Всё о тритии

Александр Сергеевич АНИКИН работает в АО «ВНИИНМ» с 2013 года, в должности начальника научно-­исследовательского отдела — с мая 2018 года. В декабре 2021 года стал также заместителем директора отделения.

Был ответственным исполнителем работ по моделированию поведения водорода в циркониевых сплавах с помощью тритиевой метки и определению диффузионных характеристик трития и протия в циркониевых сплавах. Курировал разработку и изготовление мишеней из тритидов титана и циркония, создание безопасного закрытого радиоактивного источника, содержащего тритий, и создание установки для получения органических соединений, меченных тритием.

Под руководством А. С. Аникина была разработана и внедрена технология изготовления тритийсодержащих источников бета-излучения и малогабаритных бета-вольтаических источников энергии (БВИ) на их основе. На площадке АО «ВНИИНМ» практически с нуля организовано производство БВИ с контролем и метрологическим сопровождением всех необходимых параметров. Опытная партия изделий успешно прошла климатические испытания, проверку на механическую прочность и специальное воздействие.

Под руководством А. С. Аникина проводилось исследование закономерностей поведения трития в реакторных сталях, контактирующих со свинцовым теплоносителем РУ БРЕСТ-ОД‑300. Также А. С. Аникин разработал технологическую схему системы удаления газообразных продуктов деления из газа-носителя исследовательского жидкосолевого реактора. Рабочая группа с участием А. С. Аникина в 2020 году разработала и обосновала систему тритиевого технологического цикла для обеспечения работы токамака типа «Игнитор».

А. С. Аникин — автор и соавтор более 26 научно-­технических отчетов, 24 статей в российских и зарубежных журналах, 27 докладов на международных и национальных конференциях, семи патентов и ноу-хау.

К настоящему моменту открыто семь изотопов водорода, из них два стабильных (протий и дейтерий), остальные — радиоактивные. Тритий — это сверхтяжелый изотоп водорода, имеющий удобный для работы период полураспада — 12,3 года. Все остальные способны «прожить» только доли секунды.

Тритий был открыт в 1934 году учеными Эрнестом Резерфордом, Маркусом Олифантом и Паулем Хартеком. Интересно, что его название было предложено в 1932 году, после открытия второго изотопа водорода — дейтерия. Названия «протий», «дейтерий» и «тритий» — производные от греческих слов «протос», «дейтерос» и «тритос», означающих «первый», «второй» и «третий». Кстати, только у изотопов водорода есть собственные названия. Изотопы других элементов имеют только номера: углерод‑13, углерод‑14, кислород‑18 и так далее.

Тритиевые технологии (наработка, использование, переработка) в нашей стране зародились в стенах АО «ВНИИНМ». Сейчас, конечно, с тритием работает не только наш институт, но и много внутренне- и внешнеотраслевых организаций. В промышленности тритий получают, облучая ⁶Li нейтронами, — это один из самых простых, удобных и дешевых способов.

Тритий планируется использовать в термоядерной энергетике. Например, для запуска ИТЭР потребуется несколько килограммов трития — это очень много. Для научно-­исследовательских работ достаточно нескольких миллиграммов данного изотопа, с килограммами в лабораторных условиях практически никто не работает — это чрезвычайно опасно из-за высокой активности трития.

Для наработки больших объемов трития планируется использовать тяжеловодные реакторы, где теплоноситель первого контура выступает также замедлителем: обычная вода будет модифицирована по изотопу водорода, и дейтерий заменит протий. В результате реакции с нейтронами будет образовываться и затем выделяться тритий. Такой способ позволит наработать достаточно трития для обеспечения нужд термоядерной энергетики.

Организаций, нарабатывающих тритий, во всем мире не так много. В Евразии, например, этим занимается только ПО «Маяк». Трития, который там нарабатывают, достаточно для проведения исследовательских работ внутри России.

С небольшой натяжкой тритий можно отнести к элементарным частицам, образующимся в результате нейтронного взаимодействия с ядрами различных атомов. Это основной естественный его источник. При взаимодействии космических лучей, например, с атомами природного ¹⁴Н происходит, в числе прочего, реакция с образованием трития. Основная проблема, связанная с тритием, — его побочная наработка в реакторных установках. В первую очередь, конечно, тритий нарабатывается при тройном делении урана. При использовании урана в качестве топлива тритий всегда выступает сопутствующим продуктом. Также он нарабатывается в результате реакций с некоторыми теплоносителями и добавками к ним, компонентами системы управления и защиты реактора.

То есть в атомной энергетике тритий — своеобразный яд, от которого желательно избавиться.

Тритий — достаточно подвижный изотоп; он способен диффундировать сквозь металлы, особенно при высоких температурах (повышение температуры ускоряет диффузию), преодолевая барьер за барьером. Этим он отличается от других изотопов — продуктов деления (например, изотопов криптона и ксенона), которые к диффузии через оболочку твэла не способны. По ним, кстати, и отслеживается герметичность твэлов: если произошло разрушение, датчики, стоящие во внешнем контуре, показывают, где это случилось. Тритий же преодолевает оболочку твэла; для того чтобы этого не происходило, его необходимо выделять, концентрировать, утилизировать особым образом. Эта проблема характерна для большинства реакторов, как распространенных водо-водяных, так и перспективных, которые сейчас разрабатываются: жидкосолевых, БРЕСТа со свинцовым теплоносителем и других. Решение проблемы безопасного выделения трития из реактора или ОЯТ — одно из направлений работы с этим изотопом.

В то же время постоянно идет поиск новых способов коммерческого использования трития. Одна из сфер его применения, помимо термоядерной энергетики, — нейтронные генераторы, основанные на реакции термоядерного синтеза дейтерия и трития, в результате которой образуются нейтроны. Это более простой и дешевый способ нейтронных исследований: не нужно строить исследовательский атомный реактор, чтобы получить поток нейтронов, достаточно миниатюрного нейтронного генератора.

Любопытная область применения трития — источники света на его основе. Тритий эффективно нарабатывается в результате работы тяжеловодных реакторов. Реакторы такого типа, CANDU, работают, например, в Канаде. Там на регулярной основе проводится детритизация воды из них. Трития, таким образом, образуется достаточно много. Как его использовать? В Канаде налажено производство тритиевых источников света (трисов), работающих по принципу радиолюминесценции, вызванной бета-распадом этого изотопа. Этим занимаются и у нас, на «Маяке».

Тритиевые источники применяют, например, в часах для подсветки, причем она может быть разных цветов. Есть целый набор люминофоров, которые преобразуют излучение трития в свет видимого диапазона. Они обладают разными характеристиками по свету, интенсивности, различаются по технологиям изготовления, составу и т. д.

Трисы могут применяться и в наших радиоизотопных батарейках: с помощью люминофора бета-излучение переводится в фотоны света, которые затем преобразуются в электрический ток с помощью полупроводникового преобразователя. Это хорошо развитое направление, и КПД преобразования образующихся фотонов может доходить до 20−40%.

Батарейка сядет не скоро
Мир развивается, повсюду внедряются инновационные решения, требующие новых стабильных, безопасных источников энергии с длительным сроком службы. Ученые многих стран мира (и России в том числе) считают перспективным направление радиоизотопных источников питания, в том числе тритиевых. Все радиоизотопные источники можно условно разделить на две категории: с тепловым циклом и без него.

К первой категории относятся термоэлектрические преобразователи, так называемые РИТЭГи, в которых используется большое количество радиоактивного материала. Сначала этот материал разогревается, затем тепловая энергия преобразуется в электрический ток. Это достаточно большие устройства, их мощность может доходить до сотен ватт, и вес таких конструкций внушительный — до нескольких тонн. Это скорее миниатюрные подстанции, а не батареи. Их можно размещать в труднодоступных регионах, например, в Арктике. Устройства поменьше регулярно устанавливаются на спутниках и прочих космических аппаратах, задача которых — выйти за пределы Солнечной системы.

Миниатюрные источники питания без теплового цикла тоже разделяются на несколько категорий. К первой относятся те, в которых используется прямое преобразование энергии: энергия радиоактивного распада преобразуется в электрический ток, например, с помощью полупроводников. Самые известные такие источники — работающие на основе прямого преобразования бета-излучения (бета-вольтаические). Ко второй категории относятся источники на основе промежуточного преобразования бета-излучения в фотоны света (фотоэлектрические преобразователи с двой­ным преобразованием).

У каждого типа источников есть свои преимущества и недостатки; при этом тритий можно применять в каждом из них.

Радиоизотопами — кандидатами на роль топлива в миниатюрных батарейках — могут выступать несколько изотопов. Первые батарейки изготавливались с применением ⁹⁰Sr. Этот изотоп достаточно дешевый, его получают при переработке ОЯТ. Однако у стронция слишком высокая энергия бета-излучения. Кроме того, в результате образуется ⁹⁰Y с энергией бета-излучения примерно 2,3 МэВ — такого излучения не выдержит ни один существующий полупроводник.

Были попытки создать устройства на основе ¹⁴⁷Pm. Он требует дополнительной очистки, зато имеет комфортную энергию бета-распада. Однако его проблема заключается в коротком периоде полураспада — примерно 2,6 года. За это время мощность батарейки снижается примерно в два раза. Проблематично найти потребителя, готового использовать дорогостоящее устройство, мощность которого за три года снизится на 50%.

Одна из основных проблем на пути создания качественной батарейки — эффективность преобразования бета-излучения. От качества полупроводника, по большому счету, зависят характеристики будущего устройства. Сейчас полупроводниковая промышленность всего мира в основном занимается развитием солнечных батарей, то есть преобразованием света в электрический ток. Полупроводниковые преобразователи для бета-излучения — очень узкая сфера деятельности, и без дополнительных финансовых вливаний, без исследований это направление далеко не продвинется.

Работы с прометием и стронцием дали импульс развитию этого направления. Сегодня наиболее перспективными изотопами для батареек считаются ⁶³Ni и тритий. Основные различия между этими изотопами — период полураспада: у трития он составляет 12,3 года, у ⁶³Ni — около 100 лет. Конечно, батарейка, работающая целый век, выглядит очень привлекательно.

Но, во‑первых, технология получения чистого ⁶³Ni достаточно сложная и дорогая: стоимость 1 грамма трития и ⁶³Ni различается чуть ли не на порядки. Во-вторых, технологии по тритию давно отработаны, а получение ⁶³Ni еще 10 лет назад казалось фантастикой. Сейчас ⁶³Ni высокого обогащения появляется в атомной отрасли, но эту технологию еще предстоит обкатать. В-третьих, преимущество никеля — период полураспада в 100 лет — одновременно и недостаток; он имеет низкую радиоактивность: поток бета-частиц ⁶³Ni ниже, чем у трития. Ученые надеются получить ⁶³Niz с удельной активностью 80 кюри на 1 грамм — это планка, которой пока тяжело достичь. А удельная активность чистого газообразного трития — почти 10 тыс. кюри на 1 грамм, то есть потоки бета-частиц у трития и никеля различаются кардинально. В-четвертых, нужно понимать, что пока не существует устройства, которое гарантированно проработает 100 лет. Даже не каждый производитель полупроводниковых преобразователей гарантирует срок службы 20−30 лет.

В силу всех этих причин на первый план выходит тритий. Есть технологии его наработки и удержания, есть готовые площадки по обращению с ним. Бета-излучение его достаточно мягкое и практически не разрушает структуру полупроводника.

Кстати, в некоторых странах, например, в США, производители тритиевых батареек имеют лицензию чуть ли не на свободное распространение этих устройств. То есть купить такую батарейку теоретически может любое юрлицо. В нашей стране организации, использующей радиоизотопные источники питания, необходимо иметь санитарно-­эпидемиологическое заключение на право проведения таких работ. Свободное распространение радиоизотопных источников имеет свои нюансы — это значит, что производителю нужно продумать «защиту от дурака», потому что в случае разрушения ядерной батарейки радиоактивное вещество может нанести вред и человеку, и окружающей среде.

Что внутри?
Тритиевая батарейка состоит из трех основных элементов: корпуса, источника бета-излучения и полупроводника. Для получения приемлемой мощности используется комбинация из нескольких источников и нескольких полупроводников.

С корпусом все более или менее понятно: он должен подходить для дальнейшей интеграции в какие-то устройства, микросхемы.

С двумя остальными элементами батарейки нюансов больше. Расскажу об опыте ВНИИНМа. Наш институт занимался изготовлением источника бета-излучения с необходимыми техническими характеристиками для функционирования батарейки и сборкой готового устройства. Полупроводники, которые мы испытывали, были разного состава: кремниевые, преобразователи на основе арсенида галлия, карбида кремния, даже алмазные диоды Шоттки рассматривались в качестве кандидата на роль полупроводникового преобразователя в батарейке. Лучший результат мы получили с пилотным полупроводником на основе искусственного алмаза. Пока его КПД — чуть больше 2%, но есть идеи, как повысить этот показатель. У конкурентов — американской компании CityLabs — этот показатель — 7,5%: нам есть к чему стремиться. Зато мы добились лучших, чем американцы, результатов в области использования источников бета-излучения: мощность американских 0,3−0,4 мкВт на 1 см²; мощность источников, произведенных во ВНИИНМe, — около 1 мкВт на 1 см².

Отдельно отмечу, что при разработке батарейки мы использовали только отечественное сырье: и источник бета-излучения, и полупроводник, и корпус произведены в России. Несколько лет назад ВНИИНМ выпустил опытную партию таких батареек, которая прошла все необходимые испытания. Сейчас прорабатываются разные варианты развития этого направления, появляются новые потенциальные заказчики.

Пригодится везде
Ядерные батарейки, как уже было сказано выше, — миниатюрные источники питания с невысокой мощностью (речь идет о нано- и микроваттах). Они могут питать энергоэффективные маломощные системы, например, микроэлектромеханические, автономные датчики, блоки памяти, сенсоры.

Их основные конкурентные преимущества — длительный срок службы и способность работать в экстремальных условиях. Обычные батарейки, как известно, нельзя сильно нагревать и охлаждать, иначе они выйдут из строя. А бета-вольтаические источники питания можно нагревать до +100 °C и выше, охлаждать до -50 °C, а возможно, батарейка выдержит и температуру до -100 °C.

Сферы применения таких источников — это, во‑первых, отдаленные труднодоступные районы, где сложно производить замену источника питания. Во-вторых, медицинское направление — применение батарей в кардио- и нейростимуляторах. В 1970‑х годах производили кардиостимуляторы с источником питания на основе ²³⁸Pu. Такие приборы успешно установили 3 тыс. пациентов. Однако из-за ­радиофобии их производство было прекращено. А приборы с тритиевым источником питания абсолютно безопасны для здоровья человека. Средняя энергия бета-частицы — 5,7 кэВ, с такой энергией ее пробег в воздухе составляет несколько миллиметров. Затем она претерпевает торможение, образуется тормозное рентгеновское излучение, у него пробег чуть побольше. Для того чтобы экранироваться от бета-частицы, достаточно листа бумаги. Для защиты от тормозного рентгеновского излучения подойдет практически любой плотный материал: композитный, металлокерамический или металлический. Снаружи этой батарейки фон не превышает естественных значений, никакое излучение за ее пределы не выходит. Тритий — ­практически единственный элемент, обеспечивающий столь высокую степень защиты пользователя ядерной батарейки от ионизирующего излучения, по сравнению с ядерными батарейками на других радиоизотопах: ⁶³Ni, ¹⁴C и др.

Третья сфера применения бета-вольтаических источников питания — конечно, космос: радиоизотопные источники питания могут эффективно работать в связке с солнечными панелями, подстраховывая их на случай нештатных ситуаций и питая ключевые элементы аппаратуры.

В зависимости от сферы применения мы можем изменять конструкцию устройства, его размеры и форму — в соответствии с пожеланиями заказчика.