ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
ГЕНЕРАТОРЫ РАДИОНУКЛИДНЫЕ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ТИПЫ И ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
ГОСТ 18696-90
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
КОМИТЕТ СССР ПО УПРАВЛЕНИЮ
КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ И СТАНДАРТАМ
Москва
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
Срок действия с
01.07.91
до 01.07.96
Настоящий стандарт распространяется на термоэлектрические радионуклидные генераторы (далее - РИТЭГ), являющиеся самостоятельными или составными частями электротехнических изделий, в которых источниками тепловой энергии служат закрытые радионуклидные источники тепла па основе альфа-, бета- и бета-гамма- активных радионуклидов, а в качестве преобразователей тепловой энергии в электрическую используют полупроводниковые термоэлектрические батареи. Термины - по ГОСТ 22212.
1. ТИПЫ
1.1. В зависимости от назначения РИТЭГ должны соответствовать типам, приведенным в табл. 1.Таблица 1
|
Обозначение
|
Наименование типа |
Область применения |
НСНУ | Наземный стационарный наружной установки | На поверхности Земли вне помещений или сооружений | НСВУ | Наземный стационарный внутреннем установки | На поверхности Земли в помещениях или сооружениях, в том числе в грунте | А | Акваторный | В условиях водной среды | Т | Транспортный | На борту космического объекта | М | Медицинский | В организме человека |
Таблица 2
|
Номер группы |
Определение группы |
| Наземные стационарные наружной (внутренней) установки обслуживаемые с радионуклидными источниками тепла на основе стронция | |
| Наземные стационарные наружной (внутренней) установки необслуживаемые с радионуклидным источником тепла на основе стронция | |
| Наземные стационарные наружной (внутренней) установки необслуживаемые с радионуклидным источником тепла на основе плутония | |
| Акваторные необслуживаемые с радионуклидпым источником тепла на основе стронция | |
| Акваторные необслуживаемые с радионуклидным источником тепла на основе плутония | |
| Транспортные космические необслуживаемые с радионуклидным источником тепла на основе плутония | |
| Медицинские имплантируемые с радионуклидным источником тепла на основе плутония |
2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
2.1. Основными параметрами РИТЭГ являются: номинальное электрическое напряжение постоянного тока одноканального РИТЭГ пли номинальное электрическое напряжение каждого из электрических независимых каналов многоканального РИТЭГ U ном (далее - номинальное электрическое напряжение РИТЭГ); номинальная электрическая мощности одноканального РИТЭГ пли номинальная электрическая мощность каждого из электрических независимых каналов многоканального РИТЭГ W ном (далее-номинальная электрическая мощность РИТЭГ); срок службы РИТЭГ.Примечание. Срок службы исчисляется с даты загрузки РИТЭГ закрытым радионуклидным источником тепла. Значения основных параметров в зависимости от групп выбирают из рядов, установленных в табл. 3.Таблица 3
|
Номер группы |
Номинальное электрическое напряжение РИТЭГ U ном, В |
Номинальная электрическая мощность РИТЭГ W ном, В |
Срок службы, не менее, лет |
5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 200 |
5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80,100, 120, 150, 200 |
1,75; 3,5; 7; 14 |
0,001; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 5,0; 10,0 |
10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 200 |
0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 5,0; 10,0 |
50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 200, 300 |
0,05 × 10 -3 ; 0,1 × 10 -3 ; |
РИТЭГ-90-10/7-НСНУ-О ГОСТ 18696-90
То же, с двумя электрическими независимыми каналами с номинальной электрической мощностью 20 Вт для каждого канала и номинальным электрическим напряжением 14 В для каждого канала типа НСВУ, вида НО:
РИТЭГ-90-20/14-20/14-НСВУ-НО ГОСТ 18696-90
Пример условного обозначения РИТЭГ с использованием закрытого радионуклидного источника тепла на альфаактивном радионуклиде 238 Р и с номинальной электрической мощностью 0,2 Вт, номинальным электрическим напряжением 7 В, типа А, вида НО:
РИТЭГ-238-0,2/7-А-НО ГОСТ 18696-90
3. ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
3.1. РИТЭГ следует изготавливать в соответствии с требованиями настоящего стандарта по нормативно-технической документации (далее - НТД) на конкретный РИТЭГ. 3.2. РИТЭГ должны сохранять работоспособность после воздействия синусоидальной вибрации в одном положении, указываемом в НТД, на одной из частот от 20 до 30 Гц с максимальным ускорением 20 м/с -2 (2 g) в течение 0,5 ч. Направление воздействия вибрации должно быть оговорено в НТД. 3.3. РИТЭГ должен сохранять работоспособность в условиях эксплуатации (внешние воздействующие факторы), приведенных в табл. 4, при этом производительность (входная электрическая мощность) одноканального РИТЭГ или производительность (выходная электрическая мощность) для каждого из электрически независимых каналов многоканального РИТЭГ при номинальном электрическом напряжении и предельных температурах эксплуатации в течение срока службы должна быть не менее 0,9 W ном. 3.4. РИТЭГ типов НСНУ и А должны сохранять работоспособность в атмосфере морского (соляного) тумана, характеристики которого должны быть указаны в НТД. 3.5. Все наружные части РИТЭГ типа А, имеющие в процессе эксплуатации непосредственный контакт с морской водой, водная среда с коррозионно-активными агентами, должны выполнять из материалов и покрытий, устойчивых к воздействию морской воды. Характеристики среды должны быть указаны в НТД. Способность выбранных материалов нормально функционировать в указанных средах в течение всего срока службы определяют расчетным методом по их коррозионной стойкости. 3.6. Сопротивление изоляции электропроводов РИТЭГ относительно корпуса во всех условиях эксплуатации в течение срока службы должно быть не менее 10 кОм. 3.7. Максимальная температура любой доступной для качания поверхности РИТЭГ типов НСНУ, НСВУ, Т и поверхности транспортной упаковки РИТЭГ типа А не должна быть выше 82 °С. 3.8. В НТД на конкретный РИТЭГ устанавливают: выходную электрическую мощность в начале срока службы одноканального РИТЭГ или выходную электрическую мощность в начале срока службы каждого из электрически независимых каналов многоканального РИТЭГ; изменение выходной электрической мощности в течение срока службы одноканального РИТЭГ или изменение выходной электрической мощности в течение срока службы каждого из электрически независимых каналов многоканального РИТЭГ; коэффициент полезного действия РИТЭГ в начале срока службы; массу РИТЭГ; выходную вольт-амперную характеристику в начале и в конце срока службы одноканального РИТЭГ или каждого из электрически независимых каналов многоканального РИТЭГ; параметры окружающей среды, при которой установлены вышеуказанные параметры РИТЭГ на начало срока службы.Таблица 4
|
Группа однородных изделий |
Условия эксплуатации РИТЭГ (внешние воздействующие факторы) |
Окружающая среда |
Температура среды, °С |
Относительная влажность, % |
Давление среды Па (мм рт. ст.) |
Синусоидальные вибрационные воздействия |
Ударные воздействия |
1 | Воздух |
От -60
|
До 98 при температуре +35 °С |
2 | Воздух |
От -
60 |
До 98 при температуре +35 °С |
От 0,5 - 10 6 до 1,5- 10* (от 375 до 1125) |
3 | Воздух** |
От -60
|
До 98 при температуре +35 °С |
От 0,5 - 10 5 до 1,5- 10 5 (от 375 до 1125) |
4 | Вода |
От -4 |
Устанавливают в НТД |
Устанавливают в НТД | Устанавливают в НТД | 5 | Вода |
От - 4
|
Устанавливают в НТД |
Устанавливают в НТД | Устанавливают в НТД | 6 | Воздух |
От -60
|
До 98 при температуре +35 °С |
Устанавливают в НТД |
Устанавливают в НТД | Устанавливают в НТД | 7 | Воздух |
От +32
|
До 98 при температуре +35 °С |
Устанавливают в НТД |
Устанавливают в НТД | Устанавливают в НТД |
Таблица 5
|
Тип РИТЭГ |
НСНУ, НСВУ, А, Т |
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ
1. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 13.06.90 № 1522 2. Срок первой проверки-1995 г.; периодичность проверки - 5 лет 3. ВЗАМЕН ГОСТ 18696-85 4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
|
Номер пункта |
ГОСТ 20250-83 | 3.18 | ГОСТ 22212-85 | Вводная часть | ПБТРВ-73 | 3.16, 3.17 | ОПБЗ-83 | 3.17 | НРБ-76/87 | 3.17 | ОСП 72/87 | 3.17 |
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).
Радиоизотопные источники энергии - устройства использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы
(radioisotope
thermoelectric generator (RTG, RITEG)
Радиоизотопный термоэлектрический
генератор (РИТЭГ) преобразует
тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов,
в электроэнергию.
РИТЭГ состоят из двух основных элементов: источника тепла,
который содержит радиоактивный изотоп, и твердотельных термопар, которые
преобразуют тепловую энергию распада плутония в электричество. Термопары в
РИТЭГе используют тепло от распада радиоактивного изотопа для нагрева горячей
стороны термопары и холода пространства или планетарной атмосферы для получения
низкой температуры на холодной стороне.
По сравнению с ядерными реакторами РИТЭГи
значительно компактнее и проще конструктивно. Выходная мощность РИТЭГ весьма
невелика (до нескольких сотен ватт) и небольшой КПД. Зато в них нет движущихся
частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который
может исчисляться десятилетиями.
В усовершенствованном типе РИТЭГа
− The Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG),
который стал применяться в последнее время, был изменен состав термопары. Вместо SiGe
в MMRTG для термопар применяется PbTe/TAGS (Te, Ag, Ge, Sb).
MMRTG
предназначен для производства 125 Вт электроэнергии в начале миссии,
с падением до
100 Вт после 14 лет. При массе 45 кг MMRTG обеспечивает около 2.8 Вт/кг электроэнергии в начале жизни.
Конструкция MMRTG способна работать как в вакууме космического пространства, так и в
планетарных атмосферах, например, на поверхности Марса.
MMRTG обеспечивает высокую степень безопасности, минимизацию веса оптимизацию уровней
мощности в течение минимального срока службы в 14 лет.
NASA также работает над новой технологией RTG, называемой Advanced Stirling
Radioisotope Generator ASRG (Радиоизотопный генератор Стирлинга).
ASRG, как и MMRTG, преобразует тепло распада
плутония-238 в электричество, но не использует термопары. Вместо этого тепло
распада заставляет газ расширяться и осциллировать поршень, подобно двигателю
автомобиля. Это перемещает магнит назад и вперед через катушку более 100
раз в секунду, генерируя электричество для космического корабля. Количество
вырабатываемой электроэнергии больше, чем у MMRTG, примерно на 130 ватт, с
гораздо меньшим количеством плутония-238 (примерно на
3.6 кг меньше). Это результат более
эффективного преобразования цикла Стирлинга. Если для миссии требуется больше
энергии, можно использовать несколько ASRG, чтобы генерировать больше
энергии. На сегодняшний день нет запланированных миссий, которые будут
использовать ASRG, но они разрабатываются для 14-летней миссии.
Существует концепция подкритических РИТЭГ. Подкритический генератор состоит из
источника нейтронов и делящегося вещества с как можно большей критической
массой. Нейтроны источника захватываются атомами делящегося вещества и вызывают
их деление. Очень важное место при выборе рабочего изотопа играет образование
дочернего изотопа, способного к значительному тепловыделению, так как цепь
ядерного преобразования при распаде удлиняется и соответственно возрастает общая
энергия, которую можно использовать. Наилучшим примером изотопа с длинной цепью
распада и с энерговыделением на порядок большим, чем у большинства других
изотопов, является уран-232. Основное преимущество такого
генератора в том что энергия распада реакции с захватом нейтрона может быть
гораздо выше энергии 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.
Требования к характеристикам радиоизотопов, использующихся
в РИТЭГах, к сожалению часто противоречивы. Для того, чтобы достаточно долго
поддерживать мощность для выполнения задачи период полураспада радиоизотопа
должен быть достаточно велик. С другой стороны, у него должна быть достаточно высокая объёмная активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки.
А это означает, что период полураспада у него не должен быть слишком мал, ибо
удельная активность обратно пропорциональна периоду распада.
У радиоизотопа должен быть удобный для утилизации вид
ионизирующего излучения. Гамма-излучение и нейтроны достаточно легко покидают
конструкцию, унося заметную часть энергии распада. Высокоэнергетичные электроны β-распада
хотя и неплохо задерживаются, однако при этом образуется тормозное
рентгеновское излучение, уносящее часть энергии. Кроме того,
гамма-, рентгеновское и нейтронное излучения зачастую требуют специальных
конструктивных мер по защите персонала (если он присутствует) и близкорасположенной аппаратуры.
Предпочтительным для радиоизотопной генерации энергии
является альфа-излучение.
Не последнюю роль в выборе радиоизотопа является его
относительная дешевизна и простота его получения.
Типичные периоды полураспада для радиоизотопов,
используемых в РИТЭГ, составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с более
короткими периодами полураспада могут использоваться для специализированных
применений.
Маломощные и малогабаритные радиоизотопные источники питания
Бета-вольтаические источники питания
(Betavoltaic power sources)
Также существуют нетермические генераторы, похожие по принципу работы на
солнечные батареи. Это бета-гальванические и
оптико-электрические источники. Они малогабаритны и предназначены для питания
устройств, не требующих больших мощностей.
В бета-вольтаическом источнике питания изотопный источник
испускает бета-частицы, которые собираются на полупроводнике. В результате
генерируется постоянный ток. Процесс преобразования энергии, который аналогичен
процессу фотогальванической (солнечной) ячейки, происходит эффективно даже в
экстремальных условиях окружающей среды. Выбирая количество и тип изотопа,
можно создать настраиваемый источник питания с заданным выходом и временем
жизни. Такие батареи практически не дают гамма-лучей, а мягкое бета-излучение
задерживается корпусом батарей и слоем фосфора.
Бета-вольтаические источники обладают высокой плотностью энергии и
сверхнизкой мощностью. Это позволяет бета вольтаическому устройству
функционировать дольше, чем конденсаторам или
батареям для маломощных устройств. Длительность работы, например бета-вольтаического источника на оксиде прометия примерно два
с половиной года, а 5 мг оксида прометия дают энергию в 8 Вт. срок службы бета-вольтаических
источников может превышать 25 лет.
|
Бета-вольтаический эффект.
Работа
бета-вольтаического преобразователя основана на том, что излученные при распаде
электроны или позитроны высоких энергий, попадая в область p-n перехода полупроводниковой пластины, генерируют там электронно-дырочную пару, которая затем пространственно разделяется областью пространственного заряда (ОПЗ). Вследствие этого на n и p- поверхностях полупроводниковой пластины возникает разность электрических потенциалов. Принципиально механизм преобразования напоминает тот, который реализован в полупроводниковых солнечных батареях, но с заменой фотонного облучения на облучение электронами или позитронами бета-распада радионуклидов. |
Пьезоэлектрический радиоизотопный
микроэлектрогенератор
(The Radioisotope
Thin-film Mkropower Generator)
Сердце этого элемента питания - кантилевер, тонкая пластина из пьезокристаллического. Коллектор на кончике кантилевера захватывает заряженные частицы, испускаемые из тонкопленочного радиоактивного источника. За счет сохранения заряда, радиоизотопная пленка остается с равными и противоположными зарядами. Это приводит к электростатическим силам между кантилевером и радиоактивным источником, изгибу кантилевера и преобразованию излучаемой источником энергии в запасенную механическую энергию. Кантилевер все больше изгибается и наконец кончик кантилевера вступает в контакт с радиоактивной тонкой пленкой, а накопленные заряды нейтрализуются посредством переноса заряда. Это происходит периодически. При подавлении электростатической силы кантилевер высвобождается. Внезапное высвобождение возбуждает колебания, которые приводят к зарядам, индуцированным в пьезоэлектрическом элементе у основания кантилевера. Сигнал переменного тока от пьезоэлектрического источника питания можно использовать непосредственно через импеданс нагрузки или выпрямлять с помощью диодов и фильтровать через внешний конденсатор. Поднятое таким образом напряжение смещения используется для управления маломощными датчиками и электроникой.
Основная область применения изотопных
источников – космические исследования. Изучение «глубокого космоса» без использования
радиоизотопных
генераторов невозможно, так как при значительном удалении от Солнца уровень
солнечной энергии, который можно было бы использовать
для производства электричества, необходимого для функционирования
аппаратуры и передачи радиосигналов,
очень мал. Химические источники также не оправдали себя.
На Земле радиоизотопные
источники нашли применение в навигационных
маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в
местности, где по техническим или экономическим причинам не было
возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В
частности, в СССР выпускались термоэлектрические генераторы нескольких видов.
В качестве радиоактивных изотопов в них использовались 90 Sr
и 238 Pu. Однако
у них очень большой период достижения безопасной
активности. Они выработали свой срок службы, составляющий
10 лет, и в настоящее время должны быть утилизированы. В настоящее время, в
связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки
необслуживаемых
радиоизотопных источников в
малодоступных местах прекратили.
Радиоизотопные источники энергии применяются там, где необходимо обеспечить
автономность работы оборудования, компактность, надёжность.
Радиоизотопы и их использование
С развитием и ростом ядерной энергетики цены на важнейшие генераторные изотопы
быстро падают, а производство изотопов быстро возрастает. В то же время
стоимость изотопов, получаемых облучением (U-232, Pu-238, Po-210,
Cm-242 и др.), снижается незначительно. В связи с чем изыскиваются способы более рациональных схем облучения мишеней,
более тщательной переработки облучённого топлива. Большие надежды на
расширение производства синтетических изотопов связаны с ростом сектора реакторов
на быстрых нейтронах. В частности, именно реакторы на быстрых
нейтронах с использованием значительных количеств тория позволяют
надеяться на получение больших промышленных количеств урана-232.
При использовании изотопов во многом разрешается проблема утилизации
отработанного ядерного топлива, и радиоактивные
отходы из опасного мусора
превращаются не только в дополнительный источник энергии, но и в источник
значительного дохода. Практически полная переработка облучённого топлива
способна приносить денежные средства, сопоставимые со стоимостью энергии,
выработанной при делении ядер урана, плутония и других элементов.
Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами. Кроме них их в технологии и медицине используют еще около 30 радиоактивных изотопов.
| Изотоп | Получение (источник) | Удельная мощность для чистого изотопа. Вт/г | T 1 / 2 |
|---|---|---|---|
| 60 Со | Облучение в реакторе | 2.9 | 5.271 года |
| 238 Pu | атомный реактор | 0.568 | 87.7 лет |
| 90 Sr | осколки деления | ~2.3 | 28.8 лет |
| 144 Ce | осколки деления | 2.6 | 285 дней |
| 242 Cm | атомный реактор | 121 | 162 дня |
| 147 Pm | осколки деления | 0.37 | 2.64 года |
| 137 Cs | осколки деления | 0.27 | 33 года |
| 210 Po | облучение висмута | 142 | 138 дней |
| 244 Cm | атомный реактор | 2.8 | 18.1 года |
| 232 U | облучение тория | 8.097 | 68.9 лет |
| 106 Ru | осколки деления | 29.8 | ~371.63сут |
238 Pu
У 238 Pu период полураспада 87.7 года
(потеря мощности
0.78 % в год), удельная мощность для чистого изотопа
0.568 Вт/г и исключительно низкие уровни гамма- и нейтронного
излучения. 238 Pu имеет самые низкие требования к экранированию.
Требуется менее 25 мм свинцового экранирования для
блокирования излучения 238 Pu. 238 Pu стал наиболее широко
используемым топливом для РИТЭГов, в форме оксида плутония (PuO 2).
В середине прошлого века 236 Pu и 238 Pu
применялись для изготовления радиоизотопных электрических батареек для питания
кардиостимуляторов срок службы которых достигал 5 и более лет. Однако вскоре
вместо них стали применять нерадиоактивные литиевые батарейки, срок службы
которых доходит до 17 лет.
238 Pu должен быть специально синтезирован; его мало (~1%
- 2%) в ядерных отходах, изотопное его выделение затруднительно. Чистый 238 Pu
может быть получен, например, с помощью облучения
нейтронами 237 Np.
Кюрий.
Два изотопа 242 Cm и 244 Cm являются альфа-излучателями
(энергия 6 МэВ); Они имеют относительно короткие периоды полураспада 162.8 дней и 18.1 года и производят до
120 Вт/г и
2.83 Вт/г тепловой энергии соответственно. Кюрий-242 в виде окиси
применяется для производства компактных и чрезвычайно мощных радиоизотопных
источников энергии. Однако 242 Cm очень дорог (около 2000 долларов США
за грамм). В последнее время все большую популярность приобретает более тяжелый
изотоп кюрия − 244 Cm. Так как оба эти изотопы практически чистые
альфа-излучатели, проблема радиационной защиты остро не стоит.
90 Sr.
90 Sr β-излучатель с
незначительной γ-эмиссией. Его период полураспада в 28.8
лет намного короче, чем у 238 Pu, Цепочка из двух β-распадов (90 Sr
→ 90 Y→ 90 Zr) дает суммарную энергию 2.8 МэВ (один
грамм дает ~0.46 Вт). Поскольку выход энергии ниже, он
достигает более низких температур, чем 238 Pu, что приводит к снижению
эффективности термоэлектрического преобразования. 90 Sr
– продукт
деления ядер и доступен в больших количествах по низкой цене.
Стронций является источником ионизирующего излучения высокой проницаемости, что
предъявляет относительно высокие требования к биологической защите.
210
Po.
210 Po имеет период полураспада всего 138 дней при огромном начальном
тепловыделении в 142 Вт/г. Это практический чистый альфа-излучатель. Из-за
малого периода полураспада 210 Po плохо подходит для РИТЭГов, а
используется для создания мощных и компактных источников тепла (Половина грамма
полония может нагреться до 500 °C). Стандартные источники с тепловой мощностью
10 Вт были установлены в космических аппаратах типа «Космос» и на «Луноходах» в
качестве источника тепла для поддержания нормального функционирования аппаратуры
в приборном отсеке.
210 Po также широко используется там, где нужна активная
антистатика. Из-за малого периода полураспада утилизация отработанных устройств
с 210 Po
не требует никаких особых мер. В США допустимо выбрасывать их на помойку общего
назначения.
При
использовании альфа-активных изотопов с большим удельным энерговыделением часто необходимо разбавить рабочий изотоп для уменьшения
тепловыделения. Кроме того, полоний весьма летуч, и требуется создание прочного химического соединения с каким-либо
элементом. В качестве таких элементов предпочтительны свинец, иттрий, золото, так как
они образуют тугоплавкие и прочные полониды.
241 Am.
В связи с дефицитом 238 Pu, альтернативой ему в
качестве топлива для РИТЭГов может стать 241 Am. У 241 Am
период полураспада 432 года. Он практически чистый
альфа-излучатель. 241 Am находится в ядерных отходах и почти изотопически
чист. Однако удельная мощность 241 Am составляет только 1/4 от
удельной мощности 238 Pu. Кроме того от продуктов распада 241 Am
исходит более проникающее излучение и необходимо лучшее экранирование. Впрочем,
требования к экранированию излучения для 241 Am не намного более
строги чем в случае с 238 Pu.
241 Am широко используется в детекторах дыма. В
ионизационном детекторе дыма используется крошечный кусочек америция-241. Заполненное воздухом пространство
между двумя электродами создает камеру, которая позволяет течению небольшого
постоянного тока между электродами. Если дым или тепло поступают в камеру,
электрический ток между электродами прерывается и срабатывает сигнал тревоги.
Эта дымовая сигнализация является менее дорогостоящей, чем другие
устройства.
63 Ni.
63 Ni
чистый β − -излучатель. Максимальная энергия электронов 67 кэВ,
период полураспада 100.1 л.
В начале двухтысячных годов в США и России были разработаны элементы питания, основой которых является
63 Ni.
Срок работы устройств более 50 лет, а размеры меньше одного кубического
миллиметра. Для получения электроэнергии используется бета-вольтаический эффект.
Также ведутся работы по созданию пьезоэлектрического радиоизотопного генератра. Подобные батареи могут быть использованы в
нейро- и кардиостимуляторах.
144 Ce.
Источник тепла – 144 Ce.
144 Ce чистый β − -излучатель.
Период полураспада 144 Ce 285 суток,
Удельная мощность для чистого изотопа
2.6 Вт/г. РИТЭГ предназначается для питания радиопередатчиков и
автоматических метеостанций. Стандартная мощность 200 Вт.
Радиоизотопы широко применяются в смеси с фосфором для
обеспечения постоянного свечения в контрольных приборах на борту транспортных
средств, в часах, фонарях на полярных аэродромах и в навигационных знаках и даже
в ёлочных игрушках. Раньше чаще всего для этого применялся 226 Ra,
период полураспада которого 1620 лет. Однако из соображений радиационной
безопасности после 1970-х годов радий в этих целях не используется. В наши дни
для этих целей чаще всего используют мягкими бета излучателями:
прометием (147 Pm
Т 1/2 = 2.64 года), криптоном (85 Kr
Т 1/2 = 10.8 лет) и тритием (3 H
Т 1/2 = 12.3 года). Конечно, периоды их
полураспада маловаты, зато их ионизирующее излучение не проникает за оболочки
устройств.
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