Энергетические ресурсы Земли (стр. 16 )

Специфическая особенность радиоизотопных генераторов состоит в необходимости предусматривать надежную радиационную защиту от непрерывных a -, b - и g - излучений, под которой понимается не только защита персонала, но и учет возможных аварийных ситуаций в различных условиях работы.

Уменьшение интенсивности излучения со временем нежелательно. Поэтому в качестве радиоизотопного топлива используют изотопы с периодом полураспада намного большим, чем продолжительность работы генератора (например, плутоний 239Р и стронций 90Sr). Тепло, выде­ляемое при распаде топлива, должно непрерывно отводиться, что обусловлено непрерывностью процесса распада. Радиоизотопные гене­раторы, применяемые на космических аппаратах, обычно работают по принципу использования энергии излучения для нагрева горячих спаев термопар, в которых происходит превращение тепловой энергии в электрическую.

5.5. Электрохимические методы преобразования энергии

В электрохимических генераторах (электрических батареях) про­исходит прямое преобразование химической энергии в электрическую.

Рис.5.9. Электрохимический элемент:

1 - анод; 2 – катод; 3 - пористая мембрана; 4 – электролит; 5 – нагрузка

В электрохимическом элементе (рис.5.9) на одном из электродов 1 (аноде) вещество, служащее топливом, отдает электроны, а на вто­ром электроде 2 (катоде) происходит восстановление (поглощение) электронов веществом - окислителем. Между электродами находится электролит 4, обеспечивающий перемещение ионов от одного электрода к другому; перенос электронов между электродами осуществляется по внешней цепи.

Электрической батареей называется комбинация включенных параллельно или последовательно двух или более электрохимических элементов. Батареи являются удобными накопителями энергии, которые в течение короткого периода времени могут поддерживать довольно большой ток при сравнительно стабильном напряжении. Они отличаются компактностью, просты в эксплуатации и практически не загрязняют окружающую среду. Тип батареи для конкретных условий работы выби­рается по следующим показателям: количеству запасаемой энергии на единицу массы, мощности на единицу массы, номинальному напряжению, дефицитности используемых материалов.

Рассмотрим принцип работы электрической батареи. Еще в XIX в. Фарадеем было показано, что при прохождении электрического заряда, равного F = 9.6485*104 Кл, через электрохимический элемент на аноде выделяется 1 грамм - молекула вещества (величина

F называется числом Фарадея). Это можно записать следующим образом:

(5.1)

где А - выделившееся количество вещества, г ; I - ток А; t - время работы, с; W - молекулярная масса вещества; n - валентность.

ЭДС, создаваемая парой электродов при разомкнутой внешней це­пи, равна алгебраической разности ЭДС материалов анода и катода, измеренной по отношению к водородному электроду:

(5.2)

Водородный электрод представляет собой пластину из платиновой черни, у поверхности которой барботирует водород при атмосферном давлении.

ЭДС в элементе при нагрузке отличается от ЭДС разомкнутой це­пи в основном из-за наличия у элемента внутреннего сопротивления. К снижению рабочего напряжения электрохимического элемента приво­дит поляризация. Оба эти явления увеличивают и потери энергии в элементе. В табл.5.1 приведены характеристики невосстанавливаемых электрохимических источников тока (электрических батарей), а в табл.5.2 - восстанавливаемых электрохимических источников тока (аккумуляторов).

Наиболее распространенным типом восстанавливаемых электрохи­мических элементов является свинцовый (кислотный) аккумулятор, ко­торый широко используется в автомобилях. Анодом в этом аккумулято­ре является пористый свинец, а катодом - набор сеток, заполненных

перекисью свинца (PbO2). Электролитом служит слабо концентрирован­ная серная кислота. При разряде аккумулятора протекают реакции:

на аноде:

Pb + H2SO4 ® PbSO4 + 2e - + 2H+ (5.3)

на катоде:

2PbO2 + 2H2SO4 + 2e - ® 2PbSO4 + 2H20 + O22- (5.4)

Таблица 5.1

Элемент	Напряжение х. х., В	Среднее рабочее напряжение, В	Удельный энергозапас (при малых токах)	Срок хранения, лет	Рабочий интервал температур °C
Вт*ч/кг	Вт*ч/м3
Воздушный	1,5	1,25	315	8,54	5	4,4-60
Щелочной	1,52	1,25	213	14,63	2	-40-60
Идиевый	1,37	1,15	112	7,93	1-3	-29-88
Элемент Лекланше	1,5-1,65	1,25	210	13,41	1	-18-49
Хлоридсеребряно- магниевый	1,6	1,3	194	11,59	-	-2,2-29
Серебряно-цинковый	1,86	1,5	315	17,68	3	-29-71
С твердым электротитом	0,69	-	7,3	-	20	-54-77

Таблица 5.2

Тип	Напряжение х. х., В	Среднее рабочее напряжение, В	Удельный энергозапас (при малых токах)	Число циклов зарядки	Потеря заряда, % /мес.
Вт*ч/кг	Вт*ч/м3
Железо-никелевый	1,34	1,2	24	0,06	2000	30
Свинцовый (кислотный)	2,14	2,0	33	0,08	300	25
Никель-кадмиевый	1,34	1,2	26	0,06	2000	2
Серебряно-кадмиевый	1,34	1,1	53	0,15	2000	3
Серебряно-цинковый (герметичный)	1,86	1,45	44-100	0,08-0,2	100	3

Аккумулятор может работать до тех пор, пока оба электрода не покроются сульфатом цинка. Восстановление аккумулятора осуществля­ется его зарядкой, при которой направления рассмотренных реакций меняют знак. Источник электронов при зарядке - внешняя сеть. К со­жалению, регенерируемые при зарядке свинец и перекись свинца не распределяются в первоначальном виде, и это приводит к нарушению конструкции аккумулятора после серии циклов зарядки и разряда. При разряде часть ионов Н+ и 0- рекомбинирует на соответствующих электродах с образованием H2 и О2, поэтому воду приходится перио­дически заменять. Недавно было обнаружено, что небольшие добавки кальция в свинце позволяют эффективно бороться с этим явлением и исключить необходимость смены воды или продувки. Это, в свою оче­редь, позволило перейти к промышленному изготовлению и использова­нию герметичных аккумуляторных батарей.

Свинцовые аккумуляторы тяжелы и громоздки, имеют низкую мощ­ность на единицу массы и малое количество запасаемой энергии на единицу массы (удельную энергию). По сути, они обладают только од­ним преимуществом - низкой себестоимостью.

Таблица 5.3

Система	Температура, °C
Na – S	300
Li – S	400
Li – Cl2	650

Новые разработки направлены на создание батарей с большими удельными запасами энергии, большей удельной мощностью и более ма­логабаритных либо более дешевых. В последние годы исследования концентрировались вокруг электрохимических источников, электродами в которых являются щелочные металлы и галогены (табл.5.3).

Удельный расход вещества у таких аккумуляторов значительно ниже, чем у обычных, следовательно, электрический ток в расчете на 1 кг должен быть значительно большим.

Для эффективного использования новых электрохимических источ­ников потребуется решить ряд проблем. Прежде всего - выбор элект­ролита. Он должен обеспечивать ионообмен между электродами и не оказывать иных воздействий на работу элемента. Электролиты на ос­нове водных растворов, используемые в большинстве невосстанавлива­ющихся электрохимических элементов, бурно реагируют со щелочными металлами, но слабо растворяют галогены. Поэтому необходимо подоб­рать не содержащее воду вещество, обладающее малым сопротивлением при перемещении ионов материала электродов и высоким - при пе­ремещении электронов. Имеются две такие возможности.

1. В качестве электролита применять соль, получаемую комбина­цией ионов электродов. Для увеличения ионной проводимости ее необ­ходимо использовать в расплавленном состоянии при высокой темпера­туре. Для хлорлитиевого электрохимического элемента протекают сле­дующие реакции:

на аноде

(5.5)

на катоде

(5.6)

Для обеспечения достаточно высокой подвижности ионов в элект­ролите рабочие температуры должны быть выше 650°С.

2. Использовать твердые электролиты. Некоторые окислы из-за особенностей их кристаллической структуры при высоких температурах обладают очень хорошей анионной проводимостью. Примером таких окислов является бета-глинозем. Было установлено, что кристалли­ческая структура бета-глинозема представляет собой отдельные крис­таллические площадки, слабо связанные друг с другом, как в графи­те. Зазоры между кристаллическими площадками, по-видимому, обеспечивают свободное перемещение ионов щелочного металла внутри кристалла. Проводимость возрастает, если в глиноземе. Имеется при­месь щелочного металла, например натрия.