Radioizotopowy generator termoelektryczny

Ten artykuł od 2020-02 zawiera treści, przy których brakuje odnośników do źródeł. Należy dodać przypisy do treści niemających odnośników do wiarygodnych źródeł. (Dodanie listy źródeł bibliograficznych lub linków zewnętrznych nie jest wystarczające). Dokładniejsze informacje o tym, co należy poprawić, być może znajdują się w dyskusji tego artykułu. Po wyeliminowaniu niedoskonałości należy usunąć szablon {{Dopracować}} z tego artykułu.

RTG zastosowany w sondach Voyager

Radioizotopowy generator termoelektryczny, radioizotopowa bateria termoelektryczna (ang. radioisotope thermoelectric generator, RTG) – generator prądu elektrycznego, w którym źródłem energii jest rozpad izotopu promieniotwórczego, a wydzielone w ten sposób ciepło zamieniane jest na energię elektryczną.

RTG są wykorzystywane jako źródła energii w sondach kosmicznych i nieosłoniętych odległych obiektach, takich jak latarnie morskie zbudowane przez były Związek Radziecki wewnątrz koła podbiegunowego. RTG są zwykle najbardziej pożądanym źródłem zasilania w nieobsługiwanych urządzeniach, które potrzebują kilkuset lub mniej watów energii na długi czas, wówczas użycie ogniw paliwowych, akumulatorów lub generatorów, jest nieekonomiczne, oraz w miejscach, gdzie ogniwa słoneczne nie są praktyczne. Bezpieczne stosowanie RTG wymaga przechowywania izotopów promieniotwórczych długo po produktywnym okresie użytkowania urządzenia. Koszt RTG ogranicza ich stosowanie do niszowych zastosowań w ekstremalnych sytuacjach.

Zasada działania

Materiał radioaktywny (paliwo) jest umieszczony w pojemniku do którego wprowadzone jest jedno złącze termopary. Drugie złącze termopary wprowadzone jest do czynnika chłodzącego (np. przyłączone do radiatora). Rozpad radioaktywny uwalnia energię, która w wyniku zderzeń zmienia się w energię termiczną ogrzewającą jeden koniec termopary. Różnica temperatur między złączami, w wyniku efektu Seebecka, wywołuje siłę elektromotoryczną i przepływ prądu. Większe różnice temperatur powodują wytworzenie większej mocy.

Generatora nie należy mylić z baterią jądrową mającą odmienne działanie, mimo że energia w obu przypadkach pochodzi z rozpadów promieniotwórczych.

Paliwo

Materiał radioaktywny używany w generatorze musi spełniać kilka warunków:

• Postępujący rozpad radioaktywny paliwa zmniejsza ilość paliwa powodując zmniejszanie ilości wydzielanego ciepła. Stąd czas połowicznego rozpadu musi być na tyle długi, aby moc generatora nie malała szybko wraz z upływem czasu. Jednocześnie nie może być zbyt długi, gdyż liczba rozpadów w jednostce czasu będzie mała.
• Do zastosowań kosmicznych paliwo musi być wydajne w stosunku do swojej masy i objętości.
• Paliwo nie powinno emitować promieniowania o wysokiej przenikliwości wymagających dodatkowych osłon (ekranów ochronnych) jak promieniowanie gamma czy promienie X. Promieniowanie β jest również niekorzystne, gdyż może powodować emisję promieniowania poprzez promieniowanie hamowania. W tym przypadku, optymalnymi są izotopy emitujące cząstki α.
• Produkty rozpadu są także często promieniotwórcze i powinny spełniać wszystkie powyższe założenia.

Wszystkie te warunki ograniczają liczbę potencjalnych izotopów do 30. Najczęściej są stosowane ²³⁸Pu, ²⁴⁴Cm i ⁹⁰Sr. Poza tym używane są ²¹⁰Po, ¹⁴⁷Pm, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁴Ce, ¹⁰⁶Ru, ⁶⁰Co, ²⁴²Cm oraz izotopy tulu. Spośród wymienionych pluton-238 ma najdłuższy czas połowicznego rozpadu (87,7 lat), stosunkowo wysoką wydajność i najniższe wymagania co do osłon. Tylko trzy izotopy spełniają kryterium niskiej radiacji beta i gamma, potrzebują osłon ołowiowych grubości kilku cm. Pluton-238 wymaga osłony grubości jedynie kilku mm lub wcale (wystarcza po prostu osłona całej baterii).

Z tych powodów pluton jest najczęściej używanym izotopem w baterii. W instalacjach naziemnych Związek Radziecki używał strontu-90, który ma krótszy czas rozpadu (29 lat), niższą wydajność i emituje promieniowanie beta, ale jest dużo tańszy. Używany w pierwszych konstrukcjach polon-210 posiada ogromną wydajność (140 W ciepła/g), ale ma bardzo krótki czas rozpadu (139 dni) i emituje promieniowanie gamma.

Izotop ²⁴¹Am był również testowany. Jego okres rozpadu wynosi 432 lata, więc teoretycznie może zasilać baterię przez setki lat. Jednak jego wydajność to około 1/4 wydajności plutonu-238, a poza tym emituje więcej promieniowania gamma. Pod względem wymagań ekranowania (potrzebuje ekranów ołowianych grubości około 2 cm) stawia go to na drugim miejscu po plutonie-238.

RTG w sondzie Cassini-Huygens

Użycie

Badania nad generatorami RTG prowadzono już w latach 60. w takich krajach jak USA (SNAP, NUMEC), ZSRR (BETA), Wielka Brytania (RIPPLE), Francja (GISETE - moc 24W, napięcie 24V, 90 kg strontu^[1]; MARGUERITE) czy Niemcy (BOLKOW)^[2]. Stany Zjednoczone użyły po raz pierwszy RTG w satelicie nawigacyjnym Transit 4A w 1961 roku^[3]. Użyty radioizotopowy generator termoelektryczny oznaczony SNAP-3B użyty jako eksperymentalne dodatkowe źródło energii, oprócz paneli słonecznych, wytwarzał energię elektryczną o mocy 2,7 W. Jako źródła ciepła użyto ²³⁸Pu wydzielający moc cieplną około 52,5 W. Energię cieplną na elektryczną przetwarzało 27, połączonych szeregowo termopar typu PbTe z domieszkowaniem złączy. Gorące złącze miało temperaturę około 783 K a zimne około 366 K^[4].

RTG są używane przede wszystkim na statkach kosmicznych, szczególnie tych, które podróżują na tyle daleko od Słońca, że baterie słoneczne nie spełniają swego zadania. Stąd zostały użyte w sondach Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini-Huygens, New Horizons, Viking i misjach programu Apollo 12-17.

Związek Radziecki wyprodukował także wiele bezzałogowych latarni morskich i boi nawigacyjnych zasilanych tego typu bateriami.

Miniaturowe wersje baterii były też stosowane w rozrusznikach serca.

Czas życia

Najbardziej popularny ²³⁸Pu ma czas rozpadu 87,7 lat. Stąd bateria używająca tego izotopu traci około 1-0,5^1/87,7 = 0,787% mocy na rok. 23 lata po wyprodukowaniu taka bateria będzie miała 0,5^23/87,7 = 0,834 początkowej mocy. Tak więc moc 470 W po 23 latach osłabnie do 0,834 * 470 W = 392 W. Dodatkowo, w miarę upływu czasu, termopary także się degenerują. Na początku 2001 roku moc produkowana przez RTG w sondzie Voyager 1 spadła do 315 W, a w Voyager 2 do 319 W. Oznacza to, że sprawność termopar spadła do 80% początkowego poziomu.

Zagrożenia

W RTG nie zachodzą reakcje łańcuchowe (jak w reaktorach jądrowych), więc nie ma niebezpieczeństwa wybuchu, ani stopienia paliwa. Paliwo jest zużywane, a tym samym wytwarzana energia, w znanym i niezależnym od czynników zewnętrznych tempie.

Nie oznacza to, że baterie są całkowicie bezpieczne. Zawsze istnieje możliwość skażenia radioaktywnego w przypadku rozszczelnienia pojemnika paliwa. Problem jest szczególnie istotny w przypadku wynoszenia na orbitę pojazdów kosmicznych zawierających takie baterie.

Znane jest pięć wypadków związanych z użyciem RTG. Pierwsze dwa związane są z nieudanymi próbami wystrzelenia amerykańskich satelitów Transit i Nimbus. Dwa następne to nieudane radzieckie misje Kosmos (pojazdy księżycowe miały zasilanie RTG). Wreszcie misja Apollo 13, w której moduł księżycowy spłonął w atmosferze nad Fidżi. Sama bateria jednak ocalała i wpadła do Pacyfiku koło Tonga. Późniejsze badania nie stwierdziły jednak zwiększonej radioaktywności w tym regionie.

W celu minimalizacji zagrożeń paliwo jest przechowywane w mniejszych, ceramicznych kapsułach co uniemożliwia jego parowanie. Całość otoczona jest irydem i blokami grafitu. Wszystkie te materiały są odporne na korozję i podwyższoną temperaturę.

Problem z urządzeniami naziemnymi jest związany przede wszystkim z radzieckimi bojami nawigacyjnymi i latarniami morskimi. Brak nadzoru powodował wycieki paliwa i kradzieże części. W dodatku niektóre z tych obiektów trudno odnaleźć z powodu braku lub utraty informacji dotyczących ich położenia.

Stosowanie baterii w rozrusznikach serca stwarza pewne zagrożenie w przypadku kremacji po śmierci właściciela bez wcześniejszego usunięcia baterii z ciała. Dlatego też obecne rozruszniki są zasilane bateriami wykonanymi w innych technologiach.

Pluton-238 ma mały przekrój czynny na rozszczepienie w wywołane neutronami termicznymi (16,6 barnów)^[5], w porównaniu przekrój czynny pluton-239 wynosi 747 b^[6]. Duży udział ²³⁸Pu zmniejsza rozszczepialność, a ciepło wydzielane w wyniku rozpadów promieniotwórczych spowoduje wyparowanie plutonu zanim uzyska on masę krytyczną. Za materiał rozszczepialny uznaje się mieszaninę tych izotopów plutonu, jeśli zawiera mniej niż 20% ²³⁸PU.

Jeśli chodzi o ewentualne skutki kradzieży plutonu-238, to nie nadaje się on do wytworzenia bomby atomowej. Dodatkowo jest to materiał gorący i radioaktywny, co znacznie utrudnia z nim prace.

Zobacz też

• bateria jądrowa
• satelity RORSAT
• zaawansowany generator radioizotopowy Stirlinga

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Spacecraft - Safety, NASA's Jet Propulsion Laboratory [zarchiwizowane z adresu 2002-10-27] .
• Radioisotope Thermoelectric Generators, Bellona Foundation, 2003–2006 [zarchiwizowane z adresu 2006-06-13] .
• Power Systems, [w:] Radioisotope Power Systems [online], NASA's Jet Propulsion Laboratory [dostęp 2020-02-10] .