Радиоизотопный термоэлектрический генератор

Схема РИТЭГа на зонде Кассини

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 обычно 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 локализации радиоизотопов.спустя долгое время после продуктивного срока службы устройства. Стоимость РИТЭГов, как правило, ограничивает их использование нишевыми приложениями в редких или особых ситуациях.

История [ править ]

Гранулы по 238 Pu O ₂ , используемый в РТГ для Кассини и Галилео задач. Эта фотография была сделана после того, как гранула была изолирована графитовым одеялом в течение нескольких минут, а затем удалена. Таблетка раскалена докрасна из-за тепла, выделяемого при радиоактивном распаде (в первую очередь α). Начальная мощность 62 Вт.

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. ^{[1] [2]} Джордан и Бирден работали по контракту с армейским корпусом связи (R-65-8-998 11-SC-03-91), начиная с 1 января 1957 года. для проведения исследований радиоактивных материалов и термопар, пригодных 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.^[3]

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 27s). Поскольку высадка Аполлона-13 на Луну была прервана, его РИТЭГ находится в южной части Тихого океана , в районе желоба Тонга . ^[4] 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, Советский Союз построил тысячи необитаемых маяков и навигационных маяков, работающих от РИТЭГов. ^{[5] [6]}

ВВС США используют РТГ для питания станций дистанционного зондирования для Top-ROCC и SEEK Igloo радиолокационных систем преимущественно расположенные на Аляске . ^[7]

В прошлом небольшие «плутониевые элементы» (очень маленькие RTG с питанием от ²³⁸ Pu) использовались в имплантированных кардиостимуляторах для обеспечения очень длительного «срока службы батарей». ^[8] По состоянию на 2004 год ^{[Обновить]}, около девяноста все еще использовались. К концу 2007 года их количество сократилось до девяти. ^[9] Программа кардиостимуляторов Mound Laboratory началась 1 июня 1966 года совместно с NUMEC. ^[10] Когда было признано, что источник тепла не останется нетронутым во время кремации, программа была отменена в 1972 году, потому что не было возможности полностью гарантировать, что устройства не будут кремированы вместе с телами их пользователей.

Дизайн [ править ]

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 соединен с радиатором . 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 разные температуры , в контуре будет течь электрический ток. Обычно большое количество термопар подключаются последовательно для создания более высокого напряжения.

Топливо [ править ]

• Обследование РИТЭГов космического корабля " Кассини" перед запуском

• Новые горизонты в актовом зале

Критерии выбора изотопов [ править ]

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

1. 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 с половиной скорости 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.
2. 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 выделяет примерно в десять раз больше энергии, чем бета-распад стронция-90 или цезия-137. ^{[ необходима цитата ]}
3. Излучение должно быть такого типа, который легко поглощается и превращается в тепловое излучение, предпочтительно альфа-излучение . Бета-излучение может испускать значительное гамма / рентгеновское излучение из- за образования вторичного тормозного излучения и поэтому требует сильной защиты. Изотопы не должны производить значительное количество гамма-, нейтронного излучения или проникающего излучения в целом через другие виды распада или продукты цепочки распада .

Первые два критерия ограничивают количество возможных видов топлива менее тридцати атомных изотопов ^{[11] в} пределах всей таблицы 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.

²³⁸ Пу [ править ]

Плутоний-238 имеет период полураспада 87,7 лет, разумную плотность мощности 0,57 Вт на грамм ^[12] 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, чтобы заблокировать излучение. ^{Для 238} Pu (лучшего из этих трех) требуется менее 2,5 мм, и во многих случаях в РИТЭГе на ²³⁸ Pu экранирование не требуется , так как достаточно самого корпуса. ²³⁸ Pu стал наиболее широко используемым топливом для РИТЭГов в виде оксида плутония (IV) (PuO ₂ ).^{[ необходима цитата ]} Однако оксид плутония (IV), содержащий естественное количество кислорода, испускает нейтроны со скоростью ~ 23x10 ³ н / сек / г плутония-238. Эта скорость выброса относительно высока по сравнению со скоростью выброса 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 скоростях выбросов 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%, а количество кислорода-17 - 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 . Обычные 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. Высокопроизводительный ²³⁸PuO ₂ микросфера была успешно ¹⁶ O ₂ -exchanged , показывающей , что обмен будет происходить независимо от предыдущей истории тепловой обработки ²³⁸ PuO ₂ . ^[13] 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. • Без этого процесса для производства больших источников тепла необходимая защита была бы недопустимой. ^[14]

В отличие от трех других изотопов, обсуждаемых в этом разделе, ²³⁸ Pu должен быть синтезирован специально, 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 всего не более 50 г (1,8 унции). ^[15] Агентства США выразили желание начать производство материала в норма 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 ^{[16] [15].}

⁹⁰ Sr [ править ]

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. ^[17] Поскольку выходная энергия ниже, он достигает более низких температур, чем ²³⁸ Pu, что приводит к снижению эффективности РИТЭГа. ⁹⁰ Sr - это отходы ядерного деления с высоким выходом, которые доступны в больших количествах по низкой цене. ^[17]

²¹⁰ Po [ править ]

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 применение из-за очень короткого периода полураспада, составляющего 138 дней. Полограмма ²¹⁰ Po достигает температуры более 500 ° C (900 ° F). ^[18] 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 [ править ]

Америций-241 является потенциальным изотопом-кандидатом с более длительным периодом полураспада, чем ²³⁸ Pu: ²⁴¹ Am имеет период полураспада 432 года и может гипотетически обеспечивать питание устройства 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 цепочки 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. С текущим глобальным дефицитом ^[19] из ²³⁸ Pu, ²⁴¹ Am изучается как RTG топливо по ESA^[20], а в 2019 году Национальная ядерная лаборатория Великобританииобъявила о производстве полезной электроэнергии. ^[21] 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 РТГОМпределах этого диапазона мощности. ^[22]

Продолжительность жизни [ править ]

В большинстве РИТЭГов используется ²³⁸ Pu, период полураспада которого составляет 87,7 года. Таким образом, у РИТЭГов, использующих этот материал, будет снижаться выходная мощность в 1–0,5 ^{1 / 87,74 раза} , или 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%, что составляет 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 РИТЭГов «Вояджер» упала до 315 Вт для « Вояджера-1» и до 319 Вт для « Вояджера-2».. ^[23]

Многофункциональный радиоизотопный термоэлектрический генератор [ править ]

НАСА разрабатывает многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор, 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 . ^[24]

Эффективность [ править ]

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, используемые в космических полетах на сегодняшний день, включают сплавы кремния и германия, теллурид свинца и теллуриды сурьмы, германия и серебра (ТАГС). Были проведены исследования по повышению эффективности за счет использования других технологий производства 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.

Термоэмиссионный преобразователь -an устройство преобразования энергии , которая основывается 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 энергией 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 для использования на большинстве космических зондов.

Термофотовольтаические 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. Термофотовольтаические 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 КПД 20% ^[25].но еще не тестировались с радиоизотопами. Некоторые теоретические конструкции термофотоэлектрических элементов имеют КПД до 30%, но они еще не созданы или подтверждены. Термофотовольтаические 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 подвижных частей, устойчивых к износу подшипников изгиба., а также герметичная и не требующая смазки среда на испытательных установках не продемонстрировала заметного ухудшения характеристик за годы эксплуатации. Экспериментальные результаты демонстрируют, что SRG может работать в течение десятилетий без обслуживания. Вибрация может быть устранена путем применения динамической балансировки или использования движения поршня с двумя противоположными направлениями. Возможные применения радиоизотопной энергетической системы 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 подводимой 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 их соответствующей эффективностью Карно. Предполагается, что система состоит из компонентов, кроме источника тепла и радиатора. ^{[26] [27] [28]}

Тепловой КПД, обозначенный η _th , определяется как:

${\ displaystyle \ eta _ {\ text {th}} = {\ frac {\ text {Желаемый результат}} {\ text {Требуемый ввод}}} = {\ frac {W '_ {\ text {out}}} {Q '_ {\ text {in}}}}}$

где штрихи (') обозначают производную по времени.

Из общей формы Первого закона термодинамики в скоростной форме:

${\displaystyle \Delta E'^{\text{sys}}=Q'_{\text{in}}+W'_{\text{in}}-Q'_{\text{out}}-W'_{\text{out}}\,}$

Предполагая, что система работает в установившемся режиме и ,${\displaystyle W'_{\text{in}}=0\,}$

${\displaystyle W'_{\text{out}}=Q'_{\text{in}}-Q'_{\text{out}}\,}$

Тогда η _th может быть рассчитано как 110 Вт / 2000 Вт = 5,5% (или 140 Вт / 500 Вт = 28% для SRG). ^{[ требуется уточнение ]} Кроме того, эффективность Второго закона, обозначенная η _II , определяется как:

${\displaystyle \eta _{\text{II}}={\frac {\eta _{\text{th}}}{\eta _{\text{th, rev}}}}}$

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

${\displaystyle \eta _{\text{th}}=1-{\frac {T_{\text{heat sink}}}{T_{\text{heat source}}}}}$

в которой Т _{теплоотвод} - 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 [ править ]

Кража [ править ]

Радиоактивные материалы, содержащиеся в РИТЭГах, опасны и даже могут быть использованы в злонамеренных целях. Они вряд ли пригодятся 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. ^[5] В другом случае трое лесорубов в Цаленджихинском районе, Грузия.обнаружены два керамических источника тепла РИТЭГ, лишенных защиты; двое из них позже были госпитализированы с тяжелыми лучевыми ожогами после ношения источников на спине. В конечном итоге блоки были обнаружены и изолированы. ^[29] В России насчитывается около 1000 таких РИТЭГов, все из которых давно превысили проектный срок службы в 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. ^[30]

Радиоактивное загрязнение [ править ]

РИТЭГи представляют опасность радиоактивного загрязнения : 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 аппаратах и ​​в других местах вызвало споры. ^{[31] [32]}

Однако это событие маловероятно при нынешних конструкциях контейнеров с РИТЭГами. Например, в исследовании воздействия на окружающую среду зонда Кассини – Гюйгенс, запущенного в 1997 году, оценивалась вероятность аварий с загрязнением на различных этапах миссии. Вероятность возникновения аварии, вызвавшей выброс радиоактивного вещества из одного или нескольких из трех 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. ^[33]Если авария, которая могла вызвать заражение, произошла на этапах запуска (например, космический корабль не смог выйти на орбиту), вероятность заражения, фактически вызванного РИТЭГами, оценивалась примерно в 1 из 10. ^[34] Запуск был успешно, и Кассини-Гюйгенс 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 ^[35] ). Например, 3,6  кг плутония-238 подвергается тому же количеству радиоактивных распадов в секунду, что и 1 тонна плутония-239. Поскольку заболеваемость двух изотопов с точки зрения поглощенной радиоактивности почти одинакова,^[36] плутоний-238 примерно в 275 раз более токсичен по весу, чем плутоний-239.

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

Несчастные случаи [ править ]

Известно несколько аварий с участием космических аппаратов с РИТЭГами:

1. Первый - 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 . ^[37] Металлическое плутониевое топливо мощностью 17 000 Ки (630 ТБк) в его РИТЭГе SNAP- 9a было выброшено в атмосферу над южным полушарием, где оно сгорело, и 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.
2. 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. ^[38]
3. В 1969 г. не удалось запустить первую миссию лунохода «Луноход », в результате чего полоний-210 разнесся по большой территории России ^[39].
4. Провал миссии " Аполлон-13" в апреле 1970 года означал, что лунный модуль с РИТЭГом снова вошел в атмосферу и сгорел над Фиджи . На его борту находился 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 организована таким образом, чтобы он упал. на 6–9 километров воды в желоб 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 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 позднего поколения.
5. Марс 96 был запущен Россией в 1996 году, но не покинул околоземную орбиту и через несколько часов снова вошел в атмосферу. 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 . ^[40]

Один РИТЭГ, SNAP-19C , был потерян недалеко от вершины горы Нанда Деви в Индии в 1965 году, когда он хранился в скальном образовании 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 ^[41] были унесены лавиной вниз с горы на ледник и так и не восстановились. Скорее всего, они растаяли через ледник и превратились в пыль, в результате чего топливо из сплава плутония-циркония ²³⁸ окислило частицы почвы, которые движутся в шлейфе под ледником. ^[42]

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 . ^[5]

Сравнение с реакторами деления [ править ]

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 можно изменять по запросу или отключать (почти) полностью для обслуживания. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать неконтролируемой работы на опасно высоких уровнях мощности или даже взрыва или ядерного расплавления .

Цепные реакции в РИТЭГах не происходят. 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 соответствующее охлаждение должно обеспечиваться в любое время, включая этапы перед запуском и ранним полетом 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 повторно войдет в атмосферу и распадется.

Подкритический мультипликатор РИТЭГ [ править ]

Из-за нехватки плутония-238 был предложен новый вид РИТЭГов с подкритическими реакциями. ^[43] 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 к 1, но меньше 1, то есть K eff <1, докритическое умножениедостигается, что увеличивает нейтронный фон и производит энергию от реакций деления. Хотя количество делений, производимых в РИТЭГ, очень мало (что делает их гамма-излучение незначительным), потому что каждая реакция деления выделяет в 30 раз больше энергии, чем каждый альфа-распад (200  МэВ по сравнению с 6 МэВ), до 10% выигрыша в энергии достижимо, что означает сокращение 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 возможности реализации. ^{[44] [ неудачная проверка ]} . Однако самое необходимое не изменилось.

РИТЭГ для межзвездных зондов [ править ]

РИТЭГ были предложены для использования в реалистичных межзвездных миссиях-предвестниках и межзвездных исследованиях . ^[45] Примером этого является предложение NASA « Innovative Interstellar Explorer» (2003 г. - настоящее время). ^[46] РИТЭГ, использующий ²⁴¹ Am, был предложен для этого типа миссии в 2002 году. ^[45] Это может обеспечить продление миссии до 1000 лет на межзвездном зонде, потому что выходная мощность будет снижаться медленнее в долгосрочной перспективе, чем плутоний. ^[45] Другие изотопы для РИТЭГов также были изучены в исследовании, рассматривая такие характеристики, как ватт / грамм, период полураспада и продукты распада. ^[45]В предложении межзвездного зонда от 1999 г. предлагалось использовать три усовершенствованных радиоизотопных источника питания (ARPS). ^[47]

Электричество РИТЭГа можно использовать для питания научных приборов и связи с Землей на зондах. ^[45] Одна миссия предложила использовать электричество для питания ионных двигателей , назвав этот метод радиоизотопным электрическим движителем (REP). ^[45]

Электростатические радиоизотопные источники тепла [ править ]

Предложено повышение мощности радиоизотопных источников тепла на основе самоиндуцированного электростатического поля. ^[48] По мнению авторов, улучшение до 10% может быть достигнуто с использованием бета-источников.

Модели [ править ]

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 [ править ]

Известные космические аппараты / ядерные энергетические системы и их судьба. Системы сталкиваются с разными судьбами, например, SNAP-27 Apollo остались на Луне. ^[49] Некоторые другие космические корабли также имеют небольшие радиоизотопные нагреватели, например, каждый из марсоходов Mars Exploration Rover имеет радиоизотопный нагреватель мощностью 1 Вт. Использование космических аппаратов различные количества материала, например MSL Любопытство имеет 4,8 кг плутония-238 диоксида , ^[50] в то время как Кассини космический аппарат был 32,7 кг. ^[51]

** не совсем РИТЭГ, реактор БЭС-5 Бук ( БЭС-5 ) был реактором на быстрых нейтронах, в котором использовались термопары на основе полупроводников для прямого преобразования тепла в электричество ^{[56] [57]}

*** На самом деле это не РИТЭГ, SNAP-10A использовал обогащенное урановое топливо, гидрид циркония в качестве замедлителя, жидкий теплоноситель из натрий-калиевого сплава и был активирован или деактивирован с помощью бериллиевых отражателей ^[55] Тепло реактора подавалось в систему термоэлектрического преобразования для производства электроэнергии . ^[55]

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

Наземный [ править ]

См. Также [ править ]

• Преобразователь щелочно-металлический термоэлектрический
• Атомная батарея  - устройства, вырабатывающие электричество в результате распада радиоизотопа.
• Бетавольтаика
• Киловитовый реактор с использованием технологии Стирлинга
• Оптоэлектрическая ядерная батарея
• Установки радиоизотопного обогревателя
• Радиоактивный изотоп
• Радиоизотопный генератор Стирлинга
• Термоэлектронный преобразователь  - Устройство для выработки электроэнергии

Ссылки [ править ]

Примечания

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами .

• Сайт NASA Radioisotope Power Systems - страница RTG
• Брифинг НАСА JPL, Расширяя границы с радиоизотопными энергетическими системами - дает информацию о РИТЭГ и ссылку на более длинную презентацию
• SpaceViews: дебаты о РИТЭГе " Кассини"
• Радиоизотопный генератор Стирлинга
• Вклад Министерства энергетики - хорошие ссылки
• Национальная лаборатория Айдахо - производитель РИТЭГов
• Страница MMRTG Национальной лаборатории Айдахо с фото-виртуальным туром