Ритэг радиоизотопный термоэлектрический генератор принцип работы

Журнал «Все о Космосе»

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ)

По сравнению с ядерными реакторами, использующими цепную реакцию, РИТЭГи значительно компактнее и проще конструктивно. Выходная мощность РИТЭГ весьма невелика (до нескольких сотен ватт) при небольшом КПД. Зато в них нет движущихся частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями.

Применение

РИТЭГ космического аппарата «New Horizons»

В космосе

Схема РИТЭГа, используемого на космическом аппарате Кассини-Гюйгенс

Плутоний-238 в 2006 г. при запуске зонда New Horizons к Плутону нашёл свое применение в качестве источника питания для аппаратуры космического аппарата. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида 238 Pu, производящего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и, по расчётам, 200 Вт к концу).

Зонды Галилео и Кассини были также оборудованы источниками энергии, в качестве топлива для которых служил плутоний. Марсоход Curiosity получает энергию благодаря плутонию-238. Марсоход использует последнее поколение РИТЭГов, называемое Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Это устройство производит 125 Вт электрической мощности, а по истечении 14 лет — 100 Вт.

РИТЭГ SNAP-27, применявшийся в миссии Аполлон-14 (в центре).

На Земле

РИТЭГ применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В частности, в СССР их использовали в качестве источников питания навигационного оборудования, установленного на побережье Северного Ледовитого океана вдоль трассы Северного морского пути. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГ в малодоступных местах прекратили.

В США РИТЭГ использовались не только для наземных источников питания, но и для морских буев и подводных установок. Например, в 1988 году СССР обнаружил два американских РИТЭГа рядом с советскими кабелями связи в Охотском море. Точное количество установленных США РИТЭГ неизвестно, оценки независимых организаций указывали 100—150 установок на 1992 год.

Плутоний-236 и плутоний-238 применялся для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца (кардиостимулятор). По состоянию на 2003 г. в США было 50—100 человек, имеющих плутониевый кардиостимулятор. До запрета на производство плутония-238 в США, ожидалось, что его применение может распространиться на костюмы водолазов и космонавтов.

Топливо

Радиоактивные материалы, используемые в РИТЭГах, должны соответствовать следующим характеристикам:

Достаточно высокая объёмная активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки. Минимальный объём ограничен тепловой и радиационной стойкостью материалов, слабоактивные изотопы ухудшают энергомассовое совершенство установки. Обычно это значит что период полураспада изотопа должен быть достаточно мал для высокой интенсивности распадов и распад должен давать достаточно много легкоутилизируемой энергии.
Достаточно длительный период поддержания мощности для выполнения задачи. Обычно это значит что период полураспада изотопа должен быть достаточно велик для заданной скорости падения энерговыделения. Типичные времена полураспада изотопов, используемых в РИТЭГах, составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с коротким периодом полураспада могут быть использованы для специализированных применений.
Удобный для утилизации энергии вид ионизирующего излучения. Гамма-излучение легко вылетает из конструкции, унося с собой энергию распада. Относительно легко могут улетать также нейтроны. Образующиеся при β-распаде высокоэнергетичные электроны неплохо задерживаются, однако при этом образуется тормозное рентгеновское излучение, уносящее часть энергии. При α-распаде образуются массивные α-частицы, эффективно отдающие свою энергию практически в точке образования.
Безопасный для экологии и аппаратуры вид ионизирующего излучения. Значительные гамма-, рентгеновское и нейтронное излучения зачастую требуют специальных конструктивных мер по защите персонала и близкорасположенной аппаратуры.
Относительная дешевизна изотопа и простота его получения в рамках имеющихся ядерных технологий.

Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами. Другие изотопы, такие как полоний-210, прометий-147, цезий-137, церий-144,рутений-106, кобальт-60, кюрий-242 и изотопы тулия были также изучены. Например, полоний-210 имеет период полураспада всего 138 дней при огромном начальном тепловыделении в 140 Вт на грамм. Америций-241 с периодом полураспада 433 года и тепловыделением 0,1 Вт/грамм.

Плутоний-238 чаще всего применяется в космических аппаратах. α-распад с энергией 5,5 МЭв (один грамм дает

0,54 Вт). Период полураспада 88 лет (потеря мощности 0,78 % в год) с образованием высокостабильного изотопа 234 U. Плутоний-238 является почти чистым альфа-излучателем, что делает его одним из самых безопасных радиоактивных изотопов с минимальными требованиями к биологической защите. Однако получение относительно чистого 238-го изотопа требует эксплуатации специальных реакторов, что делает его дорогим.

Стронций-90 широко применялся в наземных РИТЭГ советского и американского производства. Цепочка из двух β-распадов дает суммарную энергию 2.8 МЭв (один грамм дает

0,46 Вт). Период полураспада 29 лет с образованием стабильного 90 Zr. Стронций-90 получают из отработавшего топлива ядерных реакторов в больших количествах. Дешевизна и обилие этого изотопа определяет его широкое использование в наземном оборудовании. В отличие от плутония, стронций имеет значительный уровень ионизирующего излучения высокой проницаемости, что предъявляет относительно высокие требования к биологической защите.

Существует концепция подкритических РИТЭГ. Подкритический генератор состоит из источника нейтронов и делящегося вещества. Нейтроны источника захватываются атомами делящегося вещества и вызывают их деление. Основное преимущество такого генератора в том что энергия распада реакции с захватом нейтрона может быть гораздо выше энергии самопроизвольного деления. Например, для плутония это 200 МЭв против 6 МЭв спонтанного деления. Соответственно, потребное количество вещества гораздо ниже. Количество распадов и радиационная активность в пересчете на тепловыделение также ниже. Это снижает вес и размеры генератора.

Источник

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Почему они никогда не будут доступны для частного использования

Статья немного с футуристичеким уклоном, про перспективные технологии будущего. И про то, почему в настоящей ситуации их не будут внедрять для частного использования.

В статье Ядерные баратейки и перспективы их использования я высказал свою мысль, что маломощные ядерные батарейки останутся востребованы лишь в узкой части микроэлектроники, в медицине и в космонавтике. Стоимость и малые мощности накладывают ограничения для бытового применения.

Оказалось, что с середины 20 в. промышленность разных стран выпускала и силовые радиоизотопные термоэлектрические генераторы мощностью в десятки и сотни ватт.

С середины 20 в. выпускались так называемые РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы). Принцип их работы был прост. Радиоактивный изотоп нагревал капсулу и через термоэлектрический преобразователь (термопары, работающие на эффекте Томаса Зеебека), получали электроэнергию. Либо использовали кремниевые элементы Пельтье.

В основном их использовали для космических аппаратов и спутников. Работали они на стронции-90, а особо мощные – на плутонии-238. Примеры мощности: аппарат Voyager (160 Вт), Cassini, New Horizons и Galileo (по 300 Вт), Curiosity (110 Вт), Пионер-10 (155 Вт), наши луноходы и спутники и т.д.

РИТЭГи использовались и в лунной программе Аполлон:

Серый РИТЭГ SNAP-27 аппарата «Аполлон-14» с крыльчаткой-радиаторами мощность 73 Вт при напряжении 30 В. Один из самых первых РИТЭГов, SNAP-3 имел мощность 2,5 Вт и вес всего 2,5 килограмма. РИТЭГи использовали еще и для обогрева питаемой электроники.

Эти источники электроэнергии получили распространение и на земле. Компактные ядерные установки на изотопах использовали для питания навигационных маяков, радиомаяков и метеостанций на арктическом побережье страны в советское время:

Срок службы РИТЭГов – 30 лет. Но это при технологиях 50-70 летней давности. За все время в СССР было выпущено около 1000 РИТЭГов.

Герметичные РИТЭГи не представляют опасности окружающей среде и человеку. Но вот охотники за цветным металлом, несмотря на предупреждающую надпись о радиационной опасности, воровали их с мест установки и вскрывали их. Получали тем самым критические для организма дозы радиации.

За 36 лет произошло 23 инцидента с этими установками. Их роняли с вертолетов, разбирали и их находили в пунктах приема лома, местные жители использовали для обогрева жилья и т.д. Поразил случай, когда мощный источник радиации с РИТЭГа выкинули прямо на автобусной остановке.

Со всем списком случаев можно ознакомиться здесь: https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиоизотопный_термоэлектрический_генератор

Поиском установок занимается ФГУП «Гидрографическое предприятие» и Росморречфлот. За восемь лет только с Баренцева и Белого морей было вывезено на утилизацию 153 РИТЭГа. Два из РИТЭГа пока до сих пор не найдены.

Есть технологии еще серьезнее – малогабаритные атомные реакторы. Как пример — компактные ядерные установки Бук и Топаз для спутников.

Но о них как-нибудь в отдельной статье. Если эта тема интересна – напишите в комментариях, поставьте «+». Я буду знать, что продолжение нужно.

Так вот, резюмируя эту информацию про малогабаритные термоэлектрические генераторы на радиоизотопах с позиции частного применения. Идея для отопления и получения электричества для личных нужд отличная. РИТЭГ не требует обслуживания. Привезли, установили, опломбировали. Взломана пломба или произошла утечка радиации – сигнал на пульт и выезд бригады со всеми репрессиями и последствиями для владельца. Все как с оружием. Установка в подземном бункере с двойным контуром теплообмена и системой резервного охлаждения. И т.д.

Но у меня появилась мысль, что простым людям не позволят обладать таким источником энергии. Дело не в теории заговора, что какие-то силы сдерживают технологическое развитие человечества. И дело даже не в их стоимости (хотя за 30-50 лет работы мощного РИТЭГа можно выложить и круглую сумму). Дело в самих людях. Наглядные примеры того, как некоторые неразумные индивидуумы могут обращаться с радиоактивными источниками питания.

При настоящем уровне образования, морально-этического состояния психики и вообще адекватного представления о последствиях своих действий большинства людей на планете – эти установки просто опасны. Это все-равно, что дать гранаты обезьяне.

И людей образовывать до необходимого уровня, чтобы доверить такое оборудование никто не будет. Никто не будет больше тащить за волосы к просвещению. Было это при СССР. Той системы образования больше нет. Поэтому, максимум, на что мы можем рассчитывать – это мощный Li-Ion аккумулятор в телефоне и отопление своего дома магистральным газом (если он есть).

Подписывайтесь на канал, добавляйте его в закладки браузера (Ctrl+D). Впереди много интересной информации.

Источник

Радиоизотопный термоэлектрический генератор — Radioisotope thermoelectric generator

Радиоизотопный термоэлектрический генератор ( РТГ , РИТЭГ ) является типом ядерной батареи , которая использует массив термопар для преобразования тепла , выделяемое при распаде подходящего радиоактивного материала в электричество с помощью эффекта Зеебека . Этот тип генератора не имеет движущихся частей.

РИТЭГи использовались в качестве источников энергии в спутниках , космических аппаратах и удаленных объектах без экипажа, таких как серия маяков, построенных Советским Союзом за Полярным кругом . РИТЭГи, как правило, являются наиболее желательным источником энергии для неуправляемых ситуаций, когда требуется несколько сотен ватт (или меньше) мощности в течение слишком долгого времени для топливных элементов , батарей или генераторов, чтобы обеспечить их экономичность, а также в местах, где солнечные элементы нецелесообразны. Безопасное использование РИТЭГов требует удержания радиоизотопов в течение длительного времени после окончания срока службы блока. Расходы на RTG имеют тенденцию ограничивать их использование нишевыми приложениями в редких или особых ситуациях.

Читайте также: Треск в генераторе рено

СОДЕРЖАНИЕ

История

РИТЭГ был изобретен в 1954 году учеными Mound Laboratories Кеном Джорданом и Джоном Бирденом. Они были включены в Национальный зал славы изобретателей в 2013 году. Джордан и Бирден работали по контракту с армейским корпусом связи (R-65-8-998 11-SC-03-91), начиная с 1 января 1957 года, на проведение исследований радиоактивных веществ. материалы и термопары, подходящие для прямого преобразования тепла в электрическую энергию с использованием полония-210 в качестве источника тепла. РИТЭГи были разработаны в США в конце 1950-х годов компанией Mound Laboratories в Майамисбурге, штат Огайо , по контракту с Комиссией по атомной энергии США . Руководил проектом доктор Бертрам С. Бланке.

Первым РИТЭГом, запущенным в космос Соединенными Штатами, был SNAP 3B в 1961 году, работающий на 96 граммах металлического плутония-238 , на борту космического корабля Navy Transit 4A . Одно из первых наземных применений РИТЭГов было в 1966 году ВМС США на необитаемой Скале Фэрвей на Аляске. РИТЭГи использовались на этом объекте до 1995 года.

Распространенное применение РИТЭГ — источник питания космических аппаратов. Системы вспомогательной ядерной энергии (SNAP) были использованы для зондов, которые путешествовали далеко от Солнца, что делало солнечные батареи непрактичными. Таким образом, они использовались с Pioneer 10 , Pioneer 11 , Voyager 1 , Voyager 2 , Galileo , Ulysses , Cassini , New Horizons и Марсианской научной лабораторией . РИТЭГи использовались для питания двух посадочных устройств « Викинг» и для научных экспериментов, оставленных на Луне экипажами Аполлонов с 12 по 17 (SNAP 27). Поскольку посадка Аполлона-13 на Луну была прервана, его РИТЭГ находится в южной части Тихого океана , в районе желоба Тонга . РИТЭГи также использовались для спутников Nimbus , Transit и LES . Для сравнения: с полноценными ядерными реакторами запущено всего несколько космических аппаратов : советская серия RORSAT и американский SNAP-10A .

Помимо космических кораблей, к концу 1980-х годов Советский Союз построил 1007 РИТЭГов для питания необитаемых маяков и навигационных маяков на советском арктическом побережье . В Советском Союзе было построено много разных типов РИТЭГов для самых разных целей. Маяки не эксплуатировались в течение многих лет после распада Советского Союза в 1991 году . Некоторые из РИТЭГов исчезли в это время — либо в результате грабежей, либо в результате естественных сил льда / шторма / моря. В 1996 году российские и международные сторонники начали проект по выводу из эксплуатации РИТЭГов на маяках, и к 2021 году все РИТЭГи будут выведены из эксплуатации.

С 1992 года ВВС США также использовали РИТЭГи для питания удаленного арктического оборудования, а правительство США использовало сотни таких блоков для питания удаленных станций по всему миру. Станции обнаружения для радарных систем Top-ROCC и SEEK IGLOO , расположенные преимущественно на Аляске , используют РИТЭГи. В установках используется стронций-90 , и как на земле, так и на дне океана было развернуто большее количество таких агрегатов, чем на космических кораблях, при этом государственные нормативные документы предполагают, что США развернули не менее 100–150 единиц во время 1970-е и 1980-е годы.

В прошлом небольшие «плутониевые элементы» (очень маленькие RTG с питанием от 238 Pu) использовались в имплантированных кардиостимуляторах для обеспечения очень длительного «срока службы батарей». По состоянию на 2004 год около девяноста все еще использовались. К концу 2007 года их количество сократилось до девяти. Программа Mound Laboratory Cardiac Pacemaker началась 1 июня 1966 года совместно с NUMEC. Когда было признано, что источник тепла не останется нетронутым во время кремации, программа была отменена в 1972 году, поскольку не было возможности полностью гарантировать, что устройства не будут кремированы вместе с телами пользователей.

Дизайн

Конструкция РИТЭГа проста по стандартам ядерных технологий : основным элементом является прочный контейнер с радиоактивным материалом (топливом). Термопары размещены в стенках контейнера, причем внешний конец каждой термопары подсоединен к радиатору . При радиоактивном распаде топлива выделяется тепло. Разница температур между топливом и радиатором позволяет термопарам вырабатывать электричество.

Термопара — это термоэлектрическое устройство, которое может преобразовывать тепловую энергию непосредственно в электрическую , используя эффект Зеебека . Он сделан из двух видов металлов (или полупроводников), которые оба могут проводить электричество. Если они соединены друг с другом в замкнутом контуре и два перехода имеют разную температуру , в контуре будет течь электрический ток. Обычно большое количество термопар подключаются последовательно для создания более высокого напряжения.

Топлива

Обследование РИТЭГов космического корабля » Кассини» перед запуском

Критерии выбора изотопов

Радиоактивный материал, используемый в РИТЭГах, должен иметь несколько характеристик:

Его период полураспада должен быть достаточно длинным, чтобы он выделял энергию с относительно постоянной скоростью в течение разумного периода времени. Количество энергии, высвобождаемой за время ( мощность ) данного количества, обратно пропорционально периоду полураспада. Изотоп с вдвое большим периодом полураспада и такой же энергией при распаде будет выделять энергию вдвое быстрее, чем на моль . Таким образом, типичные периоды полураспада радиоизотопов, используемых в РИТЭГах, составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с более короткими периодами полураспада могут использоваться для специализированных приложений.
Для использования в космических полетах топливо должно производить большое количество энергии в расчете на массу и объем ( плотность ). Плотность и вес не так важны для наземного использования, если нет ограничений по размеру. Энергия распада может быть вычислена , если энергия радиоактивного излучения или потери массы до и после радиоактивного распада известна. Выделение энергии при распаде пропорционально выработке энергии на моль . Альфа-распад обычно высвобождает примерно в десять раз больше энергии, чем бета-распад стронция-90 или цезия-137.
Излучение должно быть такого типа, который легко поглощается и превращается в тепловое излучение, предпочтительно альфа-излучение . Бета-излучение может испускать значительное гамма / рентгеновское излучение за счет образования вторичного тормозного излучения и, следовательно, требует сильной защиты. Изотопы не должны производить значительное количество гамма-, нейтронного излучения или проникающего излучения в целом через другие видыраспада или продукты цепочки распада .

Первые два критерия ограничивают количество возможных видов топлива менее тридцати атомных изотопов во всей таблице нуклидов .

Плутоний-238 , кюрий-244 и стронций-90 являются наиболее часто цитируемыми изотопами-кандидатами, но другие изотопы, такие как полоний-210 , прометий-147 , цезий-137 , церий- 144, рутений-106 , кобальт-60 , кюрий — 242, изотопы америция- 241 и тулия также были изучены.

Материал

Экранирование

Плотность мощности (Вт / г)

Период полураспада (лет)

238 Pu

Низкий

0,54

238 Pu

Плутоний-238 имеет период полураспада 87,7 лет, разумную плотность мощности 0,57 Вт на грамм и исключительно низкие уровни гамма- и нейтронного излучения. 238 Pu имеет самые низкие требования к экранированию. Только три изотопа-кандидата соответствуют последнему критерию (не все перечислены выше) и нуждаются в свинцовой защите толщиной менее 25 мм для блокировки излучения. Для 238 Pu (лучшего из этих трех) требуется менее 2,5 мм, и во многих случаях в РИТЭГе на 238 Pu экранирование не требуется , поскольку достаточно самого корпуса. 238 Pu стал наиболее широко используемым топливом для РИТЭГов в виде оксида плутония (IV) (PuO ₂ ). Однако оксид плутония (IV), содержащий естественное количество кислорода, испускает нейтроны со скоростью

23×10 3 н / сек / г плутония-238. Эта скорость эмиссии относительно высока по сравнению со скоростью эмиссии нейтронов металлического плутония-238. Металл, не содержащий примесей легких элементов, выделяет плутоний-238

2,8х10 3 н / сек / г. Эти нейтроны образуются в результате спонтанного деления плутония-238.

Разница в скорости эмиссии металла и оксида в основном связана с альфа-нейтронной реакцией с кислородом-18 и кислородом-17, присутствующим в оксиде. Нормальное количество кислорода-18, присутствующего в естественной форме, составляет 0,204%, в то время как количество кислорода-17 составляет 0,037%. Уменьшение содержания кислорода-17 и кислорода-18 в диоксиде плутония приведет к гораздо более низкой скорости эмиссии нейтронов для оксида; это может быть достигнуто методом газофазного обмена 16 O ₂ . Регулярные производственные партии из 238 частиц PuO _2, осажденных в виде гидроксида, были использованы для демонстрации того, что большие производственные партии могут эффективно заменяться на 16 O ₂ на рутинной основе. Обжигается при высокой температуре 238 PuO ₂ микросферы была успешно 16 O ₂ -exchanged , показывающей , что обмен будет происходить независимо от предыдущей истории тепловой обработки 238 PuO ₂ . Это снижение скорости испускания нейтронов PuO _2, содержащего нормальный кислород, в пять раз было обнаружено во время исследования кардиостимулятора в лаборатории Mound в 1966 году, отчасти благодаря опыту лаборатории Mound по производству стабильных изотопов, начиная с 1960 года. для крупных источников тепла без этого процесса требуемая защита была бы недопустимой.

В отличие от трех других изотопов, обсуждаемых в этом разделе, 238 Pu должен быть специально синтезирован, и его не так много в качестве ядерных отходов. В настоящее время только Россия поддерживает высокие объемы производства, в то время как в США в период с 2013 по 2018 год было произведено в общей сложности не более 50 г (1,8 унции). Агентства США выразили желание начать производство материала со скоростью От 300 до 400 граммов (от 11 до 14 унций) в год. Если этот план будет профинансирован, целью будет создание процессов автоматизации и масштабирования, чтобы к 2025 году производить в среднем 1,5 кг (3,3 фунта) в год.

90 Sr

Стронций-90 использовался Советским Союзом в наземных РИТЭГах. 90 Sr распадается за счет β-излучения с незначительным γ-излучением. Хотя его период полураспада 28,8 года намного короче, чем у 238 Pu, он также имеет более низкую энергию распада с плотностью мощности 0,46 Вт на грамм. Поскольку выходная энергия ниже, он достигает более низких температур, чем 238 Pu, что приводит к снижению КПД РИТЭГа. 90 Sr — это отходы ядерного деления с высоким выходом, которые доступны в больших количествах по низкой цене.

210 По

В некоторых прототипах РИТЭГов, впервые построенных в 1958 году Комиссией по атомной энергии США, использовался полоний-210 . Этот изотоп обеспечивает феноменальную плотность мощности (чистый 210 По излучает 140 Вт / г) из-за его высокой скорости распада , но имеет ограниченное использование из-за очень короткого периода полураспада, составляющего 138 дней. Полграмм образца 210 Po достигает температуры более 500 ° C (900 ° F). Поскольку Po-210 является чистым альфа-излучателем и не излучает значительного гамма- или рентгеновского излучения, требования к экранированию также низкие, как для Pu-238.

241 утра

Америций-241 является потенциальным изотопом-кандидатом с более длительным периодом полураспада, чем 238 Pu: 241 Am имеет период полураспада 432 года и гипотетически может приводить в действие устройство в течение столетий. Однако плотность мощности 241 Am составляет всего 1/4 от плотности мощности 238 Pu, а 241 Am производит более проникающее излучение через продукты цепи распада, чем 238 Pu, и требует большей защиты. Его требования к экранированию в RTG являются третьими по величине: только 238 Pu и 210 Po требуют меньше. При нынешнем глобальном дефиците 238 Pu, 241 Am изучается в качестве топлива для РИТЭГов Европейским космическим агентством, а в 2019 году Национальная ядерная лаборатория Великобритании объявила о производстве полезной электроэнергии. Преимущество перед 238 Pu состоит в том, что он производится как ядерные отходы и почти изотопно чист. Прототип конструкция 241 Am РТГА ожидает 2-2,2 W _э / кг для 5-50 Вт _{электронной} РТГ дизайн, вкладывая 241 Am РТГА в паритете с 238 Pu РТГОМ в пределах этого диапазона мощности.

250 см

Кюрий-250 — это мельчайший трансурановый изотоп, который в основном распадается в результате спонтанного деления, процесса, при котором выделяется во много раз больше энергии, чем при альфа-распаде. По сравнению с плутонием-238, кюрий-250 обеспечивает примерно четверть плотности мощности, но в 1000 раз больше, чем период полураспада.

Срок жизни

В большинстве РИТЭГов используется 238 Pu, период полураспада которого составляет 87,7 года. Таким образом, у РИТЭГов, использующих этот материал, будет уменьшаться выходная мощность в 1 — (1/2) 1 / 87,7 раза , что составляет 0,787%, в год.

Одним из примеров является MHW-RTG, используемый зондами Voyager . В 2000 году, через 23 года после производства, мощность радиоактивного материала внутри РИТЭГа снизилась на 16,6%, то есть на 83,4% от его первоначальной мощности; начиная с мощности 470 Вт, по прошествии этого периода времени она будет иметь мощность всего 392 Вт. Связанная с этим потеря мощности в РИТЭГах «Вояджер» — это ухудшение свойств биметаллических термопар, используемых для преобразования тепловой энергии в электрическую. ; РИТЭГи работали примерно на 67% от их общей первоначальной мощности вместо ожидаемых 83,4%. К началу 2001 года мощность, вырабатываемая РИТЭГами «Вояджера», упала до 315 Вт для « Вояджера-1» и до 319 Вт для « Вояджера-2» .

Многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор

НАСА разработало многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG), в котором термопары будут сделаны из скуттерудита , арсенида кобальта (CoAs ₃ ), который может работать при меньшей разнице температур, чем нынешние конструкции на основе теллура . Это означало бы, что аналогичный РИТЭГ будет генерировать на 25% больше энергии в начале миссии и как минимум на 50% больше через семнадцать лет. НАСА надеется использовать этот дизайн в следующей миссии New Frontiers .

Эффективность

РИТЭГи используют термоэлектрические генераторы для преобразования тепла радиоактивного материала в электричество. Термоэлектрические модули, хотя и очень надежны и долговечны, но очень неэффективны; КПД выше 10% никогда не достигался, а КПД большинства РИТЭГов составляет 3–7%. Термоэлектрические материалы в космических полетах на сегодняшний день включают кремний-германиевые сплавы, теллурид свинца и теллуриды сурьмы, германия и серебра (ТАГС). Были проведены исследования по повышению эффективности за счет использования других технологий для выработки электроэнергии из тепла. Достижение более высокого КПД означало бы, что для выработки того же количества энергии требуется меньше радиоактивного топлива и, следовательно, меньший общий вес генератора. Это критически важный фактор при рассмотрении стоимости запуска космического полета.

Термоэмиссионного преобразователь устройство преобразования энергии -an , которая опирается на принципе термоэлектронной эмиссии -можно достичь эффективности между 10-20%, но требует более высоких температур , чем те , при которых стандартный РТГЕ работать. В некоторых прототипах РИТЭГов на 210 Po использовалась термоэлектроника, и потенциально другие чрезвычайно радиоактивные изотопы также могли бы обеспечивать энергию с помощью этого средства, но короткие периоды полураспада делают это невозможным. В нескольких ядерных реакторах космического назначения использовалась термоэлектроника, но ядерные реакторы обычно слишком тяжелы, чтобы их можно было использовать на большинстве космических зондов.

Термофотоэлектрические элементы работают по тем же принципам, что и фотоэлектрические элементы , за исключением того, что они преобразуют инфракрасный свет, излучаемый горячей поверхностью, а не видимый свет, в электричество. Термофотоэлектрические элементы имеют КПД немного выше, чем термоэлектрические модули (ТЕМ), и их можно накладывать поверх самих себя, потенциально удваивая эффективность. Системы с генераторами радиоизотопов, имитирующими электрические нагреватели, продемонстрировали эффективность 20%, но еще не были испытаны с радиоизотопами. Некоторые теоретические конструкции термофотоэлектрических элементов имеют КПД до 30%, но они еще не построены или подтверждены. Термофотоэлектрические элементы и кремниевые ПЭМ разлагаются быстрее, чем металлические ПЭМ, особенно в присутствии ионизирующего излучения.

Динамические генераторы могут обеспечивать мощность, более чем в четыре раза превышающую эффективность преобразования РИТЭГов. НАСА и Министерство энергетики США разрабатывают источник энергии следующего поколения, работающий на радиоизотопном топливе, под названием « Радиоизотопный генератор Стирлинга» (SRG), в котором используются двигатели Стирлинга со свободным поршнем, соединенные с линейными генераторами переменного тока для преобразования тепла в электричество. Прототипы SRG продемонстрировали средний КПД 23%. Большего КПД можно достичь за счет увеличения соотношения температур между горячим и холодным концом генератора. Использование бесконтактных движущихся частей, устойчивых к износу изгибных подшипников и не требующей смазки и герметичной среды на испытательных установках не продемонстрировало заметного ухудшения характеристик за годы эксплуатации. Экспериментальные результаты демонстрируют, что SRG может работать в течение десятилетий без обслуживания. Вибрация может быть устранена путем внедрения динамической балансировки или использования движения поршня с двумя противоположными направлениями. Возможные применения радиоизотопной энергосистемы Стирлинга включают исследования и научные миссии в дальний космос, на Марс и Луну.

Повышенная эффективность SRG может быть продемонстрирована следующим теоретическим сравнением термодинамических свойств. Эти расчеты упрощены и не учитывают уменьшение потребляемой тепловой мощности из-за длительного периода полураспада радиоизотопов, используемых в этих генераторах. Предположения для этого анализа включают то, что обе системы работают в установившемся режиме в условиях, наблюдаемых в экспериментальных процедурах (см. Таблицу ниже для используемых значений). Оба генератора могут быть упрощены до тепловых двигателей, чтобы иметь возможность сравнивать их текущую эффективность с соответствующей эффективностью Карно. Предполагается, что система состоит из компонентов, помимо источника тепла и радиатора.

Тепловой КПД, обозначаемый η _th , определяется как:

η th знак равно Желаемый результат Обязательный ввод знак равно W вне ′ Q в ′ <\ displaystyle \ eta _ <\ text

Термоэлектрический эффект

> = <\ frac <\ text <Желаемый результат>> <\ text <Требуемый ввод>>> = <\ frac >> >>>>

где штрихи (‘) обозначают производную по времени.

Из общей формы Первого закона термодинамики в скоростной форме:

Δ E ′ sys знак равно Q в ′ + W в ′ — Q вне ′ — W вне ′ <\ displaystyle \ Delta E '^ <\ text > = Q’ _ <\ text > + W ‘_ <\ text > — Q’ _ <\ text > — W ‘_ <\ text > \,>

Предполагая, что система работает в установившемся режиме и , W в ′ знак равно 0 <\ displaystyle W '_ <\ text > = 0 \,>

W вне ′ знак равно Q в ′ — Q вне ′ <\ displaystyle W '_ <\ text > = Q’ _ <\ text > — Q ‘_ <\ text > \,>

Тогда η _th может быть рассчитано как 110 Вт / 2000 Вт = 5,5% (или 140 Вт / 500 Вт = 28% для SRG). Кроме того, эффективность Второго закона, обозначаемая η _II , определяется как:

η II знак равно η th η th, rev <\ displaystyle \ eta _ <\ text > = <\ frac <\ eta _ <\ text

>> <\ eta _ <\ text >>>>

где η _{th, rev} — КПД Карно, определяемый по формуле:

η th знак равно 1 — Т радиатор Т источник тепла <\ displaystyle \ eta _ <\ text

> = 1 — <\ frac >> >>>>

в которой Т _{теплоотвода} — это внешняя температура (которая была измерена как 510 K для MMRTG (многоцелевой RTG) и 363 K для SRG), а T _{heat source} — это температура MMRTG, предполагаемая 823 K (1123 K для SRG). Это дает эффективность Второго закона 14,46% для MMRTG (или 41,37% для SRG).

Безопасность

Кража

Радиоактивные материалы, содержащиеся в РИТЭГах, опасны и даже могут быть использованы в злонамеренных целях. Они мало пригодны для настоящего ядерного оружия , но все же могут служить в « грязной бомбе ». Советский Союз построил множество необитаемых маяков и навигационные маяки питания от РТГА с использованием стронция-90 ( 90 Sr). Они очень надежны и обеспечивают стабильный источник энергии. Большинство из них не имеют защиты, даже заборов или предупреждающих знаков, а расположение некоторых из этих объектов больше не известно из-за плохого ведения учета. В одном случае радиоактивные отсеки вскрыл вор. В другом случае трое лесорубов в Цаленджихинском районе, Грузия, обнаружили два керамических бесхозных источника РИТЭГов , которые были лишены защиты; двое из них позже были госпитализированы с тяжелыми лучевыми ожогами после ношения источников на спине. В конечном итоге блоки были восстановлены и изолированы. В России насчитывается около 1000 таких РИТЭГов, все из которых давно превысили проектный срок службы, составляющий десять лет. Большинство из этих РИТЭГов, вероятно, больше не работают, и, возможно, их придется демонтировать. Некоторые из их металлических гильз были обнажены охотниками за металлом, несмотря на риск радиоактивного заражения.

Радиоактивное загрязнение

РИТЭГи представляют опасность радиоактивного заражения : если контейнер с топливом протекает, радиоактивный материал может загрязнить окружающую среду.

Что касается космических аппаратов, то основная проблема заключается в том, что если во время запуска или последующего пролета космического аппарата близко к Земле произойдет авария, вредные вещества могут быть выброшены в атмосферу; поэтому их использование в космических кораблях и в других местах вызвало споры.

Однако это событие маловероятно при нынешних конструкциях контейнеров с РИТЭГами. Например, исследование воздействия на окружающую среду зонда Кассини-Гюйгенс, запущенного в 1997 году, оценило вероятность аварий с загрязнением на различных этапах миссии. Вероятность возникновения аварии, вызвавшей выброс радиоактивного вещества из одного или нескольких из 3 РИТЭГов (или из 129 блоков радиоизотопных нагревателей ) в течение первых 3,5 минут после запуска, оценивается в 1 из 1400; шансы на выход на орбиту позже были 1 из 476; после этого вероятность случайного выброса резко упала до менее 1 на миллион. Если авария, которая могла вызвать заражение, произошла на этапах запуска (например, космический корабль не смог выйти на орбиту), вероятность заражения, на самом деле вызванного РИТЭГами, оценивалась примерно в 1 из 10. Запуск был успешным, и Кассини –Хюйгенс достиг Сатурна .

Чтобы свести к минимуму риск выброса радиоактивного материала, топливо хранится в отдельных модульных установках с собственной тепловой защитой. Они окружены слоем металлического иридия и заключены в высокопрочные графитовые блоки. Эти два материала устойчивы к коррозии и высокой температуре. Графитовые блоки окружает аэрозольная оболочка, предназначенная для защиты всей сборки от тепла, возникающего при повторном входе в атмосферу Земли. Плутониевое топливо также хранится в термостойкой керамической форме, что сводит к минимуму риск испарения и аэрозолизации. Керамика также очень нерастворима .

Плутоний-238 используется в этих РТГ имеет период полураспада в 87,74 лет, в отличие от 24110 года полураспада плутония-239 , используемого в ядерном оружии и реакторов . Следствием более короткого периода полураспада является то, что плутоний-238 примерно в 275 раз более радиоактивен, чем плутоний-239 (т.е. 17,3 кюри (640 ГБк ) / г по сравнению с 0,063 кюри (2,3 ГБк) / г). Например, 3,6 кг плутония-238 подвергается тому же количеству радиоактивных распадов в секунду, что и 1 тонна плутония-239. Поскольку заболеваемость двумя изотопами с точки зрения поглощенной радиоактивности почти одинакова, плутоний-238 примерно в 275 раз токсичнее плутония-239.

Альфа-излучение, испускаемое любым изотопом, не проникает через кожу, но может облучать внутренние органы при вдыхании или проглатывании плутония. Особому риску подвержен скелет , поверхность которого может поглощать изотоп, и печень , где изотоп будет собираться и концентрироваться.

Несчастные случаи

Известно несколько аварий с участием космических аппаратов с РИТЭГами:

Первым был неудачный запуск 21 апреля 1964 года, когда американский навигационный спутник Transit-5BN-3 не смог выйти на орбиту и сгорел при входе в атмосферу к северу от Мадагаскара . Металлическое плутониевое топливо мощностью 17000 Ки (630 ТБк) в его РИТЭГе SNAP- 9a было выброшено в атмосферу над южным полушарием, где оно сгорело, а несколько месяцев спустя в этом районе были обнаружены следы плутония-238. Этот инцидент привел к тому, что Комитет по безопасности НАСА потребовал неповрежденного входа в атмосферу при будущих запусках РИТЭГов, что, в свою очередь, повлияло на конструкцию РИТЭГов в трубопроводе.
Вторым был метеорологический спутник Nimbus B-1, ракета-носитель которого была намеренно уничтожена вскоре после запуска 21 мая 1968 года из-за неустойчивой траектории. Запущенный с базы ВВС Ванденберг , его РИТЭГ SNAP-19, содержащий относительно инертный диоксид плутония, был извлечен в целости и сохранности с морского дна в проливе Санта-Барбара пять месяцев спустя, и никакого загрязнения окружающей среды обнаружено не было.
В 1969 г. провалился запуск первой миссии лунохода «Луноход », в результате чего полоний-210 разнесся по большой территории России.
Провал миссии « Аполлон-13 » в апреле 1970 года означал, что лунный модуль вернулся в атмосферу с РИТЭГом и сгорел над Фиджи . Он нес РИТЭГ SNAP-27, содержащий 44 500 Ки (1650 ТБк) диоксида плутония в графитовой бочке на опоре посадочного модуля, который пережил возвращение в атмосферу Земли в целости и сохранности, как это было задумано, и траектория была построена таким образом, чтобы он мог упасть. на 6–9 километров воды в желобе Тонга в Тихом океане . Отсутствие загрязнения плутонием-238 в пробах атмосферной и морской воды подтвердило предположение о том, что контейнер не поврежден на морском дне. Ожидается, что контейнер будет содержать топливо в течение не менее 10 периодов полураспада (т.е. 870 лет). Министерство энергетики США провело испытания с морской водой и определило, что графитовый кожух, который был спроектирован так, чтобы выдерживать вход в атмосферу, является стабильным и выброс плутония не должен происходить. Последующие исследования не выявили увеличения естественного радиационного фона в этом районе. Авария Аполлона-13 представляет собой экстремальный сценарий из-за высоких скоростей входа в атмосферу корабля, возвращающегося из цис-лунного пространства (область между атмосферой Земли и Луной). Эта авария подтвердила высокую безопасность конструкции РИТЭГов более поздних поколений.
Марс 96 был запущен Россией в 1996 году, но не смог покинуть околоземную орбиту и снова вошел в атмосферу через несколько часов. Два РИТЭГа на борту перевозили в общей сложности 200 г плутония и, как предполагается, пережили возвращение в атмосферу, для чего были предназначены. Считается, что теперь они лежат где-то в овале с северо-востоком на юго-запад длиной 320 км и шириной 80 км, который расположен в 32 км к востоку от Икике , Чили .

Один РИТЭГ, SNAP-19C , был потерян недалеко от вершины горы Нанда Деви в Индии в 1965 году, когда он хранился в скале недалеко от вершины горы перед лицом снежной бури, прежде чем его можно было установить для питания ЦРУ. дистанционная автоматизированная станция сбора телеметрии с китайского ракетного испытательного комплекса. Семь капсул были унесены лавиной с горы на ледник и так и не восстановились. Скорее всего, они растаяли через ледник и превратились в порошок, в результате чего топливо из сплава плутония-циркония 238 окислило частицы почвы, которые движутся в шлейфе под ледником.

Многие РИТЭГи Бета-М, производимые Советским Союзом для работы маяков и маяков , стали бесхозными источниками радиации. Некоторые из этих блоков были незаконно разобраны на металлолом (что привело к полному обнажению источника Sr-90 ), упали в океан или имеют дефектную защиту из-за плохой конструкции или физического повреждения. Министерства обороны США программы совместного уменьшения угрозы выразили обеспокоенность тем , что материал , из беты-М РТГА может быть использован террористами для построения грязной бомбы .

Сравнение с реакторами деления

В РИТЭГах и реакторах деления используются очень разные ядерные реакции.

Ядерные энергетические реакторы (в том числе миниатюрные, используемые в космосе) осуществляют управляемое деление ядер в цепной реакции . Скорость реакции можно контролировать с помощью регулирующих стержней , поглощающих нейтроны , поэтому мощность может изменяться в зависимости от потребности или отключаться (почти) полностью для обслуживания. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать неконтролируемой работы на опасно высоких уровнях мощности или даже взрыва или ядерного расплавления .

В РИТЭГах цепных реакций не происходит. Тепло производится в результате спонтанного радиоактивного распада с нерегулируемой и постоянно уменьшающейся скоростью, которая зависит только от количества изотопа топлива и его периода полураспада. В RTG выработка тепла не может изменяться в зависимости от потребности или отключаться, когда она не нужна, и невозможно сэкономить больше энергии на будущее за счет снижения энергопотребления. Следовательно, для удовлетворения пикового спроса могут потребоваться вспомогательные источники питания (например, аккумуляторные батареи), и необходимо обеспечить надлежащее охлаждение в любое время, включая этапы подготовки к запуску и ранние этапы полета космической миссии. Эффектные сбои, такие как ядерный расплав или взрыв, невозможны с РИТЭГом, но все же существует риск радиоактивного заражения, если ракета взорвется или устройство снова войдет в атмосферу и распадется.

Докритический мультипликатор РИТЭГ

Из-за нехватки плутония-238 был предложен новый вид РИТЭГов с подкритическими реакциями. В этом виде РТГ альфа-распад радиоизотопа также используется в реакциях альфа-нейтронов с подходящим элементом, таким как бериллий . Таким образом создается долгоживущий источник нейтронов . Поскольку система работает с критичностью, близкой, но меньше 1, то есть K _eff 238 Pu, необходимого на одну миссию. Идея была предложена НАСА в 2012 году для ежегодного конкурса NASA NSPIRE, который в 2013 году был переведен в Национальную лабораторию Айдахо в Центре космических ядерных исследований (CSNR) для изучения осуществимости. Однако основные положения остались неизменными.

РИТЭГ для межзвездных зондов

РИТЭГ были предложены для использования в реалистичных межзвездных миссиях-предвестниках и межзвездных исследованиях . Примером этого является предложение НАСА « Инновационный межзвездный исследователь» (2003 г. — настоящее время). РИТЭГ, использующий 241 Am, был предложен для этого типа миссий в 2002 году. Он может обеспечить продление миссии до 1000 лет на межзвездном зонде, потому что выходная мощность будет снижаться медленнее в долгосрочной перспективе, чем плутоний. Другие изотопы для РИТЭГов также были изучены в исследовании, с учетом таких характеристик, как ватт / грамм, период полураспада и продукты распада. В предложении межзвездного зонда от 1999 г. предлагалось использовать три усовершенствованных радиоизотопных источника питания (ARPS).

Электричество РИТЭГа можно использовать для питания научных приборов и связи с Землей на зондах. Одна миссия предложила использовать электричество для питания ионных двигателей , назвав этот метод радиоизотопным электрическим движителем (REP).

Электростатические радиоизотопные источники тепла

Предложено повышение мощности радиоизотопных источников тепла на основе самоиндуцированного электростатического поля. По словам авторов, с помощью бета-источников можно достичь улучшения до 10%.

Модели

Типичный РИТЭГ питается от радиоактивного распада и имеет электричество от термоэлектрического преобразования, но для ознакомления сюда включены некоторые системы с некоторыми вариациями этой концепции.

Ядерные энергетические системы в космосе

Известные космические аппараты / ядерные энергетические системы и их судьба. Системы сталкиваются с разными судьбами, например, SNAP-27 Apollo остались на Луне. Некоторые другие космические корабли также имеют небольшие радиоизотопные нагреватели, например, каждый из марсоходов Mars Exploration Rover имеет радиоизотопный нагреватель мощностью 1 Вт. В космическом корабле используется разное количество материала, например, в MSL Curiosity содержится 4,8 кг диоксида плутония-238 , а в космическом корабле « Кассини» — 32,7 кг.

Имя и модель	Используется на (количество РИТЭГов на пользователя)	Максимальный выход		Радиотехника изотоп	Максимальный расход топлива (кг)	Масса (кг)	Мощность / масса (электрическая, Вт / кг)
Имя и модель	Используется на (количество РИТЭГов на пользователя)	Электрооборудование ( Вт )	Тепло (Вт)	Радиотехника изотоп	Максимальный расход топлива (кг)	Масса (кг)	Мощность / масса (электрическая, Вт / кг)
MMRTG	MSL / марсоход Curiosity и марсоход Perseverance / Mars 2020	c. 110	c. 2000 г.	238 Pu	c. 4	238 Pu	7,8	55,9–57,8	5,2–5,4
MHW-RTG	ЛЕС-8/9 , Вояджер 1 (3) , Вояджер 2 (3)	160	2400	238 Pu	c. 4.5	37,7	4.2
SNAP-3B	Транзит-4А (1)	2,7	52,5	238 Pu	?	2.1	1.3
SNAP-9A	Транзит 5БН1 / 2 (1)	25	525	238 Pu	c. 1	12,3	2.0
SNAP-19	Нимбус-3 (2), Пионер 10 (4) , Пионер 11 (4)	40,3	525	238 Pu	c. 1	13,6	2,9
модифицированный SNAP-19	Викинг 1 (2), Викинг 2 (2)	42,7	525	238 Pu	c. 1	15,2	2,8
SNAP-27	Аполлон 12–17 ALSEP (1)	73	1,480	238 Pu	3,8	20	3,65
(реактор деления) Бук (БЭС-5) **	США-США (1)	3000	100 000	высокообогащенный 235 U	30	1000	3.0
(реактор деления) СНАП-10А ***	SNAP-10A (1)	600	30 000	высокообогащенный 235 U	431	1.4
ASRG ****	разработка прототипа (не запущен), программа Discovery	c. 140 (2×70)	c. 500	238 Pu	1	34	4.1

** не совсем РИТЭГ, реактор БЭС-5 Бук ( БЭС-5 ) был реактором на быстрых нейтронах, в котором для преобразования тепла непосредственно в электричество использовались термопары на основе полупроводников.

*** На самом деле это не РИТЭГ, SNAP-10A использовал обогащенное урановое топливо, гидрид циркония в качестве замедлителя, жидкий хладагент из натрий-калиевого сплава и был активирован или деактивирован с помощью бериллиевых отражателей. Тепло реактора подавалось в систему термоэлектрического преобразования для производства электроэнергии.

**** не совсем RTG, ASRG использует устройство питания Стирлинга, которое работает на радиоизотопе (см. генератор радиоизотопа Стирлинга )

Источник

➤