Korszerű energetikai berendezések
BME OMIKK
ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 45. k. 5. sz. 2006. p. 53–62.
Korszerű energetikai berendezések
A kimerült nukleáris üzemanyag felhasználása gamma-napelemekhez A nukleáris erőművekben minden évben nagymennyiségű kimerült üzemanyag keletkezik, amelyet újrafeldolgozás előtt 20–30 évig tárolnak. Az ilyen kimerült üzemanyag még jelentős maradék energiát tartalmaz magas hőmérsékletű hőenergia és nagy intenzitású gamma-sugárzás formájában. Japán kutatóknak az az ötletük támadt, hogy a gamma-sugárzás energiáját napelemekkel lehetne hasznosítani. Összeállításunk az ilyen gamma-elemek kifejlesztését tartva szem előtt, sok kísérlet tapasztalatait összefoglalva vizsgálja a gamma-sugárzásnak kitett napelemek jellemző tulajdonságait.
Tárgyszavak: gamma-napelem; napelem; kimerült nukleáris üzemanyag; szcintillátor; gamma-sugárzás; villamos energia.
A nukleáris erőművekben minden évben
napelemekkel lehetne hasznosítani. A kristá-
nagymennyiségű kimerült üzemanyag keletke-
lyos szilícium napelemeket közvetlenül is mű-
zik, amelyet újrafeldolgozás előtt 20–30 évig
ködteti a gamma-sugárzás, de ez nem haté-
tárolnak. Az ilyen kimerült üzemanyag még
kony, mert a gamma-sugárzás úgy halad át a
jelentős maradék energiát tartalmaz magas
vékony napelemeken, hogy nem adja át teljes
hőmérsékletű hőenergia és nagy intenzitású
energiáját. Az elem indukált árama növelhető
gamma-sugárzás formájában, valamint tartal-
CsI(Tl) szcintillátorral való csatolással. Ez a
maz még értékes urán és plutónium nukleáris
megoldás már ismert, alkalmazták a gamma-
üzemanyagot is. Japán kutatóknak az az ötle-
sugárzás jelzésére és mérésére – energiaterme-
tük támadt, hogy a gamma-sugárzás energiáját
lésre felhasználni viszont újszerű gondolat. 53
Korszerű energetikai berendezések
Bár a gamma-sugárzásnak kitett egyetlen nap-
ja a gamma-sugárzásnak kitett napelemek jel-
elemben felszabadított villamos energia cse-
lemző tulajdonságait.
kély, a napelemek számos kiváló tulajdonságuk van: (1) az elemek összekapcsolhatók, így az
Napelemek és szcintillátorok
indukált áramuk vagy feszültségük megnövelhető, (2) az indukált áram csaknem független a gamma-sugárzás beesési szögétől, (3) a gam-
Az 1. táblázat bemutatja a japán kutatók által
ma-sugárzás által megkárosított szilícium nap-
vizsgált napelemek alapvető tulajdonságait. A
elemek teljesítménye hőkezeléssel javítható,
kristályos napelemek csak csekély mértékben,
vagyis a károsodás nem végleges.
az amorf napelemek pedig szinte egyáltalán nem érzékenyek közvetlenül a gamma-sugár-
A napelem által létrehozott villamos energia
zásra. A sugárzás hatásának növelése céljából
növelhető az elem spektrális érzékenységének
CsI(Tl) és NaI(Tl) szcintillációs kristályokat és
javításával vagy az elem fényérzékeny felüle-
műanyag szcintillátort csatoltak a napelemek-
tének növelésével. Mivel a korszerű atomerő-
hez. A szcintillátor a gamma-sugarak hullám-
művek nagy mennyiségben termelnek erősen
hosszát transzformálva a látható fény tartomá-
radioaktív elhasznált üzemanyagot, és a száraz
nyába eső sugárzást kelt. A CsI(Tl) és NaI(Tl)
tárolás manapság túlsúlyba került a folyadék
szcintillációs kristályok és a műanyag szcintil-
alatti tárolással szemben, lehetőség adódik
látor jellemző tulajdonságait és méreteit a
arra, hogy a gamma-napelemek a száraz tartá-
2. táblázat foglalja össze. Megjegyzendő, hogy
lyokban tárolt elhasznált üzemanyag intenzív
a CsI(Tl) és NaI(Tl) szcintillátorok azonos
gamma-sugárzását villamos energiává alakít-
beesési felületűek, de eltérő sűrűségük miatt a
sák. A következő összeállítás az ilyen gamma-
kettőt eltérő vastagságúra tervezték (mivel a
elemek kifejlesztését tartva szem előtt vizsgál-
fénykibocsátás térfogatfüggő). 1. táblázat
A vizsgált napelemek jellemző tulajdonságai Az elem típusa
Fényérzékeny felület (cm2)
Modell
Zárlati áram (A)
Üresjárási feszültség (V)
Egykristályos
BLK803
38
0,43
1,8
Egykristályos
EWP-SPT603
13,2
0,068
3,6
Polikristályos
MSC7575
47,6
1,72
0,6
Amorf
AM5412
12,9
0,018
3,1
Amorf
AM5907
35,2
0,020
7,1
2
A mérési körülmények: 1000 W/m , AM 1,5, 25 °C
54
Korszerű energetikai berendezések
2. táblázat A szcintillációs kristályok jellemző tulajdonságai Szcintillátor
Fényhasznosítás A maximális emisszió (%) hullámhossza (nm)
Csillapodási idő (ns)
Vastagság (cm)
Sűrűség (g/cm3)
Olvadáspont (°C)
Méret (cm)
CsI(Tl)
45–50
530
1000
1,5
4,51
621
5 x 3 x 1,5
NaI(Tl)
100
415
230
2,5
3,67
651
5 x 3 x 2,5
Műanyag
6,5
423
5
1,032
70
10 x 10 x 5
2,4
betonfal ólomüveg
szcintillátor és napelem
számítógép
forgóasztal
ólompajzs
optikai szál a számítógéphez
elektrométer
spektrométer
1. ábra A kísérleti elrendezés elvi rajza
Az 1. és 2. ábra bemutatja a vizsgálat során
volt. A gamma-sugárzás dózisteljesítményét a
alkalmazott kísérleti berendezések elvi rajzát.
gamma-forrás és a napelem közötti távolság
Biztonsági okokból és a könnyebb megvaló-
módosításával változtatták. Egyidejűleg BeO
síthatóság kedvéért nagyintenzitású
60
termolumineszcens
Co su-
doziméterekkel
(TLD)
gárforrás helyettesítette az elhasznált nukleáris
mérték a napelemet ért besugárzást. A 3. ábra
1
a kísérleti tér dózisteljesítményét mutatja
üzemanyagot. A forrás aktivitása 18,8 TBq
be. Az indukált áramot és a feszültséget személyi számítógéphez kapcsolt elektrométer-
1
TBq = terabecquerel, 1012 becquerel. A becquerel a radioaktivitás SI mértékegysége, akkor egységnyi, ha másodpercenként 1 atommag bomlik fel.
rel (Keithley 6512) folyamatosan mérték. A
55
Korszerű energetikai berendezések
fénysokszorozó rés spektrométer
erősítő
optikai szál
(SPG120S) vezérlő PC
ólomfal
gyűjtőlencse
szcintillátor
gamma-sugárforrás
2. ábra A szcintillátorok gerjesztett emissziós spektrumának mérése
CsI(Tl), a NaI(Tl) és a műanyag szcintillátorok gamma-sugárzás által gerjesztett emissziós
LogY = (-2,05 ± 0,4)LogX + 3,65 dózisteljesítmény Y (Sv/h)
spektrumát SPG-120S típusú spektrométerrel vizsgálták. A 3. táblázat megadja a spektrométer főbb jellemzőit. A gamma-sugárzásnak kitett különböző szcintillátorok által kibocsátott fény intenzitását a hullámhossz függvényében mérték. A szcintillátorokat 50 cm tá-
102
101
volságra helyezték a gamma-sugárforrástól, a kimenő fényt 1 m hosszú száloptikával vezet-
100
ték a spektrométerhez a 2. ábrának megfelelő-
101
102 távolság X, cm
en. A spektrométert és az optikai kábelt a gamma-sugárzás károsító hatásától ólomtég-
3. ábra A dózisteljesítmény a gamma-sugárforrás környezetében
lákkal védték.
56
Korszerű energetikai berendezések
esetére. A gamma-sugárzás dózisteljesítmé-
3. táblázat A használt spektrométer legfontosabb jellemzői
nyét a gamma-sugárforrás és a napelem távolságának módosításával változtatták. Csatolt
Tulajdonság Mérési tartomány Az érzékelés módja
Specifikáció 200–900 nm konkáv rácsos spektrográf – állandó eltérítésű spektrométer Fókusztávolság 122,6 mm A rács effektív mérete 36 x 36 mm F-érték F=3 A hullámhossz meghatározásának ±1,5 nm pontossága Felbontás 1 nm Rés 100 µm–4 mm
szcintillátor nélkül az amorf napelem csaknem érzéketlen volt a gamma-sugárzás közvetlen behatására. Az 5. ábra szemlélteti (a) az indukált áram és a dózisteljesítmény közötti, és (b) a keltett feszültség és a dózisteljesítmény közötti összefüggést egykristályos napelem, csatolt CsI(Tl), NaI(Tl) és műanyag (BC400) szcintillátorok esetére. Csak a sugárforrástól 40 cm-es távolságban észleltek a NaI(Tl) és
A kísérleti eredmények
műanyag szcintillátorhoz csatolt napelemben A 4. ábra (a) az indukált áram és a dózistelje-
némi indukált áramot és feszültséget. A mérési
sítmény közötti, és (b) a keltett feszültség és a
pontok nem tükröznek a távolsággal inverz
dózisteljesítmény közötti összefüggést szem-
négyzetes összefüggést, csak a CsI(Tl) szcin-
lélteti amorf napelemek, csatolt CsI(Tl),
tillátorhoz való csatolás eredményezett villa-
NaI(Tl) és műanyag (BC400) szcintillátorok
mos teljesítményt. 3,0
CsI(TI) 100
CsI(TI)
feszültség, V
2,0
áram, µA
NaI(TI) BC400
BC400
NaI(TI)
10-2 1,0 0,9
30
40
50
60 70 80 90 100
200
30
40
50
60 70 80 90 100
távolság, cm
távolság, cm a)
b)
4. ábra Az amorf napelem indukált árama és feszültsége
57
200
Korszerű energetikai berendezések
100
8e–06 7e–06
CsI(TI)
5e–06
feszültség, V
áram, A
6e–06
CsI(TI)
4e–06
NaI(TI) 10-1
3e–06
2e–06 30
40
50
60 70 80 90 100
200
távolság, cm
10-2 30
BC400 40
50
60 70 80 90 100
200
távolság, cm
a)
b)
5. ábra Az egykristályos napelem indukált árama és feszültsége
A 6. ábra ugyanazt az összefüggést mutatja
A 9. (a) ábra bemutatja a keltett villamos tel-
be, mint a 4. vagy az 5. ábra, de polikristályos
jesítménynek és a gamma-sugárforrástól való
napelem esetére. A létrehozott feszültség száz-
távolságnak az összefüggését, a 9. (b) ábra
szor kisebb, mint az egykristályos napelemnél,
pedig a létrehozott villamos teljesítmény és a
azonban az indukált áram bármely szcintillá-
dózisteljesítmény kapcsolatát. Mindkét eset
torral kombinálva nagyobb, mint egykristály
CsI(Tl) és NaI(Tl) szcintillátorhoz csatolt
esetében. Alig találtak különbséget a CsI(Tl)
amorf napelemre vonatkozik. A keltett villa-
és a NaI(Tl) szcintillátorok között, de váratla-
mos teljesítmény az összehasonlíthatóság ér-
nul nagy teljesítményt kaptak, ha a napelemet
dekében egységnyi térfogatra (cm3) vonatko-
a (BC400) típusú műanyag szcintillátorhoz
zik. A CsI(Tl) szcintillátorral keltett villamos
csatolták. A 7. ábra az egyes napelem-típusok
teljesítmény 3,2-szer nagyobb a NaI(Tl) szcin-
viselkedését hasonlítja össze CsI(Tl) szcintillá-
tillátorral létrehozottnál. Mindkét esetben a
tor alkalmazása esetén. Az amorf napelem
jelleggörbe egyenes, amelynek meredeksége
keltette mind a legnagyobb feszültséget, mind
majdnem megegyezik az inverz négyzetes
a legnagyobb áramot. A 8. ábra tanúsága sze-
törvényen alapuló elméleti értékkel (mivel a
rint nagyon hasonló a helyzet NaI(Tl) szcintil-
függőleges tengely logaritmikus).
látor alkalmazása esetén is.
58
Korszerű energetikai berendezések
10-6
CsI(TI)
10-7
feszültség, V
áram, A
CsI(TI)
BC400
10-8
10-3
BC400 NaI(TI)
NaI(TI)
10-4
10-9 30
40
50
60 70 80 90 100
200
30
40
50
60 70 80 90 100
távolság, cm
200
távolság, cm
a)
b)
6. ábra A polikristályos napelem indukált árama és feszültsége
100
amorf
amorf
0
10
feszültség, V
áram, µA
egykristályos
-2
10
egykristályos
10-2
10-4
polikristályos
10-4 10-6
polikristályos
30
40
50
60 70 80 90 100
200
30
távolság, cm
40
50
60 70 80 90 100
távolság, cm
a)
b)
7. ábra A CsI(Tl) szcintillátorhoz csatolt napelemek indukált árama és feszültsége
59
200
Korszerű energetikai berendezések
100 0
10
amorf
amorf egykristályos feszültség, V
áram, µA
10-2
10-4
30
40
50
60
70 80 90 100
polikristályos
10-4
polikristályos
10-6
10-2
200
30
távolság, cm
40
50
60 70 80 90 100
200
távolság, cm
a)
b)
8. ábra A NaI(Tl) szcintillátorhoz csatolt napelemek indukált árama és feszültsége
a létrehozott villamos teljesítmény, W/cm3
a létrehozott villamos teljesítmény, W
x 10-5
Log Y = -2.10Log x +0,05
10-5
CsI(T) NaI(T) 10-6
Log Y = -1,95Log X +0,01
30
40
50
60
70 80 90 100
200
CsI(T) Y=(5,23E-7) X – 2,60E-7
2
1
NaI(T)
Y =(1,61 x E-7) X + 1,07E-7
0 0
25
távolság, cm
dózisteljesítmény, Sv/h
a)
b)
9. ábra A CsI(Tl) és NaI(Tl) szcintillátorhoz csatolt napelemek által létrehozott villamos teljesítmény
60
50
Korszerű energetikai berendezések
A Na(Tl), CsI(Tl) és a (BC400) műanyag
idejének tudható be (a napelemek megvilágítá-
szcintillátorok közötti különbség világossá
si ideje túl rövid megfelelő hatás kiváltásá-
tételéhez kísérleteket végeztek hullámhossz-
hoz).
spektrométerrel.
Mindegyik
szcintillátort 60
Co gamma-
A CsI(Tl) szcintillátorhoz csatolt amorf nap-
sugárforrástól, és a szcintillátor által kibocsá-
elem hozta létre a legnagyobb villamos telje-
tott fényt spektrométerrel elemezték. A maxi-
sítményt. Az amorf napelem maximális érzé-
mális emissziónak megfelelő hullámhosszakra
kenysége 600 nm hullámhossz közelében van,
NaI(Tl) esetében 410–420 nm, CsI(Tl) eseté-
ami rövidebb, mint a kristályos napelemé.
ben 530–550 nm, és a műanyag szcintillátort
A CsI(Tl) szcintillátor legtöbb energiát kibo-
alkalmazva 410–450 nm adódott. Azt is meg-
csátó emissziós maximumának hullámhossza
vizsgálták, hogyan függ a napelem kimenőfe-
530 nm körül van, ami közel esik az amorf
szültsége a sugárzás beesési szögétől. Ebből a
napelem maximális érzékenységének megfele-
célból a napelemet folyamatosan forgó asztalra
lő tartományhoz.
50 cm távolságra helyezték a
helyezték, egy körbeforgás ideje 360 s volt, a méréseket 3 s-onként végezték. A gamma-
A CsI(Tl) szcintillátorhoz csatolt napelemek
sugárzásnak kitett napelem kimenőfeszültsége
kimenő feszültsége csaknem függetlennek
csaknem függetlennek bizonyult a gamma-
bizonyult a gamma-sugárzás beesési szögétől.
sugárzás beesési szögétől.
A napelemek önmagukban nem reagálnak a gamma-sugárzásra, a keletkező villamos teljesítményt a CsI(Tl) szcintillátor által keltett
Következtetések
fény hozza létre. Ez azt jelenti, hogy a CsI(Tl) szcintillátorba belépő gamma-sugarak egyen-
Mindegyik napelem a legnagyobb villamos
letesen keltenek fényt, és a létrehozott villa-
teljesítményt a CsI(Tl) szcintillátorhoz csatol-
mos teljesítményt a szcintillátor térfogata
va hozta létre, mivel ennek a szcintillátornak a
szabja meg, az független a gamma-sugarak
sűrűsége a legnagyobb, 4,5 g/cm3. Bár a mű-
beesési szögétől.
anyag szcintillátor nagyon olcsó és könnyen kezelhető, az általa létrehozott villamos telje-
További kísérleteket végeztek a napelem su-
sítmény lényegesen kisebb az elvártnál. Ez a
gárkárosulásának vizsgálatára is. Két CsI(Tl)
műanyag szcintillátor nagyon kis sűrűségének
szcintillátorhoz csatolt amorf napelemet he-
és a kibocsátott fény igen rövid lecsengési
lyeztek el a gamma-sugárforrástól 10 cm tá61
Korszerű energetikai berendezések
volságra. A napelemeket 25 órán át besugároz-
Egyetlen gamma-sugárzásnak kitett napelem
ták, a sugárterhelésük 20 000 Sv* volt. A gam-
által létrehozott villamos energia nagyon cse-
ma-besugárzás után a napelemek látható fény
kély, de jelentős energia kelthető sok elem
hatására létrejövő kimeneti teljesítménye nem
indukált áramának vagy feszültségének ösz-
vált nullává.
szegzésével, vagyis az elemek sorba és/vagy párhuzamos kapcsolásával. Az elemek egész
A kutatások a gamma-sugárzásnak kitett nap-
nap működtethetőek, nem függenek a Naptól,
elemeket vizsgálták gamma-napelemek kifej-
mint a szokásos napelemek. Összefoglalva, a
lesztése céljából. E gamma-napelemeket kí-
kimerült
vánják alkalmazni a kimerült nukleáris üzem-
sugárzásával működtetett gamma-napelemek
anyag hasznosítására. A kísérletek igazolták,
hasznosak lehetnek a villamosenergia-terme-
hogy a gamma-sugárzásnak kitett napelemek a
lésben.
nukleáris
üzemanyag
gamma-
következő tulajdonságokat mutatják: 1. Az amorf napelemek és a CsI(Tl) szcintil-
Összeállította: Schultz György
látor közötti hatékonyabb csatolás következtében ez a kombináció képes a nagyobb villamos teljesítményt létrehozni.
Irodalom
2. Az amorf napelemek lineárisan reagálnak a nagyintenzitású gamma-sugárzásra, és a
[1] Horiuchi, N.; Iijima, N. stb.: Proposal of utilization
keltett villamos teljesítmény arányos a
of nuclear spent fuels for gamma cells. = Solar
szcintillátor térfogatával.
Energy Materials & Solar Cells, 87. k. 1–4 sz. 2005. máj. p. 287–297.
3. A létrehozott villamos teljesítmény független a gamma-sugárzás beesési szögétől,
[2] Internetes vitafórum: Nuclear sandwich battery. =
és a szcintillátor térfogata határozza azt
http://www.halfbakery.com/idea/Nuclear_20sandwic
meg.
h_20battery
*
A sievert (Sv) a szervezetet érő sugárterhelés (dózis) SI mértékegysége. 1Sv = 1 J/kg, vagyis ekkor a szervezet 1 kgja 1 joule radioaktív sugárzási energiát nyel el. A háttérsugárzás értéke kb. 3,5 mSv/év.
62
