Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Физические основания этого следующие. Если взять две разнородные проволочки (например, железную и константановую) и спаять их концы, образовав замкнутую цепь, то при нагревании одного из спаев в цепи течет электрический ток. Такая пара из двух спаянных разнородных проводников получила название термопары, или термоэлемента. Часть тепловой энергии, нагревающей горячий спай, превращается в термоэлементе в электрическую энергию. Коэффициент полезного действия термоэлемента из металлических проводников очень мал и не превышает 0,5%. Но, как показали советские физики, руководимые акад. А. Ф. Иоффе, термоэлемент, состоящий из металлического проводника и полупроводника или из двух разнородных полупроводников, имеет более высокий коэффициент полезного действия, достигающий 7–10%. А это не так уж мало, если вспомнить, например, что коэффициент полезного действия паровоза составляет 4–6%.

Система из множества термоэлементов, включенных последовательно (иногда и параллельно), называется термоэлектрической батареей, или термоэлектрическим генератором. Первое практическое применение подобных генераторов осуществлено в Советском Союзе в целях радиофикации отдаленных районов, не имеющих электрической энергии. На рис. 52 приведена фотография керосинового термоэлектрогенератора (ТГК-3), разработанного в Институте полупроводников Академии наук СССР и предназначенного для питания электрической энергией радиоприемника средней мощности. Горячие газы лампы нагревают внутренние спаи термоэлементов, наружные спаи охлаждаются окружающим воздухом. На фотографии виден ребристый радиатор, присоединенный к наружным спаям для лучшего их охлаждения.

После ознакомления с керосиновым генератором нетрудно будет понять идею конструкции атомной термоэлектрической батареи (термоэлектрогенератора).

Ядерный реактор в виде цилиндра из графитовой кладки с урановыми стержнями окружается цилиндрической рубашкой, внутрь которой вводятся нагреваемые спаи последовательно соединенных термоэлементов; холодные спаи размещаются снаружи и охлаждаются окружающим воздухом. Тепло, выделяющееся в реакторе, нагревает внутренние спаи и поддерживает тем самым разность температур между ними и наружными спаями. Вследствие этого в цепи термоэлементов будет непрерывно протекать электрический ток. К сожалению, такие батареи будут маломощными.

Возможен второй путь прямого превращения атомной энергии в электрическую с помощью батарей другого типа, в которых используются радиоактивные излучения. Атомные батареи этого типа собираются из электрических элементов, прототипом которых является зарядное устройство, описанное английским физиком Г. Мозли еще в 1913 г. Устройство такого элемента можно представить себе следующим образом (рис. 53).

Внутрь металлического корпуса 1 вводится электрод 2 , изолированный кварцем или янтарем 3 и покрытый тонким слоем какого-либо радиоактивного изотопа 4 . Воздух из такого устройства выкачивается. Если изотоп испускает, например, бета-частицы, то внутренний электрод 2 , теряя отрицательный заряд, будет заряжаться положительно, а внешний электрод (корпус) — отрицательно. Внешний электрод является здесь собирателем (коллектором) бета-частиц (электронов). По мере накопления зарядов на электродах такого элемента напряжение будет увеличиваться и достигнет большой величины, измеряемой иногда многими десятками тысяч вольт. Сила тока такого элемента очень мала и имеет величину порядка миллиардных долей ампера. Но так как сила тока пропорциональна количеству изотопа в элементе, то, взяв большое количество изотопа и соединив несколько таких элементов параллельно в батарею, можно получить от нее несколько бóльший ток.

Батареи такого типа используются как источники анодного напряжения либо в электронно-лучевых трубках, либо в устройствах для ускорения отдельных заряженных частиц.