два этапа (поз. 7, Фиг. 3).
1. Преобразование энергии ИИ в световое излучение посредством сцинтилляции;
2. Фотоэлектрическое преобразование.
Использование эффекта сцинтилляции позволяет значительно повысить вклад гамма- и нейтронного-излучения в генерируемый ток, который будет зависеть о того, как подобраны максимумы спектральной характеристики полупроводникового преобразователя к эмиссионным максимумам люминесцентного материала.
Дополнительный слой сцинтиллятора снижает радиационную нагрузку, выступая в качестве экрана от гамма-излучения.
Использование системы преобразования энергии ИИ и экранирования, состоящей из нескольких слоев, позволяет повысить количество поглощаемой энергии гамма-излучения и, следовательно, увеличить энергетический выход системы [10]. Многослойность экрана дает возможность варьирования габаритными размерами и эффективностью защиты.
Для рационального использования способа, устройства на его основе целесообразно изготавливать, в виде отдельных рабочих блоков, количество слоев преобразующих модулей в которых и массогабаритные характеристики самих блоков могут регулироваться в зависимости от имеющейся потребности. Размещать блоки в качестве элементов противорадиационной защиты следует на внешней поверхности технических средств, предназначенных для использования в условиях РЗМ.
Устройства преобразования энергии ИИ в электроэнергию с одновременной противорадиационной защитой, основанные на предлагаемом способе, позволяют:
- обеспечить дополнительное (резервное) электропитание технических средств, функционирующих на РЗМ, с их одновременной радиационной защитой экранированием;
- при подключении системы преобразования энергии ИИ и экранирования к средствам индикации (световой, звуковой и т.п.) она может выступить в качестве автономного сигнализатора повышенного радиационного фона (Фиг. 4).
Изобретение может найти применение в средствах, предназначенных для ликвидации последствий радиоактивного загрязнения, в качестве устройств электропитания мобильных роботов и иных технических средств, работающих в условиях высокого радиационного фона.
Список используемых источников
1. РМГ 78-2005 ГСИ. Излучения ионизирующие и их измерения. Термины и определения: рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений: издание официальное: приняты Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии (протокол №28 от 9 декабря 2005 г.) и сертификации, введены в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 1 марта 2006 г. №17-ст: введены впервые: дата введения 2006-07-01 / разработаны Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева» Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии - Москва: Стандартинформ, 2006. - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200043551 (дата обращения: 20.10.2020) - Текст: электронный.
2. Новый политехнический словарь / Под ред. А.Ю. Ишлинский, В.А. Дубровский. - Москва: научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2000. - 672 с.
3. Круглова, А.Н. Элементные свойства радиационно-защитных материалов / Круглова А.Н. - Текст: электронный // Состояние и перспективы разработки радиационно-защитных полимерных композитов. - 2013. - С. 1/3-3/3 - URL: http://rusnauka.com/17_APSN_2013/Stroitelstvo/4_140856.doc.htm (дата обращения: 26.09.2018)
4. Патент № RU 2388087 С2 Российская Федерация, МПК G21H 1/12 (2006/01). Способ преобразования энергии излучения радиоактивных отходов в электрическую энергию: 2008114630/06: заявл. 14.04.2008: опубл. 27.04.2010 / Чолах С.О, Карелин А.В., Новоселов Ю.Н. - 6 с.: ил. - Текст: непосредственный
5. Нагорнов, Ю.С., Современные аспекты применения батевольтаического эффекта: монография / Ю.С. Нагорнов; Министерство образования и науки Российской Федерации, Ульяновский государственный педагогический университет им. И.Н. Ульянова. - Ульяновск: УлГПУ, 2012. - 1 CD-ROM. - Систем, требования: Intel Pentium 1,6 GHz и более; 256 Мб (RAM); Microsoft Windows ХР и выше; Firefox (3.0 и выше) или IE (7 и выше) или Opera (10.00 и выше), Flash Player, Adobe Reader. - Загл. с титул. экрана. - Текст: электронный.
6. Horiuchi, N. Proposal of utilization of nuclear spent fuels for gamma cells / N. Horiuchi, N. Iijimaa, S. Hayashi, I. Yoda - DOI 10.1016/j.solmat.2004.07.029 - Текст: электронный // Solar Energy Materials & Solar Cells. - 2005. - №87 - C. 287-297 - URL: https://researhgate.net/publication/248520246_Proposal_of_utilization_of_nuclear_spent_fuels_for_gamma_cells (дата обращения: 18.10.2019).
7. Lee, H. Examination of spent fuel radiation energy conversion for electricity generation / H. Lee, M-S. Yim - DOI 10.1016/j.nucengdes.2016.02.003 - Текст: электронный // Nuclear Engineering and Design. - 2016. - №300 - С. 384-392 - URL: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2016.02.003 (дата обращения: 23.10.2019).
8. Баранов, H.H. Принципиально новый источник электрического питания многофункционального назначения с рекордной длительностью непрерывной работы / Н.Н. Баранов, А.А. Мандругин - DOI: 10.1134/S0002331019010060 - Текст: электронный // Известия РАН. Энергетика. - 2019. - №1 - С. 82-99 (дата обращения: 18.02.2020)
9. Патент № RU 2130657 С1 Российская Федерация, МПК G21H 1/06 (2006/01). Способ превращения энергии радиоактивного излучения в электрическую энергию: №97109493/25: заявл. 11.06.1997: опубл. 20.05.1999 / Криворотов А.С. - 4 с.: ил.. - Текст: непосредственный.
10. Jin, Z. Design and performance study of four-layer radio-voltaic and dual-effect nuclear batteries based on γ-ray/, Z. Jin, X. Tang, X. Guo [и. др] - DOI 10.1016/j.nimb.2018.05.026 - Текст: электронный // Nuclear Inst, and Methods in Physics Research. - 2018. - № В 428 - С. 47-55. - URL: https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.05.026 (дата обращения: 25.11.2019)