stringtranslate.com

Радиоизотопный термоэлектрический генератор

Схема РИТЭГ, используемого на зонде «Кассини»

Радиоизотопный термоэлектрический генератор ( РИТЭГ , РИТЭГ ), иногда называемый радиоизотопной энергетической системой (РЭС), представляет собой тип ядерной батареи , которая использует массив термопар для преобразования тепла, выделяемого при распаде подходящего радиоактивного материала, в электричество посредством эффекта Зеебека . Этот тип генератора не имеет движущихся частей и идеально подходит для использования в отдаленных и суровых условиях в течение длительного времени без риска износа или неисправности деталей.

RTG обычно являются наиболее желательным источником питания для необслуживаемых ситуаций, когда требуется несколько сотен ватт (или меньше) мощности на время, слишком долгое для топливных элементов , батарей или генераторов, чтобы обеспечить экономически, и в местах, где солнечные элементы непрактичны. RTG использовались в качестве источников питания на спутниках , космических зондах и беспилотных удаленных объектах, таких как ряд маяков, построенных Советским Союзом внутри Полярного круга .

Безопасное использование RTG требует удержания радиоизотопов в течение длительного времени после окончания срока службы устройства. Стоимость RTG, как правило, ограничивает их использование узкоспециализированными приложениями в редких или особых ситуациях.

История

Пилюля 238 Pu O 2 , используемая в РИТЭГе для миссий Кассини и Галилео . Эта фотография была сделана после изоляции пилюли графитовым одеялом в течение нескольких минут, а затем снятия одеяла. Пилюля раскалена докрасна из-за тепла, выделяемого радиоактивным распадом (в основном α ). Первоначальная мощность составляет 62 Вт.

РИТЭГ был изобретен в 1954 году учеными Mound Laboratories Кеннетом (Кеном) С. Джорданом (1921–2008) и Джоном Бирденом (1918–2011). [1] [2] Они были включены в Национальный зал славы изобретателей в 2013 году. [3] [4] Джордан и Бирден работали по контракту с Корпусом связи армии (R-65-8-998 11-SC-03-91), начиная с 1 января 1957 года, для проведения исследований радиоактивных материалов и термопар, подходящих для прямого преобразования тепла в электрическую энергию с использованием полония-210 в качестве источника тепла. РИТЭГ были разработаны в США в конце 1950-х годов Mound Laboratories в Майамисбурге, штат Огайо , по контракту с Комиссией по атомной энергии США . Проект возглавлял доктор Бертрам С. Бланке. [5]

Первым РТГ, запущенным в космос Соединенными Штатами, был SNAP 3B в 1961 году, работавший на 96 граммах металла плутония-238 на борту космического корабля Navy Transit 4A . Одним из первых случаев наземного использования РТГ было использование ВМС США в 1966 году на необитаемом Фэрвэй-Рок на Аляске. РТГ использовались на этом объекте до 1995 года.

Распространенным применением РИТЭГ является энергоснабжение космических аппаратов. Системы для ядерных вспомогательных источников питания (SNAP) использовались для зондов, которые путешествовали далеко от Солнца, что делало солнечные панели непрактичными. Таким образом, они использовались с Pioneer 10 , Pioneer 11 , Voyager 1 , Voyager 2 , Galileo , Ulysses , Cassini , New Horizons и Mars Science Laboratory . РИТЭГ использовались для питания двух посадочных модулей Viking и для научных экспериментов, оставленных на Луне экипажами Apollo 12–17 ( SNAP 27). Поскольку посадка Apollo 13 на Луну была прервана, его РИТЭГ покоится в южной части Тихого океана , в районе впадины Тонга . [6] РИТЭГ также использовались для спутников Nimbus , Transit и LES . Для сравнения, только несколько космических аппаратов были запущены с использованием полноценных ядерных реакторов : советская серия RORSAT и американская SNAP-10A .

Помимо космических аппаратов, Советский Союз построил 1007 РИТЭГов [7] для питания беспилотных маяков и навигационных маяков на советском арктическом побережье к концу 1980-х годов. [7] [8] В Советском Союзе было построено много различных типов РИТЭГов (включая тип Бета-М ) для самых разных целей. Маяки не обслуживались в течение многих лет после распада Советского Союза в 1991 году . Некоторые из РИТЭГов исчезли за это время — либо из-за разграбления , либо из-за естественных сил льда/шторма/моря. [7] В 1996 году российскими и международными сторонниками был начат проект по выводу из эксплуатации РИТЭГов на маяках, и к 2021 году все РИТЭГи были удалены. [7]

С 1992 года ВВС США также использовали РИТЭГи для питания удаленно расположенного арктического оборудования, а правительство США использовало сотни таких устройств для питания удаленных станций по всему миру. Зондирующие станции для радиолокационных систем Top-ROCC и SEEK IGLOO, в основном расположенных на Аляске , используют РИТЭГи. Устройства используют стронций-90 , и большее количество таких устройств было развернуто как на земле, так и на дне океана , чем на космических аппаратах, при этом публичные нормативные документы предполагают, что США развернули не менее 100–150 в 1970-х и 1980-х годах. [9] [ требуется обновление ]

В прошлом небольшие «плутониевые ячейки» (очень маленькие 238 Pu-питаемые РИТЭГ) использовались в имплантируемых кардиостимуляторах для обеспечения очень длительного «срока службы батареи». [10] По состоянию на 2004 год около девяноста все еще использовались. К концу 2007 года сообщалось, что их число сократилось до девяти. [11] Программа кардиостимуляторов Mound Laboratory началась 1 июня 1966 года совместно с NUMEC. [12] Когда стало известно, что источник тепла не останется нетронутым во время кремации, программа была отменена в 1972 году, поскольку не было способа полностью гарантировать, что устройства не будут кремированы вместе с телами их пользователей.

Дизайн

Конструкция РИТЭГа проста по меркам ядерной техники : основным компонентом является прочный контейнер с радиоактивным материалом (топливом). Термопары размещаются в стенках контейнера, внешний конец каждой термопары подключается к радиатору . Радиоактивный распад топлива производит тепло. Именно разница температур между топливом и радиатором позволяет термопарам вырабатывать электроэнергию.

Термопара — это термоэлектрическое устройство, которое может преобразовывать тепловую энергию непосредственно в электрическую, используя эффект Зеебека . Оно изготовлено из двух видов металла или полупроводникового материала. Если они соединены друг с другом в замкнутый контур и два спая находятся при разных температурах , в контуре будет протекать электрический ток. Обычно большое количество термопар соединяется последовательно для генерации более высокого напряжения.

РИТЭГи и ядерные реакторы используют совершенно разные ядерные реакции. Ядерные энергетические реакторы (включая миниатюрные, используемые в космосе) выполняют управляемое ядерное деление в цепной реакции . Скорость реакции можно контролировать с помощью поглощающих нейтроны регулирующих стержней , поэтому мощность можно изменять в зависимости от спроса или отключать (почти) полностью для обслуживания. Однако необходимо проявлять осторожность, чтобы избежать неконтролируемой работы на опасно высоких уровнях мощности или даже взрыва или ядерного расплавления . Цепные реакции не происходят в РИТЭГах. Тепло вырабатывается путем спонтанного радиоактивного распада с нерегулируемой и постоянно уменьшающейся скоростью, которая зависит только от количества топливного изотопа и его периода полураспада. В РИТЭГе тепловыделение нельзя изменять в зависимости от спроса или отключать, когда оно не нужно, и невозможно сэкономить больше энергии на будущее за счет снижения энергопотребления. Поэтому для удовлетворения пикового спроса могут потребоваться вспомогательные источники питания (например, аккумуляторные батареи), а адекватное охлаждение должно быть обеспечено в любое время, включая предпусковые и ранние этапы полета космической миссии. Хотя при использовании РИТЭГ невозможны такие масштабные аварии, как расплавление или взрыв ядерного реактора, все равно существует риск радиоактивного заражения в случае взрыва ракеты, повторного входа устройства в атмосферу и его распада, повреждения наземных РИТЭГ штормами или сезонными льдами или вандализма.

Разработки

Из-за нехватки плутония-238 был предложен новый тип РИТЭГ с подкритическими реакциями. [13] В этом типе РИТЭГ альфа-распад радиоизотопа также используется в альфа-нейтронных реакциях с подходящим элементом, таким как бериллий . Таким образом, получается долгоживущий источник нейтронов . Поскольку система работает с критичностью, близкой к 1, но меньшей, т. е. K эфф < 1, достигается подкритическое размножение , которое увеличивает нейтронный фон и производит энергию из реакций деления. Хотя количество делений, производимых в РИТЭГ, очень мало (что делает их гамма-излучение пренебрежимо малым), поскольку каждая реакция деления выделяет более чем в 30 раз больше энергии, чем каждый альфа-распад (200  МэВ по сравнению с 6 МэВ), можно достичь прироста энергии до 10%, что означает сокращение количества Pu -238, необходимого для выполнения миссии. Идея была предложена НАСА в 2012 году для ежегодного конкурса NASA NSPIRE, а в 2013 году она была передана в Национальную лабораторию Айдахо в Центре космических ядерных исследований (CSNR) для изучения осуществимости. [14] [ проверка не удалась ] Однако основные моменты остались неизменными.

РИТЭГ были предложены для использования в реалистичных межзвездных миссиях-предшественниках и межзвездных зондах . [15] Примером этого является предложение Innovative Interstellar Explorer (2003–по настоящее время) от NASA. [16] РИТЭГ, использующий 241 Am, был предложен для этого типа миссии в 2002 году. [15] Это могло бы поддержать продление миссии до 1000 лет на межзвездном зонде, поскольку выходная мощность будет снижаться медленнее в долгосрочной перспективе, чем плутоний. [15] Другие изотопы для РИТЭГ также были рассмотрены в исследовании, рассматривая такие характеристики, как ватт/грамм, период полураспада и продукты распада. [15] Предложение о межзвездном зонде от 1999 года предполагало использование трех усовершенствованных радиоизотопных источников питания (ARPS). [17] Электричество РИТЭГ может использоваться для питания научных приборов и связи с Землей на зондах. [15] Одна из миссий предложила использовать электричество для питания ионных двигателей , назвав этот метод радиоизотопным электрическим движением (РЭР). [15]

Было предложено повышение мощности радиоизотопных источников тепла на основе самоиндуцированного электростатического поля. [18] По мнению авторов, повышение мощности на 5-10% может быть достигнуто с использованием бета-источников.

Модели

Типичный РИТЭГ питается за счет радиоактивного распада и вырабатывает электроэнергию путем термоэлектрического преобразования, но для большей информации мы рассмотрим здесь некоторые системы с некоторыми вариациями этой концепции.

Космос

Известные космические аппараты/атомные энергетические системы и их судьба. Системы сталкиваются с различными судьбами, например, SNAP-27 Аполлона остались на Луне. [19] Некоторые другие космические аппараты также имеют небольшие радиоизотопные нагреватели, например, каждый из марсоходов Mars Exploration Rovers имеет радиоизотопный нагреватель мощностью 1 Вт. Космические аппараты используют разное количество материала, например, MSL Curiosity имеет 4,8 кг диоксида плутония-238 . [20]

** на самом деле это не РИТЭГ, реактор БЭС-5 «Бук» (БЭС-5) был быстрым реактором, в котором использовались термопары на основе полупроводников для прямого преобразования тепла в электричество [25] [26]

*** на самом деле это не РИТЭГ, SNAP-10A использовал обогащенное урановое топливо, гидрид циркония в качестве замедлителя, жидкий натрий-калиевый сплав в качестве теплоносителя и активировался или дезактивировался с помощью бериллиевых отражателей [24] . Тепло реактора подавалось на термоэлектрическую систему преобразования для производства электроэнергии. [24]

**** на самом деле это не РИТЭГ, ASRG использует силовое устройство Стирлинга , работающее на радиоизотопе (см. радиоизотопный генератор Стирлинга )

Наземные

Топливо

Проверка РИТЭГов космического аппарата «Кассини» перед запуском
Новые горизонты в актовом зале

Радиоактивный материал, используемый в РИТЭГах, должен обладать рядом характеристик: [32]

  1. Его период полураспада должен быть достаточно долгим, чтобы он выделял энергию с относительно постоянной скоростью в течение разумного периода времени. Количество энергии, выделяемой за единицу времени ( мощность ) заданного количества, обратно пропорционально периоду полураспада. Изотоп с удвоенным периодом полураспада и той же энергией на распад будет выделять мощность с половинной скоростью на моль . Типичные периоды полураспада для радиоизотопов , используемых в РИТЭГах, поэтому составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с более короткими периодами полураспада могут использоваться для специализированных применений.
  2. Для использования в космических полетах топливо должно вырабатывать большое количество энергии на массу и объем ( плотность ). Плотность и вес не так важны для наземного использования, если нет ограничений по размеру. Энергию распада можно рассчитать, если известна энергия радиоактивного излучения или потеря массы до и после радиоактивного распада. Выделение энергии на распад пропорционально выработке энергии на моль .
  3. Излучение должно быть легко поглощаемым и трансформируемым в тепловое излучение, предпочтительно альфа-излучение . Бета-излучение может испускать значительное гамма- / рентгеновское излучение посредством вторичного тормозного излучения и, следовательно, требует мощной защиты. Изотопы не должны производить значительного количества гамма-излучения, нейтронного излучения или проникающего излучения в целом посредством других режимов распада или продуктов цепочки распада . [5]

Первые два критерия ограничивают число возможных видов топлива менее чем тридцатью атомными изотопами [32] в пределах всей таблицы нуклидов .

Плутоний-238 , кюрий-244 , стронций-90 и совсем недавно америций-241 являются наиболее часто упоминаемыми кандидатами на изотопы, но в начале 1950-х годов рассматривались еще 43 изотопа из приблизительно 1300. [5]

Таблица ниже не обязательно дает плотности мощности для чистого материала, но для химически инертной формы. Для актинидов это не имеет большого значения, поскольку их оксиды обычно достаточно инертны (и могут быть преобразованы в керамику, что еще больше увеличивает их стабильность), но для щелочных металлов и щелочноземельных металлов, таких как цезий или стронций соответственно, должны использоваться относительно сложные (и тяжелые) химические соединения. Например, стронций обычно используется в виде титаната стронция в РИТЭГ, что увеличивает молярную массу примерно в 2 раза. Кроме того, в зависимости от источника, изотопная чистота может быть недоступна. Плутоний, извлеченный из отработанного ядерного топлива, имеет низкую долю Pu-238, поэтому плутоний-238 для использования в РИТЭГ обычно специально производится путем нейтронного облучения нептуния -237 , что еще больше повышает затраты. Цезий в продуктах деления почти в равных долях состоит из Cs-135 и Cs-137, плюс значительные количества стабильного Cs-133 и, в «молодом» отработанном топливе, короткоживущего Cs-134. Если необходимо избежать разделения изотопов , дорогостоящего и трудоемкого процесса, это также следует учитывать. Хотя исторически РИТЭГи были довольно небольшими, в теории нет ничего, что мешало бы РИТЭГам достичь мегаваттного теплового диапазона мощности. Однако для таких применений актиниды менее подходят, чем более легкие радиоизотопы, поскольку критическая масса на порядки ниже массы, необходимой для производства такого количества энергии. Поскольку Sr-90, Cs-137 и другие более легкие радионуклиды не могут поддерживать ядерную цепную реакцию ни при каких обстоятельствах, из них можно было бы собирать РИТЭГи произвольного размера и мощности, если можно будет произвести достаточно материала. Однако в целом потенциальные области применения таких крупногабаритных РИТЭГов лежат в области небольших модульных реакторов , микрореакторов или неядерных источников энергии.

238Пу

Плутоний-238 имеет период полураспада 87,7 лет, разумную плотность мощности 0,57 Вт на грамм [33] 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 требуют менее 25 мм свинцовой защиты для блокировки излучения. 238 Pu (лучший из этих трех) требует менее 2,5 мм, и во многих случаях экранирование не требуется в 238 Pu RTG, поскольку сам корпус является достаточным. 238 Pu стал наиболее широко используемым топливом для RTG в форме оксида плутония (IV) (PuO 2 ). [34] Однако оксид плутония (IV), содержащий естественное изобилие кислорода, испускает нейтроны со скоростью примерно2,3 × 10 3  н/сек/г плутония-238. Эта скорость испускания относительно высока по сравнению со скоростью испускания нейтронов металлическим плутонием-238. Металл, не содержащий примесей легких элементов, испускает примерно2,8 × 10 3  н/сек/г плутония-238. Эти нейтроны образуются при спонтанном делении плутония-238.

Разница в скоростях эмиссии металла и оксида обусловлена ​​в основном альфа-нейтронной реакцией с кислородом-18 и кислородом-17, присутствующими в оксиде. Нормальное количество кислорода-18, присутствующего в естественной форме, составляет 0,204%, тогда как количество кислорода-17 составляет 0,037%. Восстановление кислорода-17 и кислорода-18, присутствующих в диоксиде плутония, приведет к гораздо более низкой скорости эмиссии нейтронов для оксида; это может быть достигнуто методом обмена газовой фазы 16 O 2. Регулярные производственные партии частиц 238 PuO 2 , осажденных в виде гидроксида, использовались для того, чтобы показать, что большие производственные партии могут быть эффективно обменены 16 O 2 на регулярной основе. Высокообожженные микросферы 238 PuO 2 были успешно обменены 16 O 2 , показывая, что обмен будет иметь место независимо от предыдущей истории термической обработки 238 PuO 2 . [35] Это снижение скорости нейтронной эмиссии PuO 2 , содержащего нормальный кислород, в пять раз было обнаружено во время исследований кардиостимуляторов в лаборатории Маунда в 1966 году, отчасти благодаря опыту лаборатории Маунда в производстве стабильных изотопов, начавшемуся в 1960 году. Для производства больших источников тепла требуемая защита была бы непомерно высокой без этого процесса. [36]

В отличие от трех других изотопов, обсуждаемых в этом разделе, 238 Pu должен быть специально синтезирован и не является распространенным в качестве продукта ядерных отходов. В настоящее время только Россия поддерживает крупномасштабное производство, в то время как в США в период с 2013 по 2018 год было произведено не более 50 г (1,8 унции). [37] Участвующие агентства США желают начать производство материала со скоростью от 300 до 400 граммов (от 11 до 14 унций) в год. Если этот план будет профинансирован, целью будет настройка процессов автоматизации и масштабирования для производства в среднем 1,5 кг (3,3 фунта) в год к 2025 году. [38] [37]

90Ср

Стронций-90 использовался Советским Союзом в наземных РИТЭГах. 90 Sr распадается путем β-излучения с незначительным γ-излучением. Хотя его период полураспада 28,8 лет намного короче, чем у 238 Pu, он также имеет более низкую энергию распада с плотностью мощности 0,46 Вт на грамм. [39] Поскольку выходная энергия ниже, он достигает более низких температур, чем 238 Pu, что приводит к более низкой эффективности РИТЭГов. [ требуется ссылка ] 90 Sr имеет высокий выход продуктов деления при делении как235
У и239
Pu и, таким образом, доступен в больших количествах по относительно низкой цене, если его извлекать из отработанного ядерного топлива . [39] Как90
Sr является очень реактивным щелочноземельным металлом и так называемым «искателем костей», который накапливается в костной ткани из-за его химического сходства с кальцием (попав в кости, он может значительно повредить костный мозг , быстро делящуюся ткань), он обычно не используется в чистом виде в РИТЭГах. Наиболее распространенной формой является перовскит титанат стронция (SrTiO 3 ), который химически почти инертен и имеет высокую температуру плавления. Хотя его твердость по Моосу 5,5 сделала его плохо подходящим в качестве имитатора алмаза , он достаточно тверд, чтобы выдерживать некоторые формы случайного высвобождения из-под его защиты без слишком мелкого рассеивания пыли. Недостатком использования SrTiO 3 вместо самородного металла является то, что его производство требует энергии. Это также снижает плотность мощности, поскольку часть материала TiO 3 не производит никакого тепла распада. Исходя из оксида или самородного металла, один из путей получения SrTiO 3 заключается в том, чтобы позволить ему трансформироваться в гидроксид стронция в водном растворе, который поглощает углекислый газ из воздуха, превращаясь в менее растворимый карбонат стронция . Реакция карбоната стронция с диоксидом титана при высокой температуре дает желаемый титанат стронция плюс диоксид углерода . При желании продукт титаната стронция затем может быть сформирован в подобный керамике агрегат путем спекания .

210По

Некоторые прототипы РИТЭГов, впервые построенные в 1958 году Комиссией по атомной энергии США, использовали полоний-210 . Этот изотоп обеспечивает феноменальную плотность мощности (чистый 210Po излучает 140 Вт /г) из-за его высокой скорости распада , но имеет ограниченное применение из-за его очень короткого периода полураспада в 138 дней. Образец 210Po весом в полграмма достигает температуры более 500 °C (900 °F). [40] Поскольку 210Po является чистым альфа-излучателем и не испускает значительного гамма- или рентгеновского излучения, требования к экранированию такие же низкие, как и для 238Pu . Хотя короткий период полураспада также сокращает время, в течение которого случайный выброс в окружающую среду является проблемой, полоний-210 чрезвычайно радиотоксичен при попадании внутрь и может нанести значительный вред даже в химически инертных формах, которые проходят через пищеварительный тракт как «инородный объект». Распространенным способом производства (случайным или преднамеренным) является нейтронное облучение209
Bi , единственный встречающийся в природе изотоп висмута . Именно это случайное производство приводится в качестве аргумента против использования эвтектики свинца-висмута в качестве теплоносителя в жидкометаллических реакторах. Однако, если существует достаточный спрос на полоний-210, его извлечение может быть выгодным, подобно тому, как тритий экономически извлекается из тяжеловодного замедлителя в реакторах CANDU .

241Являюсь

Америций-241 является кандидатом на изотоп с гораздо большей доступностью, чем 238 Pu. Хотя 241 Am имеет период полураспада 432 года, что примерно в пять раз больше, чем у 238 Pu, и гипотетически может питать устройство в течение столетий, миссии продолжительностью более 10 лет не были предметом исследования до 2019 года. [41] Плотность мощности 241 Am составляет всего одну четвертую от 238 Pu, и 241 Am производит больше проникающей радиации через продукты цепочки распада, чем 238 Pu, и нуждается в большей защите. Его требования к защите в РИТЭГ являются третьими самыми низкими: только 238 Pu и 210 Po требуют меньше. При текущем глобальном дефиците [42] 238 Pu, 241 Am изучается в качестве топлива для РИТЭГ ЕКА [ 41] [43] , и в 2019 году Национальная ядерная лаборатория Великобритании объявила о выработке полезной электроэнергии. [44] Преимущество перед 238 Pu заключается в том, что он производится как ядерные отходы и является почти изотопно чистым. Прототипные конструкции 241 Am RITEG ожидают 2–2,2 Вт эл . /кг для конструкции 5–50 Вт эл. RITEG, но практические испытания показывают, что можно достичь только 1,3–1,9 Вт эл. [ 41] Америций-241 в настоящее время используется в небольших количествах в бытовых дымовых извещателях, и, таким образом, его обращение и свойства хорошо известны. Однако он распадается на нептуний-237 , наиболее химически подвижный среди актинидов.

250См

Кюрий-250 — изотоп с наименьшим атомным номером, который в основном распадается путем спонтанного деления, процесса, который выделяет во много раз больше энергии, чем альфа-распад. По сравнению с плутонием-238, кюрий-250 обеспечивает около четверти плотности мощности, но в 95 раз больший период полураспада (~8300 лет против ~87 лет). Поскольку он является излучателем нейтронов (слабее, чем калифорний-252 , но не совсем незначительным), в некоторых приложениях требуется дополнительная защита от нейтронного излучения . Поскольку свинец, который является отличным защитным материалом от гамма-лучей и тормозного излучения , вызванного бета-лучами , не является хорошим нейтронным экраном (вместо этого отражая большую их часть), в приложениях, где нейтроны представляют собой проблему, необходимо добавить другой защитный материал.

Продолжительность жизни

Советские РИТЭГи с двигателем 90 Sr в полуразрушенном состоянии.

Большинство РИТЭГов используют 238 Pu, период полураспада которого составляет 87,7 лет. Таким образом, РИТЭГи, использующие этот материал, будут терять выходную мощность в 1 – (1/2) 1/87,7 раза , что составляет 0,787% в год.

Одним из примеров является MHW-RTG, используемый зондами Voyager . В 2000 году, через 23 года после производства, радиоактивный материал внутри RTG снизился в мощности на 16,6%, т.е. обеспечив 83,4% от его первоначальной мощности; начиная с мощности 470 Вт, по истечении этого периода времени он будет иметь мощность всего 392 Вт. Связанная с этим потеря мощности в RTG Voyager заключается в деградирующих свойствах биметаллических термопар, используемых для преобразования тепловой энергии в электрическую ; RTG работали примерно на 67% от их общей первоначальной мощности вместо ожидаемых 83,4%. К началу 2001 года мощность, вырабатываемая RTG Voyager, упала до 315 Вт для Voyager 1 и до 319 Вт для Voyager 2. [ 45] К 2022 году эти цифры упали примерно до 220 Вт. [46]

NASA разработало многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG), в котором термопары будут сделаны из скуттерудита , арсенида кобальта (CoAs 3 ), который может работать с меньшей разницей температур, чем текущие конструкции на основе теллура . Это означало бы, что в остальном аналогичный RTG будет генерировать на 25% больше энергии в начале миссии и по крайней мере на 50% больше через семнадцать лет. NASA надеется использовать эту конструкцию в следующей миссии New Frontiers . [47]

Безопасность

Схема блока модулей источника тепла общего назначения , используемых в РИТЭГах

Кража

Радиоактивные материалы, содержащиеся в РИТЭГах, опасны и даже могут быть использованы в злонамеренных целях. Они бесполезны для настоящего ядерного оружия , но все еще могут служить в « грязной бомбе ». Советский Союз построил много необитаемых маяков и навигационных маяков, работающих от РИТЭГов, использующих стронций-90 ( 90 Sr). Они очень надежны и обеспечивают постоянный источник энергии. Большинство из них не имеют никакой защиты, даже ограждений или предупреждающих знаков, а местоположение некоторых из этих объектов больше не известно из-за плохого ведения учета. В одном случае радиоактивные отсеки были открыты вором. [8] В другом случае три лесоруба в районе Цаленджиха, Грузия, нашли два керамических бесхозных источника РИТЭГа , которые были лишены своей защиты; двое лесорубов позже были госпитализированы с тяжелыми радиационными ожогами после того, как несли источники на спинах. В конечном итоге устройства были извлечены и изолированы. [48] ​​В России имеется около 1000 таких РИТЭГов, все из которых давно превысили свой проектный срок эксплуатации в десять лет. Большинство из этих РИТЭГов, вероятно, больше не функционируют и, возможно, их необходимо демонтировать. Некоторые из их металлических корпусов были сняты охотниками за металлом, несмотря на риск радиоактивного заражения. [49] Преобразование радиоактивного материала в инертную форму снижает опасность кражи людьми, не знающими о радиационной опасности (например, как это произошло во время аварии в Гоянии на заброшенном источнике Cs-137, где цезий присутствовал в легко растворимой в воде форме хлорида цезия ). Однако достаточно химически квалифицированный злоумышленник может извлечь летучие вещества из инертного материала и/или добиться аналогичного эффекта дисперсии путем физического измельчения инертной матрицы в мелкую пыль.

Радиоактивное заражение

РИТЭГи представляют опасность радиоактивного заражения : если контейнер с топливом протечет, радиоактивные материалы могут загрязнить окружающую среду.

Что касается космических аппаратов, то основная проблема заключается в том, что если во время запуска или последующего пролета космического аппарата вблизи Земли произойдет авария, в атмосферу могут быть выброшены вредные материалы; поэтому их использование в космических аппаратах и ​​в других местах вызывает споры. [50] [51]

Однако это событие не считается вероятным при современных конструкциях контейнеров РИТЭГ. Например, исследование воздействия на окружающую среду для зонда Кассини-Гюйгенс, запущенного в 1997 году, оценило вероятность аварийного загрязнения на различных этапах миссии. Вероятность возникновения аварии, которая привела к радиоактивному выбросу из одного или нескольких из его трех РИТЭГ (или из его 129 радиоизотопных нагревательных установок ) в течение первых 3,5 минут после запуска, была оценена как 1 из 1400; вероятность выброса позже при подъеме на орбиту была 1 из 476; после этого вероятность случайного выброса резко упала до менее чем 1 из миллиона. [52] Если авария, которая могла вызвать загрязнение, произошла на этапах запуска (например, неспособность космического корабля выйти на орбиту), вероятность загрязнения, фактически вызванного РИТЭГами, была оценена как 1 из 10. [53] Запуск прошел успешно, и Кассини-Гюйгенс достиг Сатурна .

Чтобы свести к минимуму риск выброса радиоактивного материала, топливо хранится в отдельных модульных блоках с собственной теплозащитой. Они окружены слоем металлического иридия и заключены в высокопрочные графитовые блоки. Эти два материала устойчивы к коррозии и жаре. Графитовые блоки окружены аэрооболочкой, предназначенной для защиты всей сборки от тепла при входе в атмосферу Земли. Плутониевое топливо также хранится в керамической форме, которая устойчива к жаре, что сводит к минимуму риск испарения и аэрозолизации. Керамика также крайне нерастворима .

Период полураспада плутония -238, используемого в этих РИТЭГах, составляет 87,74 года, в отличие от периода полураспада плутония-239 , используемого в ядерном оружии и реакторах , составляющего 24 110 лет . 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 [54] ). Например, 3,6  кг плутония-238 претерпевает такое же количество радиоактивных распадов в секунду, как и 1 тонна плутония-239. Поскольку заболеваемость двумя изотопами с точки зрения поглощенной радиоактивности почти одинакова [55] , плутоний-238 примерно в 275 раз более токсичен по весу, чем плутоний-239.

Альфа-излучение, испускаемое любым из изотопов, не проникает через кожу, но может облучить внутренние органы, если плутоний вдыхается или проглатывается. Особому риску подвергается скелет , поверхность которого, скорее всего, впитает изотоп, и печень , где изотоп будет собираться и концентрироваться.

Случай облучения, связанного с РИТЭГами, — это радиационная авария в Лиа, Грузия , декабрь 2001 года. Активные части РИТЭГов со стронцием-90 были сброшены, немаркированы и неправильно демонтированы, недалеко от построенной в советское время плотины Ингури . Три жителя близлежащей деревни Лиа неосознанно подверглись воздействию и получили травмы; один из них скончался в мае 2004 года от полученных травм. Международное агентство по атомной энергии возглавило восстановительные работы и организовало медицинскую помощь. По состоянию на 2022 год еще не найдены два оставшихся активных части РИТЭГов.

Несчастные случаи

РИТЭГ SNAP -27, развернутый астронавтами «Аполлона-14», идентичен тому, который был потерян при возвращении «Аполлона-13»

Известно несколько аварий с участием космических аппаратов, работающих на РИТЭГ:

  1. Неудачный запуск 21 апреля 1964 года, в ходе которого американский навигационный спутник Transit-5BN-3 не смог выйти на орбиту и сгорел при входе в атмосферу к северу от Мадагаскара . [56] Металлическое плутониевое топливо SNAP -9a емкостью 17 000 Ки (630 ТБк) было выброшено в атмосферу над Южным полушарием, где оно сгорело, а несколько месяцев спустя в этом районе были обнаружены следы плутония-238. Этот инцидент привел к тому, что Комитет по безопасности НАСА потребовал неповрежденного входа в атмосферу при будущих запусках РТГ, что, в свою очередь, повлияло на конструкцию РТГ в процессе разработки.
  2. Метеорологический спутник Nimbus B-1, чья ракета-носитель 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 неповрежденным со дна пролива Санта-Барбара пять месяцев спустя, и никакого загрязнения окружающей среды обнаружено не было. [57]
  3. В 1969 году запуск первой миссии лунохода «Луноход» потерпел неудачу, в результате чего полоний-210 распространился по большой территории России. [58]
  4. Провал миссии «Аполлон-13» в апреле 1970 года означал, что лунный модуль вернулся в атмосферу с РИТЭГом и сгорел над Фиджи . Он нес РИТЭГ SNAP-27, содержащий 44 500 Ки (1650 ТБк) диоксида плутония в графитовом контейнере на опоре посадочного модуля, который пережил вход в атмосферу Земли неповрежденным, как и было задумано, траектория была рассчитана таким образом, чтобы он погрузился в воду на глубину 6–9 километров в желобе Тонга в Тихом океане . Отсутствие загрязнения плутонием-238 в пробах атмосферы и морской воды подтвердило предположение о том, что контейнер не повреждён на морском дне. Ожидается, что контейнер будет содержать топливо в течение как минимум 10 периодов полураспада (870 лет). Министерство энергетики США провело испытания морской воды и определило, что графитовый корпус, который был разработан, чтобы выдерживать вход в атмосферу, стабилен и выброса плутония не должно произойти. Последующие исследования не обнаружили увеличения естественного фонового излучения в этом районе. Авария Apollo 13 представляет собой экстремальный сценарий из-за высоких скоростей входа в атмосферу корабля, возвращающегося из окололунного пространства (область между атмосферой Земли и Луной). Эта авария послужила подтверждением того, что конструкция RTG более позднего поколения является высокобезопасной.
  5. Mars 96 был запущен Россией в 1996 году, но не смог покинуть околоземную орбиту и вернулся в атмосферу несколько часов спустя. Два RTG на борту несли в общей сложности 200 г плутония и, как предполагается, пережили возвращение, как и было задумано. Предполагается, что сейчас они лежат где-то в овале, проходящем с северо-востока на юго-запад, длиной 320 км и шириной 80 км, центр которого находится в 32 км к востоку от Икике , Чили . [59]

Один RTG, SNAP-19C , был потерян около вершины горы Нанда Деви в Индии в 1965 году, когда он хранился в скальной формации около вершины горы перед лицом снежной бури, прежде чем его удалось установить для питания удаленной автоматизированной станции ЦРУ, собирающей телеметрию с китайского ракетного испытательного комплекса. Семь капсул [60] были снесены с горы на ледник лавиной и так и не были найдены. Наиболее вероятно, что они расплавились сквозь ледник и были измельчены, после чего топливо из сплава 238 Pu–Zr окислило частицы почвы, которые движутся в шлейфе под ледником. [61] [ нужна страница ]

Многие РИТЭГи Бета-М , произведенные Советским Союзом для питания маяков и сигнальных башен, стали бесхозными источниками радиации. Несколько из этих блоков были незаконно разобраны на металлолом (что привело к полному раскрытию источника Sr-90 ), упали в океан или имеют дефектную защиту из-за плохой конструкции или физического повреждения. Программа по совместному уменьшению угрозы Министерства обороны США выразила обеспокоенность тем, что материал из РИТЭГов Бета-М может быть использован террористами для создания грязной бомбы . [8] Однако используемый перовскит титаната стронция устойчив ко всем вероятным формам деградации окружающей среды и не может плавиться или растворяться в воде. Биоаккумуляция маловероятна, поскольку SrTiO 3 проходит через пищеварительный тракт людей или других животных в неизменном виде, но животное или человек, которые его проглотили, все равно получат значительную дозу облучения чувствительной слизистой оболочке кишечника во время прохождения. Механическое разрушение «гальки» или более крупных объектов до мелкой пыли более вероятно и может распространить материал на более обширную площадь, однако это также снизит риск любого единичного события воздействия, приводящего к высокой дозе.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ "NIHF Inductee Kenneth C. Jordan" . Получено 21 января 2023 г. .
  2. ^ "NIHF Inducee John Birden" . Получено 21 января 2023 г. .
  3. ^ "Запись Кена Джордана в Национальном зале славы изобретателей". Архивировано из оригинала 17 сентября 2016 года . Получено 7 августа 2016 года .
  4. ^ "Запись Джона Бирдена в Национальном зале славы изобретателей". Архивировано из оригинала 17 сентября 2016 года . Получено 7 августа 2016 года .
  5. ^ abc Blanke, BC; Birden, JH; Jordan, KC; Murphy, EL (1960). Сводный отчет по типу ядерной батареи-термопары. Комиссия по атомной энергии США. doi : 10.2172/4807049 .
  6. ^ "Общие соображения безопасности" (PDF) . Институт термоядерных технологий, Университет Висконсина–Мэдисона . Весна 2000 г. стр. 21. Архивировано из оригинала (конспекты лекций) 19 февраля 2007 г.
  7. ^ abcd Судунова, Ирина (5 января 2021 г.). «Ядерные маяки, построенные Советами в Арктике». BBC Reel . BBC . Получено 15 марта 2021 г. .
  8. ^ abc "Радиоизотопные термоэлектрические генераторы". Bellona . 2 апреля 2005 г. Получено 13 июня 2016 г.
  9. ^ «Пожар на Аляске угрожает ядерным оружием ВВС». WISE . 16 октября 1992 г. Доступно 15 марта 2021 г.
  10. ^ «Ядерные кардиостимуляторы». Лос-Аламосская национальная лаборатория .
  11. ^ "Ядерный кардиостимулятор все еще активен спустя 34 года". Reuters . 19 декабря 2007 г. Архивировано из оригинала 27 февраля 2023 г. Получено 14 марта 2019 г.
  12. ^ Кардиостимулятор (PDF) . Майамисбург, Огайо: Monsanto Research Corporation. Архивировано из оригинала (PDF) 16 августа 2016 г.
  13. ^ Ариас, Ф. Дж. (2011). «Усовершенствованный субкритический вспомогательный радиоизотопный термоэлектрический генератор: необходимое решение для будущего исследований НАСА». Журнал Британского межпланетного общества . 64 : 314–318. Bibcode : 2011JBIS...64..314A.
  14. ^ Проектирование источника питания высокой мощности (1 кВтэ), субкритического, "Области исследований". Архивировано из оригинала 6 октября 2014 года . Получено 5 октября 2014 года .
  15. ^ abcdef МакНатт, Р. Л.; и др. (7 мая 2002 г.). Interstellar Explorer (PDF) . Applied Physics Laboratory, Johns Hopkins University. Архивировано из оригинала (PDF) 3 июня 2013 г.
  16. ^ "Инновационный межзвездный зонд". JHU/APL . Получено 22 октября 2010 г.
  17. ^ "Interstellar Probe". NASA/JPL. 5 февраля 2002 г. Архивировано из оригинала 6 апреля 2003 г. Получено 22 октября 2010 г.
  18. ^ Ариас, Ф.Дж.; Паркс, Г.Т. (ноябрь 2015 г.). «Самоиндуцированные электростатически-усиленные радиоизотопные источники тепла». Прогресс в ядерной энергетике . 85 : 291–296. doi : 10.1016/j.pnucene.2015.06.016 . ISSN  0149-1970.
  19. ^ Харланд, ДМ (2011). Аполлон-12 — В Океане Бурь . Нью-Йорк: Springer Science & Business Media. стр. 269. doi :10.1007/978-1-4419-7607-9. ISBN 978-1-4419-7607-9. OCLC  1300218719.
  20. ^ "Ядерная безопасность запуска Марсианской научной лаборатории" (PDF) . NASA/JPL/DoE. 2 марта 2011 г. Получено 28 ноября 2011 г.
  21. ^ abcdefghijk "Космическая ядерная энергетика" GLBennett 2006
  22. ^ ab "Totse.com | Ядерная энергетика в космосе". Архивировано из оригинала 19 июня 2008 года . Получено 19 октября 2012 года .
  23. ^ "SNAP-27". Смитсоновский национальный музей авиации и космонавтики . Архивировано из оригинала 24 января 2012 года . Получено 13 сентября 2011 года .
  24. ^ abc "SNAP Overview". USDOE ETEC. Архивировано из оригинала 4 мая 2010 г. Получено 4 апреля 2010 г.
  25. ^ Читайкин, В.И.; Мелета, Е.А.; Ярыгин, В.И.; Михеев, А.С.; Тулин, С.М. «Использование ядерной космической технологии прямого преобразования энергии для наземного применения». Международное агентство по атомной энергии, Вена (Австрия). С. 178–185 . Получено 14 сентября 2011 г.
  26. ^ "Ядерные реакторы для космоса" . Получено 14 сентября 2011 г.
  27. ^ "Радиоизотопные термоэлектрические генераторы - Bellona". bellona.no . Архивировано из оригинала 20 декабря 2010 г. Получено 14 марта 2022 г.
  28. ^ ab "Источники питания для удаленных арктических приложений" (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Конгресс США, Управление по оценке технологий. Июнь 1994 г. OTA-BP-ETI-129.
  29. ^ RIPPLE I – X и большой источник
  30. ^ Ирландские огни - Рэтлин О'Бирн
  31. ^ "The Actinide Research Quarterly: зима 94-95". www.lanl.gov . Получено 2 ноября 2023 г. .
  32. ^ ab NPE глава 3 Радиоизотопное производство энергии Архивировано 18 декабря 2012 г. на Wayback Machine
  33. ^ Миотла, Деннис (21 апреля 2008 г.). «Оценка альтернатив производства плутония-238: брифинг для Консультативного комитета по ядерной энергетике» (PDF) .
  34. ^ Zoui, MA; Bentouba, S.; Stocholm, JG; Bourouis, M. (2020). «Обзор термоэлектрических генераторов: прогресс и применение». Energies . 13 (3606). doi : 10.3390/en13143606 .
  35. ^ Чадвелл, К. Б.; Элсвик, Т. К. (24 сентября 1971 г.). «Снижение скорости нейтронной эмиссии в PuO2 путем обмена кислородом». Документ лаборатории Маунда MLM-1844 . doi : 10.2172/4747800. OSTI  4747800.
  36. ^ См. источники тепла Pu-238, изготовленные в Маунде, пересмотренная таблица: Крейг, Кэрол. "РТГ: источник энергии; история радиоизотопных термоэлектрических генераторов, работающих на топливе в Маунде" (PDF) . Документ лаборатории Маунда MLM-MU-82-72-0006 . Архивировано из оригинала (PDF) 16 августа 2016 г.
  37. ^ ab У НАСА недостаточно ядерного топлива для миссий в дальнем космосе. Итан Сигел, Forbes . 13 декабря 2018 г.
  38. ^ Поставки плутония для миссий НАСА сталкиваются с долгосрочными проблемами. Джефф Фауст. Space News , 10 октября 2017 г.
  39. ^ Род Адамс, Источники тепла RTG: два проверенных материала. Архивировано 7 февраля 2012 г. на Wayback Machine , 1 сентября 1996 г., получено 20 января 2012 г.
  40. ^ "Полоний" (PDF) . Аргоннская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала (PDF) 10 марта 2012 года.
  41. ^ abc Ambrosi; Williams (2019). "Европейские радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) и радиоизотопные нагревательные установки (RHU) для космической науки и исследований". Обзоры космической науки . 215 (8): 55. Bibcode : 2019SSRv..215...55A. doi : 10.1007/s11214-019-0623-9 . S2CID  213765953.
  42. ↑ Нелл Гринфилд-Бойс, Дефицит плутония может остановить исследование космоса, NPR , 28 сентября 2009 г., получено 2 ноября 2010 г.
  43. ↑ Доктор Майор С. Чахал, [1], Космическое агентство Великобритании , 9 февраля 2012 г., получено 13 ноября 2014 г.
  44. ^ "Британские ученые генерируют электроэнергию из редкого элемента для питания будущих космических миссий". Национальная ядерная лаборатория . Получено 6 мая 2019 г.
  45. ^ "Отчеты о состоянии операций миссии Voyager". Voyager.jpl.nasa.gov web . Получено 24 июля 2011 г.
  46. ^ Янсен, Кристин. «NASA отмечает 45-летие Voyager 1, благодаря радиоизотопной энергии». Новости NASA . NASA . Получено 12 ноября 2023 г. .
  47. ^ "Космические "ядерные батареи" могут получить импульс от новых материалов". JPL News . Jet Propulsion Laboratory. 13 октября 2016 г. Получено 19 октября 2016 г.
  48. ^ "IAEA Bulletin Volume 48, No.1 – Remote Control: Decommissioning RTGs" (PDF) . Малгожата К. Сневе . Получено 30 марта 2015 г. .
  49. ^ "Доклад министра по атомной энергии Александра Румянцева на конференции МАГАТЭ "Безопасность радиоактивных источников", Вена, Австрия. 11 марта 2003 г. (копия из интернет-архива)" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 6 августа 2003 г. . Получено 10 октября 2009 г.
  50. ↑ Атомный корабль НАСА приблизится к Земле во вторник, репортаж CNN, 16 августа 1999 г.
  51. ^ "10 крупнейших инцидентов космической эры, связанных с радиацией". listverse.com . 20 января 2012 г. Получено 30 января 2018 г.
  52. ^ Заключительное дополнительное заявление о воздействии на окружающую среду Кассини. Архивировано 29 сентября 2006 г. на Wayback Machine , Глава 4, NASA, сентябрь 1997 г. (Ссылки на другие главы и связанные с ними документы. Архивировано 7 сентября 2006 г. на Wayback Machine ).
  53. ^ Заключительное дополнительное заявление о воздействии на окружающую среду Кассини, архивировано 29 сентября 2006 г. в Wayback Machine , Приложение D, Сводка таблиц результатов анализа безопасности, Таблица D-1 на странице D-4, см. колонку условной вероятности для GPHS-RTG
  54. ^ Физические, ядерные и химические свойства плутония, Информационный листок IEER
  55. ^ Коэффициенты риска смертности и заболеваемости для отдельных радионуклидов, Аргоннская национальная лаборатория. Архивировано 10 июля 2007 г. на Wayback Machine.
  56. ^ "Transit". Encyclopedia Astronautica. Архивировано из оригинала 24 июня 2002 года . Получено 7 мая 2013 года .
  57. ^ РИТЭГи были возвращены в Маунд для разборки, а микросферическое топливо 238 PuO 2 было извлечено и использовано повторно. A. Angelo Jr. и D. Buden (1985). Космическая ядерная энергетика . Krieger Publishing Company. ISBN 0-89464-000-3.
  58. ^ "Энергетические ресурсы для космических миссий". Журнал космической безопасности . Получено 18 января 2014 г.
  59. ^ Хронология Марса 96, НАСА
  60. ^ Файл:SNAP-19C Mound Data Sheet.pdf
  61. ^ Kohli, MS; Conboy, KJ (2002). Шпионы в Гималаях: секретные миссии и опасные восхождения . Лоуренс, Канзас: University Press of Kansas. doi : 10.2307/j.ctvj7wp9g. ISBN 978-0-7006-1223-9. OCLC  50803689.

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Радиоизотопные термоэлектрические генераторы .