(( باطري هاي هسته اي ))
آرش عربی
مقدمه :
از منابع هسته اي به منظور توليد توان الكتريكي ، بدليل مزيت ها و كاربردهاي منحصر بفرد آن از اهميت و جايگاه بسياروالايي برخوردار است .
در حال حاضر باطريهاي هسته اي بهترين و مطمئن ترين منبع توليد انرژي در مناطق دور از دسترس مانند نواحي قطبي كره زمين ، كره ماه و سيارات آسماني ، اعماق درياها و اقيانوسها ، درون سفينه هاي فضایی (Space Nuclear Auxillary Power) و باطريهاي قلبي (Pace Mackers ) مي باشند
در ماموريت هاي طولاني فضاپيماها و در نقاطي از فضاي بيكران كه انرژي خورشيدي و انرژي شيميايي نمي توانند داراي عملكرد مناسبي باشند . نقش باطريهاي هسته اي بسيار موثر و حياتي است . مثلا در سفرهاي فضايي باطريهاي هسته اي بدون آنكه به محل قرارگيري مدار فضا پيماها يا چگونگي تطبيق و سازگاري فضاپيماها با خورشيد وابستگي داشته باشند، مي توانند انرژي مورد نياز را براي عملكرد دستگاههاي الكتريكي فضا پيماها فراهم نمايند در حاليكه استفاده از باطريهاي خورشيدي محدوديت هايي بسيار زيادي دارد.همچنين باطريهاي هسته اي در دور دست ترين و نامساعد ترين شرايط محيطي مانند درون حلقه هاي فوق العاده پرتوزا سياره مشتري يا در نوسانات شديد دمايي در سطح كره ماه و يا طوفانهاي شديد غباردر كره ی مريخ ، عملكرد مطلوب خود را با ضريب اطمينان بالايي حفظ مي كنند . به طور خلاصه باطريهاي هسته اي داراي مزيت هاي زير مي باشند :
-
طول عمر عملكرد بالاي سيستم
-
توان ويژه بالا
-
فشردگي و سبك بودن سيستم
-
عدم توليد صداي مزاحم در حين عملكرد سيستم
-
ايمني بالا
-
وابسته نبودن عملكرد سيستم به شرايط محيط
تاريخچه پيدايش باطري هاي هسته اي :
پژوهش در جهت ابداع سيستمهايي براي تبديل انرژي تشعشعات حاصل از تجزيه راديونوكليدها به الكتريسته و گرما در سال 1956 آغاز شد و هدف از اين پژوهشها استفاده از اين سيستمهاي مولد راديوايزوتوپي توليد انرژي مورد نياز در فضا و نواحي دور افتاده مانند قطب جنوب يا اعماق اقيانوسها بود.
اولين مولد قدرت ايزوتوپي در سال 1959 توليد شد كه در آن از يك مولد ترموالكتريكي استفاده شده بود كه توان الكتريكي 5/2 وات را توليد مي نمود راديو ايزوتوپ Po210 به عنوان سوخت اين مولد بكار رفته بود. جرم اين مولد فقط 7/1كيلوگرم بود وانرژي برابر يك باطري معمولي نيكل- كادميوم به جرم 316 كيلوگرم توليد مينمود. ]1[
اولين مولد قدرت ايز وتوپي تجارتی درسال 1966 در نتيجه همكاري شركت martin و كميسيون انرژي اتمي آمريكا ساخته شد. اين مولد با سيستم ترموالكتريك و با سوخت Sr90 توان الكتريكي 25 وات توليد مينمود.شکل (1-1 )
مولدهاي راديوايزوتوپي ترموالكتريكي :RTG (Radioisotope Thermoehectric generators)
سیستم های گوناگونی براي استفاده از انرژی رادیو ایزوتوپ ها و تبديل آنها به انرژی الكتريكي طراحی گردیده است. انواع مختلف سيستمهاي تبديل انرژي راديوايزوتوپي در فصل يک معرفي گردید. مناسب ترين سيستم تبديل انرژي در باطريهاي هسته اي در حال حاضر سيستم ترموالكتريسيته ميباشد زيرا در مقايسه با ديگر روشها مانند ترمويونيك ، ترموفوتوولتاييك و جذب ذرات باردار داراي مزيت های زیر است:
1- پيچيده نبودن سيستم 5- ايمني بالا
2-كارآيي در تمامي گستره دمائی 6-نداشتن هيچ قطعه متحرك در سيستم
3 - طول عمر عملكرد بالا
4- بازدهي بالا نسبت به ساير سيستم هاي بكار رفته در باطريهاي هسته اي(به غير از روش ترمويونيک)
مولد هاي RTG, توان نه چندان بالای مورد نياز براي دستگاههاي الكتريكي بكار رفته در ماموريت هاي فضایی در فضاهاي دور را با اطمينان بالايي تامين مي كنند . يكي از جنبه هاي مثبت مولدهاي ترموالكتريكي راديوايزوتوپي ( RTG ) پيچيده نبودن سيستم آنهاست . عملكرد آنها بر اين اصل استوار است كه : هنگامي كه دو فلز غير هم جنس در يك مدار بسته به يكديگر متصل شده و محل اتصالات آنها در دماهاي متفاوتي قرار بگيرند، يك ولتاژ الكتريكي و به دنبال آن يك جريان الكتريكي توليدميشود .در ابتدا از ترموكوپلهاي فلزي استفاده مي شد. ولي بازده كم, (کوچکتر از1 درصد) استفاده از آنها را غير عملي ساخت . در حال حاضر تمام مولدهاي قدرت راديوايزوتوپي ترموالكتريكي از نيمه رساناهاي تقويت شده استفاده مي كنند كه باعث شده است بازده سيستم هاي ترموالكتريك به 15% الي 30% افزايش داده شود.
اثرات ترموالکتریسیته:
جريان ترموالكتريسيته، سه تأثير عمده ار خود بر جاي مي گذارد كه عبارتند از :
a) اثر سيبك
b) اثر پلتير
c) اثر تامسون
در اثر سيبك، كه توسط يك فيزيكدان آلماني به نام توماس جوان سيبك (Thomas johann seebeck) در سال 1821 كشف شد، ولتاژ جريان در قوس دو مادة مختلف توليد مي شود كه اتصال مربوط به آنها در دو درجه حرات مختلف برقرار مي شود. تأثير سيبك، همانطوري كه برهمگان آشكار شده است، كاربرد وسيعي در ترموكوپل ها دارد.
مولدهایSNAP
(Space Nuclear Auxillary Power ):
در ايالات متحده، طرحهاي توان ايزوتوپي با نام SNAP طراحي شدند و تعداد آنها رو به ازدياد گذاشت. سيستم هاي SNAP از راكتورهاي هسته اي به عنوان منابع گرمائي استفاده مي كنند مانند SNAP-1.A. تلاشهاي اوليه در جهت توسعة توان ايزوتوپي SNAP (Space Nuclear Auxillary Power)در سال 1956 آغاز گرديد.
در تمامي ماموريت هاي فضايي سازمان NASA از RTG ها تحت برنامه (space Nuclear Auxillary power) جهت توليد توان الکتریکی مورد نياز دستگاههای تحقیقاتی فضا پيماها استفاده شده است.
اين برنامه شامل دو بخش است:
1-ايجاد سيستمهايی که از انرژی حرارتی راديونوکليدها استفاده کرده و انرژی الکتريکی از چند وات تا چندصد وات را توليد می كننده اين سيستمها را با اعداد فرد شماره گذاری کرده اند.
2-ايجاد سيستمهايی که از راکتور به عنوان چشمه انرژی استفاده کرده وتوان الکترِيكي در گستره چند صد وات تا چند مگا وات توليد می کنند. اين سيستمها با شماره زوج شماری گذاری شده اند.
براي ماموريت هاي طولاني مانند spirit ، opportunity،voyeger و Galileo، SNAPها تنها گزينه عملي و مناسب جهت تامين انرژي فضاپيماها مي باشند .
به دليل فاصله زياد سياره مشتري تا خورشيد و پرتوزايي شديد آن سفينه Galileo به 2000 فوت مكعب سلول خورشيدي بوزن تقريبي 1000 پوند نياز دارد تا توان الكتريكي لازم را از نور خورشيد بدست آورد در حاليكه همان توان الكتريكي از يك RTG به وزن 124 پوند فراهم مي شود .
ماموريت هاي آپولو اهميت باطري هاي هسته اي را بسيار بيشتر مشخص نمودند .
در ماموريت آپولو 11 يك باطري هسته اي كه از ايزوتوپ به عنوان چشمه گرمايي استفاده میکرد، انرژي مورد نیاز يك دستگاه زلزله سنج را تامين مي نمود .در ماموريت آپولو 12 يك مولد هسته اي بنام SNAP-27 به عنوان تنها چشمه توان الكتريكي، توان مورد نياز دستگاههاي قرار گرفته بر روي كره ماه را تامين مي نمود . درجدول زير فهرست باطريهاي ايزوتوپي بكار رفته در ماموريت هاي فضايي نشان داده شده است .جدول )1-4(