Рентгеновское излучение Ускорители элементарных частиц и ионов. Первый бетатрон для ускорения электронов Реактор БИГР Атомные батареи в космосе Атомные батареи для маяков, бакенов Космические ядерные аварии
Импульсные реакторы Излучатели нейтронов Лекции по радиобиологии Загрязнение окружающей среды в результате ядерных взрывов

Атомные реакторы и батареи. Радиобиология

Атомные батареи в космосе

Первое широкое применение атомные батареи нашли в космосе, поскольку именно там требовались источники энергии, способные вырабатывать тепло и электричество в течение длительного времени, в условиях резкого и очень сильного перепада температур, при значительных переменных нагрузках, и поскольку в условиях непилотируемых полётов радиоизлучение от источника питания не несло большой угрозы (в космосе и без него излучений хватает). Химические источники энергии не оправдали себя. Так, когда 4.10.1957 в СССР был выведен на орбиту первый искусственный спутник Земли, то его химические батареи могли давать энергию в течение 23-х дней. После этого мощность их была исчерпана. Кремниевые солнечные батареи эффективны лишь при полётах вблизи Солнца, для полётов к удалённым планетам солнечной системы они не годятся.

Способы преобразования энергии на космических аппаратах бывают двух видов: прямое и машинное. Типы преобразователей тепловой энергии в электрическую делятся на статические (т.е. без подвижных частей), и динамические (т.е. с подвижными, вращающимися или двигающимися частями). Проблема выбора вида преобразования энергии по-прежнему остается актуальной разработчиков различных преобразователей и космических ядерных энергетических установок (КЯЭУ) на их основе.

Так, в рамках известной инициативы НАСА по космическим ядерным энергетическим установкам для реализации программы «Прометей» по проекту «Джимо» (орбитальная экспедиция к ледяным лунам Юпитера) выбран динамический преобразователь (газо-турбинная установка на основе цикла Брайтона). Ресурс КЯЭУ 10 лет при выходной электрической мощности от 250 кВт(эл).

Начиная с начала шестидесятых годов, достаточно широкий размах в СССР, США и ряде других стран получили работы по прямому преобразованию тепловой энергии в электрическую на основе термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей. Подобные методы преобразования энергии принципиально упрощают схему установок, исключают промежуточные этапы превращения энергии и позволяют создать компактные и лёгкие энергетические установки.

В 1959 в рамках проекта «Орион» комиссия по атомной энергии США приняла решение создать целую серию ядерных вспомогательных источников энергии – сокращённо SNAP (System for nuclear auxiliar Power). В соответствии с этой программой, в США приступили к разработке устройств, в которых электроэнергия получается при использовании тепла – либо выделяемого при радиоактивном распаде изотопов, либо вырабатываемого при делении ядер урана в небольших ядерных реакторах (таким источникам тока присваивались нечётные номера).

Рис.1 Источник энергии SNAP-1A.

1 – тепловая изоляция, 2 – тепловые экраны, 3-
термоэлектрические преобразователи, 4 – пространство,
заполненное ртутью, 5 – таблетки церия, 6 – охлаждаемый
змеевик, 7 – изоляция

  Рассмотрим некоторые классические эксперименты, исследующие прямое действие облучения на ферменты.

Прямое действие ионизирующего излучения на ферменты исследуют на кристаллических или лиофильно высушенных препаратах белков. В этом случае большая часть молекул инактивируется в результате поглощения энергии излучения. Сухой препарат молекул облучают различными дозами и затем сравнивают активность облученных и необлученных молекул. На рис. 1 представлен график зависимости активности рибонуклеазы от поглощенной дозы рентгеновского излучения. Расщепление молекулы РНК рибонуклеазой  осуществляется 2 этапа. Вначале гидролизуется фосфорнодиэфирная связь в молекуле и образуется циклический диэфир, и затем пиримидин 2ў,3ў-циклическая фосфатная связь гидролизуется с образованием нуклеотид 3-фосфата.

Рис.1. Активность  РНК-азы в зависимости от поглощенной дозы при облучении кристаллического препарата фермента рентгеновскими лучами

1 - субстрат: раствор РНК

 2 - субстрат: раствор цитидин 2ў,3ў-циклофосфата

Как видно из рисунка при использовании обоих субстратов наблюдается одинаковая степень инактивации фермента, что свидетельствует о том, что в равной мере поражаются обе функциональные единицы молекулы. Зависимость инактивации молекул от дозы облучения носит экспоненциальный характер. При малых дозах обнаруживается небольшое число инактивированных молекул, с ростом дозы число инактивированных молекул возрастает, сначала резко, почти линейно. В интервале доз от 2 до 7Ч105 Гр большое увеличение дозы приводит к незначительному повышению доли инактивированных молекул. Экспоненциальный характер кривой зависимости выражен более четко, если по оси ординат долю инактивированных молекул выразить в полулогарифмическом масштабе (Рис. 2). Как видно, все экспериментальные точки укладываются на прямую линию, проходящую под углом к оси ординат. Эта прямая описывает зависимость 

ln N/ N0 = - kD или N/ N0 = e-kD ,

где k - количество мишеней, D-поглощенная доза излучения

Рис.2. Инактивация рибонуклеазы при облучении рентгеновскими лучами

ось абсцисс - логарифм доли пораженных молекул (%),

ось ординат - поглощенная доза (Гр)

Аналогичная экспоненциальная зависимость доза-эффект обнаружена в экспериментах и с другими ферментами, и такая зависимость отражает некие общие закономерности прямого действия радиации на ферменты (Рис.3).

Анализируя кривые «доза-эффект» можно сопоставить радиочувствительность различных ферментов. Из рис. 3 видно, что для инактивации определенной доли молекул изученных ферментов необходимо их облучать различными дозами, т.е. ферменты различаются степенью устойчивости к облучению.

Рис. 3. Радиочувствительность некоторых ферментов

1 - РНКаза, 2- a-химотрипсин, 3- трипсин, 4 -инвертаза

Для конкретности, приведём некоторые примеры использования разных радионуклидов в атомных батареях.

При выборе типа термоионных изотопных батарей для конкретного аппарата следует руководствоваться их назначением.

Исторически первым был разработан термоэлектрический генератор SNAP-1A мощностью 125 Вт с ртутной защитой

СССР использовал атомные батареи в спутниках типа «Космос»

Основные характеристики КЯЭУ, получившие реальный опыт использования в составе космических аппаратов в США и СССР/России

Перспективно применение атомных батарей и в медицине, например, для снабжения энергией сердечных регуляторов.


Энергетика