Бифункциональный радиационно-защитный экран

Полезная модель относится к устройствам, применяемым для радиационной защиты технических средств.
Бифункциональный радиационно-защитный экран предназначен для обеспечения защиты технических средств от внешнего ионизирующего излучения (ИИ) и осуществления их дополнительного (резервного) электропитания на радиоактивно загрязненной местности.
Одним из основных способов защиты от ионизирующего излучения является экранирование. Экраны, как правило, используют для защиты персонала и технических средств от нейтронного и гамма-излучения, так как такие излучения обладают наибольшей проникающей способностью среди всех видов ИИ и представляют основную опасность [1, 2].
Очевидно, что в результате экранирования ИИ значительная часть его энергии должна быть либо рассеяна, либо поглощена материалом защиты. Использование энергии ИИ, поглощенной защитным экраном, для выработки электричества позволит открыть новые возможности в эксплуатации технических средств на радиоактивно загрязненной местности.
Известно, что с помощью полупроводниковых элементов энергию ИИ можно преобразовать в электрическую (GB 1356341, опубл. 1974 г.) [3]. 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 [3].
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 [4]. Полупроводниковые элементы также малочувствительны к гамма- и нейтронному излучению, ввиду их высокой проникающей способности [5, 6]. В типичных ячейках для преобразования энергии ИИ на основе полупроводников, как правило, используется бета-вольтаический эффект (генерация электронно-дырочных пар в различных полупроводниковых структурах под действием бета-излучения) [7]. 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 [7], чего 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.) [8], 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 [3, 9], 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 [2]. Следовательно, по своим свойствам такие средства не соответствуют требованиям, предъявляемым к радиационно-защитным материалам от гамма-излучения.
Представленная полезная модель объединяет в себе две функции: защитного экрана от радиации и радиоизотопного источника энергии, служащего для дополнительного электропитания технических средств, работающих в условиях РЗМ. Так, предлагаемый бифункциональный радиационно-защитный экран можно использовать как для поддержания емкости основного источника питания, так и в качестве резервного электрического источника питания или для поддержания функционирования наиболее важных узлов и агрегатов (контрольно-измерительных приборов, аварийных радиомаяков, систем навигации или освещения и др.) на участках местности с высоким радиационным фоном.
Основу устройства экрана составляет преобразующий модуль (фиг. 1), выполняющий одновременно функцию элемента радиационной защиты и источника питания. Модуль состоит из двух монокристаллических кремниевых солнечных батарей (поз. 1, фиг. 1) (объединенных в единую электрическую цепь), направленных рабочей поверхностью в сторону размещенного между ними сцинтилляционного кристалла CsI(Tl) (поз.2, фиг. 1).
Для увеличения количества собираемых солнечными элементами света, генерируемого сцинтиллятором, на внешнюю поверхность модуля наносится светоотражающее покрытие (поз.3, фиг. 1).
Для защиты модуля от механических повреждений и влаги используется внешний корпус. Корпус оборудуется специальными креплениями для соединения модулей между собой и выводами электрических контактов для их объединения в единую электрическую цепь и подключения к потребителю. Кроме того, материал корпуса может выступать в качестве фильтра формирующего поток ионизирующих частиц с заданными характеристиками.
При нахождении преобразующего модуля в поле ИИ происходит генерация электрического тока, электрические контакты 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.4, фиг. 2).
Косвенное преобразование осуществляется за счет использования сцинтилляционного материала и включает два этапа (поз.5, фиг. 2).
1. Преобразование энергии ИИ в световое излучение посредством сцинтилляции.
2. Фотоэлектрическое преобразование.
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 [6].
Использование эффекта сцинтилляции позволяет значительно повысить вклад гамма- и нейтронного излучения в генерируемый экраном ток, кроме того, сцинтиллятор позволяет снизить радиационную нагрузку, выступая в качестве экрана от гамма-излучения.
Используемый в составе модуля сцинтиллятор CsI(Tl), обладает 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, упомянутый сцинтиллятор обладает высокой поглощающей способностью к гамма-излучению (атомные номера основных элементов более 47), что обуславливает возможность его использования в качестве радиационно-защитного материала.
Совокупность из одного или нескольких слоев преобразующих модулей образуют бифункциональный радиационно-защитный экран.
Многослойное размещение модулей позволяет повысить количество поглощаемой энергии гамма-излучения и, следовательно, увеличить энергетический выход системы [9]. Многослойность экрана дает возможность варьирования габаритными размерами и эффективностью защиты.
Бифункциональный радиационно-защитный экран позволяет:
одновременно с радиационной защитой технических средств (защита экранированием), обеспечить их дополнительное (резервное) электропитание на РЗМ;
при подключении электрических контактов экрана к средствам индикации (световой, звуковой и т.п.) он может выступить в качестве автономного сигнализатора повышенного радиационного фона (фиг. 3).
Полезная модель может найти применение для радиационной защиты и дополнительного электропитания мобильных роботов и иных технических средств, работающих в условиях радиоактивного загрязнения.
Список используемых источников
1. Новый политехнический словарь / Под ред. А.Ю. Ишлинский, В.А. Дубровский. - Москва: научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2000. - 672 с.
2. 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).
3. 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.
4. 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.
5. 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).
6. 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 - C. 384-392 - URL:https:// doi.org/10.1016/j.nucengdes.2016.02.003 (дата обращения: 23.10.2019).
7. 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).
8. Патент №RU 2130657 О 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.
9. Jin, Z. Design and performance study of four-layer radio-voltaic and dual-effect nuclear batteries based on у-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).