Cтраница 1
Радиоизотопные генераторы, применяемые на космических аппаратах, обычно работают по принципу использования энергии излучения для нагрева горячих спаев термопар, в которых происходит превращение тепловой энергии и электрическую.
Современные радиоизотопные генераторы имеют КПД, равный 3 - 5 %, и срок службы от 3 месяцев до 10 лет. Технико-экономические характеристики этих генераторов в будущем могут быть значительно улучшены.
Один из подобных генераторов - советский опытный радиоизотопный генератор Бета-1 успешно действовал в течение двух лет, питая током радиопередатчик подмосковной метеорологической станции в Химках. В качестве источника энергии в нем был использован церий-144, помещенный в противорадиационные контейнеры из вольфрама и свинца. Энергоемкость его составляла 440 квт-ч, средняя мощность равнялась 5 вт, а выходная (с накоплением) мощность при работе передатчика - 150 - 200 вт.
В работах были предложены различные варианты радиоизотопного генератора с двухэтапной системой преобразования ядерной энергии в электрическую, которые принадлежат семейству фотоэлектрических атомных батарей. В таком генераторе энергия фрагментов ядерного деления первоначально преобразуется в излучение посредством какого-либо процесса ядерно-стимулированной флуоресценции (например, в аэрозольном газонаполненном конверторе), а затем уже энергия фотонов преобразуется в электрическую с помощью фотовольтаического преобразователя. Такой способ преобразования энергии имеет целый ряд преимуществ по сравнению с уже имеющимися. Например, в отличие от многих наиболее широко используемых традиционных методов, он не содержит низкоэффективного теплового цикла. Таким образом, полный КПД системы может составить величину порядка 35 %, что в 3 - - 5 раз выше КПД систем с использованием теплового цикла и солнечных батарей.
Наиболее существенную и дорогостоящую часть программы разработки радиоизотопного генератора составляют его испытания. Можно предсказать общие характеристики того или иного элемента конструкции, но определить реальные физические параметры нового узла или системы в целом часто удается только экспериментально.
| Схема термоэмиссионного радиоизотопного генератора с тепловой трубой, автоматически стабилизирующей тепловой поток и температуру на катоде преобразователя. |
Но это и есть решение проблемы стабилизации теплового потока и температуры на катоде термоэмиссионного радиоизотопного генератора в условиях непрерывного падения энерговыделения в капсуле. Сброс избыточной тепловой энергии, генерируемой в изотопном топливе в начальный период эксплуатации, осуществляется с выступающего за пределы цилиндрического термоэмиссионного преобразователя участка тепловой трубы.
Помимо конструктивного совершенствования и повышения мощности термоэлектрических генераторных установок с ядерными реакторами в Советском Союзе ведется разработка конструкций радиоизотопных генераторов. Для генерирования электрического тока в них используется тепло, образующееся при распаде радиоактивных изотопов кобальта, кюрия, полония и др. Они имеют небольшие габаритные размеры и надежно действуют в течение длительного времени без подзарядки (в зависимости от продолжительности периода полураспада соответствующих радиоактивных элементов) и по количеству энергии, вырабатываемой на 1 кг собственного веса, превосходят электрохимические батареи.
Рассмотрим особенности постановки и решения задачи (9.18) для комбинированной энергетической установки, содержащей двухкаскадный ТЭГ и двухконтурный ПТП с конденсирующим инжектором и одноступенчатой турбиной, рабочим телом которого является ДФС. Подвод теплоты от радиоизотопного генератора к ТЭГ и от него к ПТП осуществляется жидкометаллическим теплоносителем.
Для чего нужны такие количества тяжелого изотопа кюрия. Полагают, что в радиоизотопных генераторах для космических и океанических исследований кюрий-244 сможет заменить илутоний-238. Генераторы на основе 244Сш менее долговечны, чем плутониевые, но их удельное энерговыделение примерно впятеро больше... Поэтому кюриевые генераторы в качестве стимуляторов сердечной деятельности вряд ли применимы. Но в других автономных источниках энергии кюрий-244 вполне может заменить плутоний. К тому же кюрий не так токсичен, как плутоний. А предельная мощность кюриевых генераторов (определяемая критической массой) примерно в 10 раз больше, чем плутониевых: 162 и 18 киловатт соответственно.
По заданию КАЭ ведется изучение потенциальных возможностей термоэлектрических генераторов на полонии-210, плутонии-238 и кюрии-244 электрической мощностью до 10 кет применительно к космическим установкам. Эта мощность рассматривается как практический предел для радиоизотопных генераторов такого назначения. Следует заметить, что КАЭ ведет разработку ракетных двигателей с изотопными источниками тепла. Тепло, выделяющееся при распаде полония-210, используется для подогрева жидкого водорода. Такой двигатель может развивать тягу до 0 11 кГ при удельном импульсе 700 - 800 сек.
Такой тип генератора сегодня является наиболее широко используемым для питания бортовой аппаратуры и обогрева космических летательных аппаратов. Согласно , из девяти находившихся в 1992 г. на орбите радиоизотопных генераторов в США, восемь были термоэлектрическими с изотопом Ри238 в качестве топлива. В радиоизотопном термоэлектрическом генераторе (РИТЭГ) осуществляется непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую на основе эффекта Зеебека.
Следует сказать, что в последнее время в США уделяется много внимания работам, связанным с поиском более эффективных способов преобразования тепловой энергии РИТ на плутонии-238, чем термоэлектрический. К ним в первую очередь относятся работы по созданию термофотоэлектрических радиоизотопных генераторов и радиоизотопных генераторов АМТЕС (Alkali metal thermal to electric conversion) с использованием в том и другом случае радиоизотопных источников тепла на плутонии-238, разработанных ранее для РИТЭГ космического назначения.
В 1965 г. в Лейпциге (ГДР) демонстрировался советский радиоизотопный гев: ератор Бета-2, также питавший электроэнергией приборы автоматической метеостанции. Бета-2 отмечен золотой медалью юбилейной Лейпциг-ской ярмарки. В том же году радиоизотопные генераторы другого типа мощностью 5 - 50 вт были применены для энергоснабжения бортовых систем нескольких искусственных спутников Земли серии Космос, запуск которых был предусмотрен программой исследований космического пространства, принятой в СССР.
Зато в них нет движущихся частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями.
Энциклопедичный YouTube
1 / 1
Сбор брошенных бета источников Sr 90 от РИТЭГ в Грузии
Субтитры
Применение
РИТЭГи применимы как источники энергии для автономных систем, удалённых от традиционных источников электроснабжения и нуждающихся в нескольких десятках-сотнях ватт при очень длительном времени работы, слишком долгом для топливных элементов или аккумуляторов .
В космосе
РИТЭГи являются основным источником электропитания на космических аппаратах , имеющих продолжительную миссию и сильно удаляющихся от Солнца (например Вояджер-2 или Кассини-Гюйгенс), где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно.
Несколько килограммов 238 PuO 2 использовались на некоторых миссиях Аполлонов для электропитания приборов ALSEP . Генератор электроэнергии SNAP-27 (англ. Systems for Nuclear Auxiliary Power ), тепловая и электрическая мощность которого составляла 1480 Вт и 63,5 Вт соответственно, содержал 3,735 кг диоксида плутония-238.
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 .
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 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 90Zr. 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.
Наземные РИТЭГ в России
Во времена СССР было изготовлено 1007 РИТЭГ для наземной эксплуатации. Почти все они делались на базе с изотопом стронций-90 (РИТ-90). Тепловыделяющий элемент представляет собой прочную герметичную сварную капсулу, внутри которой находится изотоп. Выпускалось несколько вариантов РИТ-90 с разным количеством изотопа . РИТЭГ оснащался одной или несколькими капсулами РИТ, радиационной защитой (зачастую на основе обедненного урана), термоэлектрическим генератором, радиатором охлаждения, герметичным корпусом, электроцепями. Типы выпускавшихся в Советском Союзе РИТЭГ:
| Тип | Начальная активность, кКи | Тепловая мощность, Вт | Электрическая мощность, Вт | КПД, % | Масса, кг | Год начала выпуска |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Эфир-МА | 104 | 720 | 30 | 4,167 | 1250 | 1976 |
| ИЭУ-1 | 465 | 2200 | 80 | 3,64 | 2500 | 1976 |
| ИЭУ-2 | 100 | 580 | 14 | 2,41 | 600 | 1977 |
| Бета-М (англ.) русск. | 36 | 230 | 10 | 4,35 | 560 | 1978 |
| Гонг | 47 | 315 | 18 | 5,714 | 600 | 1983 |
| Горн | 185 | 1100 | 60 | 5,455 | 1050 | 1983 |
| ИЭУ-2М | 116 | 690 | 20 | 2,899 | 600 | 1985 |
| Сеностав | 288 | 1870 | - | - | 1250 | 1989 |
| ИЭУ-1М | 340 | 2200 | 120 | 5,455 | 2100 | 1990 |
Срок службы установок может составлять 10-30 лет, у большинства из них он закончился. РИТЭГ представляет собой потенциальную опасность, так как размещается в безлюдной местности и может быть похищен, а затем использован в качестве грязной бомбы . Были зафиксированы случаи разукомплектации РИТЭГов охотниками за цветными металлами , при этом сами похитители получили смертельную дозу облучения .
В настоящее время проходит процесс их демонтажа и утилизации под надзором Международного агентства по атомной энергии и при финансировании США, Норвегии и других стран . К началу 2011 года демонтировано 539 РИТЭГ . По состоянию на 2012 год 72 РИТЭГ эксплуатируются, 3 утеряны, 222 на хранении, 31 в процессе утилизации . Четыре установки эксплуатировались в Антарктиде .
Новые РИТЭГи для навигационных нужд больше не производятся, вместо них устанавливаются ветроэнергетические установки и фотоэлектрические преобразователи , в некоторых случаях дизель‑генераторы. Эти устройства получили название АИП (альтернативные источники питания). Состоят из панели солнечных батарей (или ветрогенератора), набора необслуживаемых аккумуляторных батарей, светодиодного маяка (кругового или створного), программируемого электронного блока, который задает алгоритм работы маяка.
Требования к конструкции РИТЭГ
В СССР требования к РИТЭГ устанавливались ГОСТ 18696-90 «Генераторы радионуклидные термоэлектрические. Типы и общие технические требования». и ГОСТ 20250-83 «Генераторы радионуклидные термоэлектрические. Правила приёмки и методы испытаний».
Инциденты с РИТЭГ на территории СНГ
| Дата | Место | |
|---|---|---|
| 1983, март | Мыс Нутэвги, Чукотка | Сильное повреждение РИТЭГа по пути к месту установки. Факт аварии был скрыт персоналом, обнаружен комиссией Госатомнадзора в 1997 году. По состоянию на 2005 год данный РИТЭГ был заброшен и оставался на мысе Нутэвги. По состоянию на 2012 год все РИТЭГи вывезены из Чукотского автономного округа . |
| 1987 | Мыс Низкий, Сахалинская обл. | При транспортировке вертолёт уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1, который принадлежал Министерству обороны СССР. По состоянию на 2013 поисковые работы, с перерывами, продолжаются . |
| 1997 | Таджикистан, Душанбе | Три отслуживших свой срок РИТЭГа хранились в разобранном неизвестными лицами виде на угольном складе в центре Душанбе, вблизи был зарегистрирован повышенный гамма-фон . |
| 1997, август | Мыс Марии, Сахалинская обл. | При транспортировке вертолёт уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1, который оставался на дне на глубине 25-30 м. Спустя 10 лет был поднят и отправлен на утилизацию . |
| 1998, июль | Корсаковский порт , Сахалинская обл. | В пункте приема металлолома обнаружен в разобранном виде РИТЭГ, принадлежащий Минобороны РФ. |
| 1999 | Ленинградская обл. | РИТЭГ разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент (фон вблизи - 1000 Р/ч) был найден на автобусной остановке в Кингисеппе . |
| 2000 | Мыс Бараниха , Чукотка | Естественный фон близ аппарата был превышен в несколько раз вследствие неисправности РИТЭГ. |
| 2001, май | Кандалакшский залив , Мурманская обл. | С маяков на острове похищены 3 радиоизотопных источника, которые были обнаружены и отправлены в Москву. |
| 2002, февраль | Западная Грузия | В районе села Лия Цаленджихского района местными жителями найдено два РИТЭГа, которые были ими использованы как источники тепла, а затем разобраны. В результате несколько человек получили высокие дозы облучения . |
| 2003 | о. Нунэанган , Чукотка | Установлено, что внешнее излучение аппарата превышало допустимые пределы в 5 раз по причине недостатков в его конструкции. |
| 2003 | о. Врангеля , Чукотка | Вследствие размыва берега установленный здесь РИТЭГ упал в море, где был замыт грунтом. В 2011 г. штормом выброшен на побережье. Радиационная защита аппарата не повреждена . В 2012 вывезен с территории Чукотского автономного округа . |
| 2003 | мыс Шалаурова Изба , Чукотка | Радиационный фон вблизи установки был превышен в 30 раз по причине недостатка в конструкции РИТЭГ . |
| 2003, март | Пихлисаар, Ленинградская обл. | РИТЭГ разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент был выброшен на ледовое покрытие. Горячая капсула со стронцием, проплавив лёд, ушла на дно, фон вблизи составил 1000 Р/ч. Капсула была вскоре найдена в 200 м от маяка. |
| 2003, август | Шмидтовский район , Чукотка | Инспекция не обнаружила РИТЭГ типа «Бета-М» № 57 в месте установки у реки Кывэквын ; по официальной версии предполагалось, что РИТЭГ был замыт в песок в результате сильного шторма или что он был похищен. |
| 2003, сентябрь | Остров Голец, Белое море | Персонал Северного флота обнаружил хищение металла биологической защиты РИТЭГа на острове Голец. Была также взломана дверь в помещение маяка, где хранился один из наиболее мощных РИТЭГов с шестью элементами РИТ-90, которые украдены не были. |
| 2003, ноябрь | Кольский залив , губа Оленья и остров Южный Горячинский | Два РИТЭГа, принадлежащие Северному флоту, разграблены охотниками за цветными металлами, а их элементы РИТ-90 найдены неподалеку. |
| 2004 | Приозерск , Казахстан | Чрезвычайная ситуация, произошедшая вследствие несанкционированной разборки шести РИТЭГов. |
| 2004, март | п. Валентин, Приморский край | РИТЭГ, принадлежащий Тихоокеанскому флоту, найден разобранным, по-видимому, охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент РИТ-90 обнаружен неподалеку. |
| Июль, 2004 | Норильск | На территории воинской части было обнаружено три РИТЭГа, мощность дозы на расстоянии 1 м от которых в 155 раз превышала естественный фон. |
| Июль, 2004 | Мыс Наварин , Чукотка | Механические повреждения корпуса РИТЭГа неизвестного происхождения, в результате чего произошла разгерметизация и часть радиоактивного топлива выпала наружу. Аварийный РИТЭГ вывезен на утилизацию в 2007 году, поражённые участки прилегающей территории были дезактивированы . |
| Сентябрь, 2004 | Земля Бунге , Якутия | Аварийный сброс двух перевозимых РИТЭГов с вертолёта. В результате удара о землю целостность радиационной защиты корпусов была нарушена, мощность дозы гамма-излучения вблизи места падения составляла 4 мЗв /ч. |
| 2012 | о. Лишний, Таймыр | В месте установки РИТЭГа проекта «Гонг» обнаружены его обломки. Предполагается, что аппарат был смыт в море . |
См. также
Примечания
- Константин Лантратов. Плутон стал ближе (рус.) // Газета Коммерсантъ: статья. - Коммерсантъ, 2006. - Вып. 3341 . - № 10 .
- Александр Сергеев. Зонд к Плутону: безупречный старт большого путешествия (рус.) . - Элементы.Ру, 2006.
- Тимошенко, Алексей Космическая эра - человек оказался не нужен (рус.) (недоступная ссылка - история ) . gzt.ru (16 сентября 2010). Проверено 22 октября 2010. Архивировано 19 апреля 2010 года.
- Энергия чистой науки: Ток из коллайдера (рус.) // physics arXiv blog Популярная механика: статья. - 12.08.10.
- В NASA провели первый тест-драйв нового марсохода (рус.) . Lenta.ru (26 июля 2010). Проверено 8 ноября 2010. Архивировано 3 февраля 2012 года.
- Ajay K. Misra. Overview of NASA Program on Development of Radioisotope Power Systems with High Specific Power (англ.) // NASA/JPL: обзор. - San Diego, California, июнь 2006.
- World Information Service on Energy. Alaska fire threatens air force nukes.
- Дриц М. Е. и др. Свойства элементов . - Справочник. - М. : Металлургия, 1985. - 672 с. - 6500 экз.
- Venkateswara Sarma Mallela, V Ilankumaran, N.Srinivasa Rao. Trends in Cardiac Pacemaker Batteries (англ.) // Indian Pacing Electrophysiol J: статья. - 1 октября 2004. - Iss. 4 . - No. 4 .
- Plutonium Powered Pacemaker (1974) (англ.) . Oak Ridge Associated Universities (23 марта 2009). Проверено 15 января 2011.
Так получилось, что в серии «Мирный космический атом» мы движемся от фантастического к распространенному. В прошлый раз мы поговорили об энергетических реакторах, очевидный следующий шаг - рассказать о радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Недавно на Хабре был отличный пост про РИТЭГ зонда «Кассини» , а мы рассмотрим эту тему с более широкой точки зрения.
Физика процесса
Производство тепла
В отличие от ядерного реактора, который использует явление цепной ядерной реакции, радиоизотопные генераторы используют естественный распад радиоактивных изотопов. Вспомним, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. В зависимости от количества нейтронов в ядре конкретного атома, он может быть стабильным, или же проявлять тенденцию к самопроизвольному распаду. Например, атом кобальта 59 Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к 59 Co один нейтрон (например, поместив «обычный» кобальт в атомный реактор), то получится 60 Co, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5,2 года. Термин «период полураспада» означает, что через 5,2 года один атом распадется с вероятностью 50%, а от ста атомов останется примерно половина. У всех «обычных» элементов есть свои изотопы с разным периодом полураспада:
3D карта изотопов, спасибо ЖЖ пользователю crustgroup за картинку.
Подбирая подходящий изотоп, можно получить РИТЭГ с требуемым сроком службы и другими параметрами:
| Изотоп | Способ получения | Удельная мощность, Вт/г | Объёмная мощность, Вт/см³ | Период полураспада | Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/г | Рабочая форма изотопа |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 60 Со (кобальт-60) | Облучение в реакторе | 2,9 | ~26 | 5,271 года | 193,2 | Металл, сплав |
| 238 Pu (плутоний-238) | атомный реактор | 0,568 | 6,9 | 86 лет | 608,7 | Карбид плутония |
| 90 Sr (стронций-90) | осколки деления | 0,93 | 0,7 | 28 лет | 162,721 | SrO, SrTiO 3 |
| 144 Ce (церий-144) | осколки деления | 2,6 | 12,5 | 285 дней | 57,439 | CeO 2 |
| 242 Cm (кюрий-242) | атомный реактор | 121 | 1169 | 162 дня | 677,8 | Cm 2 O 3 |
| 147 Pm (прометий-147) | осколки деления | 0,37 | 1,1 | 2,64 года | 12,34 | Pm 2 O 3 |
| 137 Cs (цезий-137) | осколки деления | 0,27 | 1,27 | 33 года | 230,24 | CsCl |
| 210 Po (полоний-210) | облучение висмута | 142 | 1320 | 138 дней | 677,59 | сплавы со свинцом, иттрием, золотом |
| 244 Cm (кюрий-244) | атомный реактор | 2,8 | 33,25 | 18,1 года | 640,6 | Cm 2 O 3 |
| 232 U (уран-232) | облучение тория | 8,097 | ~88,67 | 68,9 лет | 4887,103 | диоксид, карбид, нитрид урана |
| 106 Ru (рутений-106) | осколки деления | 29,8 | 369,818 | ~371,63 сут | 9,854 | металл, сплав |
То, что распад изотопов происходит самостоятельно, означает, что РИТЭГом нельзя управлять. После загрузки топлива он будет нагреваться и производить электричество годами, постепенно деградируя. Уменьшение количества делящегося изотопа означает, что будет меньше ядерных распадов, меньше тепла и электричества. Плюс, падение электрической мощности усугубит деградация электрического генератора.
Существует упрощённая версия РИТЭГа, в котором распад изотопа используется только для обогрева, без получения электричества. Такой модуль называется блоком обогрева или RHG (Radioisotope Heat Generator).
Превращение тепла в электричество
Как и в случае атомного реактора, на выходе у нас получается тепло, которое надо каким-либо образом преобразовать в электричество. Для этого можно использовать:- Термоэлектрический преобразователь . Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества.
- Термоэмиссионный преобразователь . В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы «допрыгнуть» до анода, создавая электрический ток.
- Термофотоэлектрический преобразователь . В этом случае к источнику тепла подсоединяется фотоэлемент, работающий в инфракрасном диапазоне. Источник тепла испускает фотоны, которые улавливаются фотоэлементом и преобразуются в электричество.
- Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах . Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы.
- Двигатель Стирлинга - тепловая машина для преобразования разности температуры в механическую работу. Электричество получается из механической работы с использованием какого-либо генератора.
История
Первый экспериментальный радиоизотопный источник энергии был представлен в 1913 году. Но только со второй половины XX века, с распространением ядерных реакторов, на которых можно было получать изотопы в промышленных масштабах, РИТЭГи стали активно использоваться.США
В США РИТЭГами занималась уже знакомая вам по прошлому посту организация SNAP.SNAP-1 .
Это был экспериментальный РИТЭГ на 144 Ce и с генератором на цикле Ренкина (паровая машина) со ртутью в качестве теплоносителя. Генератор успешно проработал 2500 часов на Земле, но в космос не полетел.
SNAP-3
.
Первый РИТЭГ, летавший в космос на навигационных спутниках Transit 4A и 4B. Энергетическая мощность 2 Вт, вес 2 кг, использовал плутоний-238.
Sentry
РИТЭГ для метеорологического спутника. Энергетическая мощность 4,5 Вт, изотоп - стронций-90.
SNAP-7
.
Семейство наземных РИТЭГов для маяков, световых буев, погодных станций, акустических буев и тому подобного. Очень большие модели, вес от 850 до 2720 кг. Энергетическая мощность - десятки ватт. Например, SNAP-7D - 30 Вт при массе 2 т.
SNAP-9
Серийный РИТЭГ для навигационных спутников Transit. Масса 12 кг, электрическая мощность 25 Вт.
SNAP-11
Экспериментальный РИТЭГ для лунных посадочных станций Surveyor. Предлагалось использовать изотоп кюрий-242. Электрическая мощность - 25 Вт. Не использовались.
SNAP-19
Серийный РИТЭГ, использовался во множестве миссий - метеорологические спутники Nimbus, зонды «Пионер» -10 и -11, марсианские посадочные станции «Викинг». Изотоп - плутоний-238, энергетическая мощность ~40 Вт.
SNAP-21 и -23
РИТЭГи для подводного применения на стронции-90.
SNAP-27
РИТЭГи для питания научного оборудования программы «Аполлон». 3,8 кг. плутония-238 давали энергетическую мощность 70 Вт. Лунное научное оборудование было выключено ещё в 1977 году (люди и аппаратура на Земле требовали денег, а их не хватало). РИТЭГи на 1977 год выдавали от 36 до 60 Вт электрической мощности.
MHW-RTG
Название расшифровывается как «многосотваттный РИТЭГ». 4,5 кг. плутония-238 давали 2400 Вт тепловой мощности и 160 Вт электрической. Эти РИТЭГи стояли на Экспериментальных Спутниках Линкольна (LES-8,9) и уже 37 лет обеспечивают теплом и электричеством «Вояджеры». На 2014 год РИТЭГи обеспечивают около 53% своей начальной мощности.
GPHS-RTG
Самый мощный из космических РИТЭГов. 7,8 кг плутония-238 давали 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Использовался на солнечном зонде «Улисс», зондах «Галилео», «Кассини-Гюйгенс» и летит к Плутону на «Новых горизонтах».
MMRTG
РИТЭГ для «Кьюриосити». 4 кг плутония-238, 2000 Вт тепловой мощности, 100 Вт электической.
Тёплый ламповый кубик плутония.
РИТЭГи США с привязкой по времени.
Сводная таблица:
| Название | Носители (количество на аппарате) | Максимальная мощность | Изотоп | Вес топлива, кг | Полная масса, кг | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Электрическая, Вт | Тепловая, Вт | |||||
| MMRTG | MSL/Curiosity rover | ~110 | ~2000 | 238 Pu | ~4 | <45 |
| GPHS-RTG | Cassini (3) , New Horizons (1) , Galileo (2) , Ulysses (1) | 300 | 4400 | 238 Pu | 7.8 | 55.9-57.8 |
| MHW-RTG | LES-8/9 , Voyager 1 (3) , Voyager 2 (3) | 160 | 2400 | 238 Pu | ~4.5 | 37.7 |
| SNAP-3B | Transit-4A (1) | 2.7 | 52.5 | 238 Pu | ? | 2.1 |
| SNAP-9A | Transit 5BN1/2 (1) | 25 | 525 | 238 Pu | ~1 | 12.3 |
| SNAP-19 | Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4) , Pioneer 11 (4) | 40.3 | 525 | 238 Pu | ~1 | 13.6 |
| модификация SNAP-19 | Viking 1 (2), Viking 2 (2) | 42.7 | 525 | 238 Pu | ~1 | 15.2 |
| SNAP-27 | Apollo 12-17 ALSEP (1) | 73 | 1,480 | 238 Pu | 3.8 | 20 |
СССР/Россия
В СССР и России космических РИТЭГов было мало. Первым экспериментальным генератором стал РИТЭГ «Лимон-1» на полонии-210, созданный в 1962 году:
.Первыми космическими РИТЭГами стали «Орион-1» электрической мощностью 20 Вт на полонии-210 и запущенные на связных спутниках серии «Стрела-1» - «Космос-84» и «Космос-90». Блоки обогрева стояли на «Луноходах» -1 и -2, и РИТЭГ стоял на миссии «Марс-96»:
В то же время РИТЭГи очень активно использовались в маяках, навигационных буях и прочем наземном оборудовании - серии «БЭТА», «РИТЭГ-ИЭУ» и многие другие.
Конструкция
Практически все РИТЭГи используют термоэлектрические преобразователи и поэтому имеют одинаковую конструкцию:
Перспективы
Все летавшие РИТЭГи отличает очень низкий КПД - как правило, электрическая мощность меньше 10% от тепловой. Поэтому в начале XXI века в NASA был запущен проект ASRG - РИТЭГ с двигателем Стирлинга. Ожидалось повышение КПД до 30% и 140 Вт электрической мощности при 500 Вт тепловой. К сожалению, проект был остановлен в 2013 году из-за превышения бюджета. Но, теоретически, применение более эффективных преобразователей тепла в электричество способно серьезно поднять КПД РИТЭГов.Достоинства и недостатки
Достоинства:- Очень простая конструкция.
- Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
- Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
- Не требует управления и присмотра.
- Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.
- Производство топлива сложное, дорогое и медленное.
- Низкий КПД.
- Мощность ограничивается сотнями ватт. РИТЭГ киловаттной электрической мощности уже слабо оправдан, мегаваттной - практически не имеет смысла: будет слишком дорогим и тяжелым.
Сочетание таких достоинств и недостатков означает, что РИТЭГи и блоки обогрева занимают свою нишу в космической энергетике и сохранят её и далее. Они позволяют просто и эффективно обогревать и питать электричеством межпланетные аппараты, но от них не стоит ждать какого-либо энергетического прорыва.
Источники
Кроме Википедии использовались:- Документ «Космическая ядерная энергия: открывая последний горизонт» .
- Тема «Отечественные РИТЭГ» на «Новостях Космонавтики».
Теги:
- РИТЭГ
- МКА
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»
РИТЭГи, как правило, являются наиболее приемлемым источником энергии для автономных систем, нуждающихся в нескольких десятках-сотнях ватт при очень длительном времени работы, слишком долгим для топливных элементов или аккумуляторов.
В космосе
Схема РИТЭГа, используемого на космическом аппарате Кассини-Гюйгенс
РИТЭГи являются основным источником электропитания на , имеющих продолжительную миссию и сильно удаляющихся от (например Вояджер-2 или Кассини-Гюйгенс), где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно.
Плутоний-238 в 2006 г. при запуске зонда New Horizons к 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).
