stringtranslate.com

Радиоизотопный термоэлектрический генератор

Схема РИТЭГ, используемого на зонде Кассини

Радиоизотопный термоэлектрический генератор ( РТГ , РИТЭГ ), иногда называемый радиоизотопной энергетической системой (РПС), представляет собой тип ядерной батареи , в которой используется массив термопар для преобразования тепла, выделяющегося при распаде подходящего радиоактивного материала, в электричество путем эффект Зеебека . Генератор этого типа не имеет движущихся частей и идеально подходит для использования в отдаленных и суровых условиях в течение длительного времени без риска износа или неисправности деталей.

РИТЭГи обычно являются наиболее желательным источником энергии для необслуживаемых ситуаций, когда требуется мощность в несколько сотен ватт (или меньше) в течение времени, слишком длительного для экономичного обеспечения топливных элементов , батарей или генераторов, а также в местах, где солнечные элементы нецелесообразны. РИТЭГи использовались в качестве источников энергии на спутниках , космических зондах и беспилотных удаленных объектах, таких как серия маяков, построенных Советским Союзом за Полярным кругом .

Безопасное использование РИТЭГов требует локализации радиоизотопов в течение длительного времени после окончания срока службы установки. Расходы на ритэги обычно ограничивают их использование нишевыми приложениями в редких или особых ситуациях.

История

Таблетка 238 Pu O 2 , используемая в РТГ для миссий Кассини и Галилео . Эта фотография была сделана после изоляции гранулы под графитовым слоем в течение нескольких минут, а затем после снятия покрытия. Таблетка раскалена докрасна из-за тепла, выделяемого при радиоактивном распаде (в основном α). Начальная мощность составляет 62 Вт.

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

Первым РИТЭГ, запущенным в космос Соединенными Штатами, был SNAP 3B в 1961 году, работающий на 96 граммах металлического плутония-238 , на борту космического корабля Navy Transit 4A . Одно из первых наземных применений ритэгов было осуществлено ВМС США в 1966 году на необитаемой территории Фервей-Рок на Аляске. РИТЭГи использовались на этом объекте до 1995 года.

Распространенным применением РИТЭГ является электропитание космических кораблей. Системы вспомогательной ядерной энергии (SNAP) использовались для зондов, которые путешествовали далеко от Солнца, что делало солнечные панели непрактичными. Таким образом, они использовались с «Пионером-10» , « Пионером-11» , «Вояджером-1» , «Вояджером-2» , «Галилео» , «Улиссом », «Кассини» , «Новыми горизонтами » и Марсианской научной лабораторией . РИТЭГи использовались для питания двух посадочных модулей «Викинг» и для научных экспериментов, оставленных на Луне экипажами Аполлонов с 12 по 17 (SNAP 27). Поскольку посадка Аполлона-13 на Луну была прервана, его РИТЭГ находится в южной части Тихого океана , недалеко от желоба Тонга . [6] РИТЭГи также использовались для спутников Nimbus , Transit и LES . Для сравнения, лишь несколько космических аппаратов были запущены с использованием полноценных ядерных реакторов : советская серия RORSAT и американский SNAP-10A .

Помимо космических кораблей, к концу 1980-х годов Советский Союз построил 1007 РИТЭГов [7] для питания беспилотных маяков и навигационных радиомаяков на советском арктическом побережье . [7] [8] В Советском Союзе было построено множество различных типов РИТЭГов (в том числе типа Бета-М ) для самых разных целей. Маяки не обслуживались в течение многих лет после распада Советского Союза в 1991 году . Некоторые из единиц РИТЭГов за это время исчезли — либо в результате грабежей , либо из-за природных сил льда/шторма/моря. [7] В 1996 году российские и международные сторонники начали проект по выводу из эксплуатации РИТЭГов на маяках, и к 2021 году все РИТЭГи были демонтированы. [7]

По состоянию на 1992 год ВВС США также использовали РИТЭГи для питания удаленного арктического оборудования, а правительство США использовало сотни таких устройств для питания удаленных станций по всему миру. Сенсорные станции для радиолокационных систем Top-ROCC и SEEK IGLOO, преимущественно расположенные на Аляске , используют РИТЭГи. В установках используется стронций-90 , и большее количество таких установок было развернуто как на земле, так и на дне океана , чем на космических кораблях, при этом в публичных нормативных документах указывается, что США развернули не менее 100–150 штук за время 1970-е и 1980-е годы. [9] [ нужно обновить ]

В прошлом небольшие «плутониевые элементы» (очень маленькие ритэги с питанием от 238 Pu) использовались в имплантированных кардиостимуляторах для обеспечения очень длительного «жизни батареи». [10] По состоянию на 2004 год около девяноста из них все еще использовались. Сообщалось, что к концу 2007 года их число сократилось до девяти. [11] Программа создания кардиостимуляторов лаборатории Mound началась 1 июня 1966 года совместно с NUMEC. [12] Когда было признано, что источник тепла не останется неповрежденным во время кремации, программа была отменена в 1972 году, поскольку не было возможности полностью гарантировать, что устройства не будут кремированы вместе с телами пользователей.

Дизайн

Конструкция РИТЭГ проста по меркам ядерной техники : основным компонентом является прочный контейнер с радиоактивным материалом (топливом). Термопары размещаются в стенках контейнера, причем внешний конец каждой термопары соединен с радиатором . Радиоактивный распад топлива выделяет тепло. Именно разница температур между топливом и радиатором позволяет термопарам вырабатывать электричество.

Термопара — это термоэлектрическое устройство, которое может преобразовывать тепловую энергию непосредственно в электрическую, используя эффект Зеебека . Он изготовлен из двух видов металла или полупроводникового материала. Если они соединены друг с другом в замкнутом контуре и два спая имеют разные температуры , в контуре будет течь электрический ток. Обычно большое количество термопар подключаются последовательно для генерации более высокого напряжения.

В ритэгах и реакторах деления используются совершенно разные ядерные реакции. Ядерные энергетические реакторы (в том числе миниатюрные, используемые в космосе) осуществляют управляемое ядерное деление в виде цепной реакции . Скорость реакции можно контролировать с помощью регулирующих стержней, поглощающих нейтроны , поэтому мощность можно изменять в зависимости от потребности или (почти) полностью отключать для технического обслуживания. Однако необходимо проявлять осторожность, чтобы избежать неконтролируемой работы на опасно высоких уровнях мощности или даже взрыва или ядерного расплавления . Цепные реакции в РИТЭГах не происходят. Тепло выделяется в результате спонтанного радиоактивного распада с нерегулируемой и постоянно уменьшающейся скоростью, которая зависит только от количества изотопа топлива и периода его полураспада. В РИТЭГе выработку тепла нельзя изменять в зависимости от потребности или отключать, когда в этом нет необходимости, и невозможно сэкономить больше энергии на будущее за счет снижения энергопотребления. Таким образом, для удовлетворения пикового спроса могут потребоваться вспомогательные источники питания (например, аккумуляторные батареи), а адекватное охлаждение должно обеспечиваться постоянно, включая предстартовые и ранние этапы полета космической миссии. Хотя при использовании РИТЭГ невозможны такие впечатляющие отказы, как ядерная авария или взрыв, по-прежнему существует риск радиоактивного загрязнения, если ракета взорвется, устройство снова войдет в атмосферу и распадется, наземные РИТЭГ будут повреждены штормами или сезонным льдом или подвергнуты вандализму.

События

Из-за нехватки плутония-238 был предложен новый тип РИТЭГ с докритическими реакциями. [13] В этом типе РТГ альфа-распад радиоизотопа также используется в альфа-нейтронных реакциях с подходящим элементом, таким как бериллий . Таким образом создается долгоживущий источник нейтронов . Поскольку система работает с критичностью, близкой к 1, но меньше 1, т. е. K eff < 1, достигается докритическое размножение , которое увеличивает нейтронный фон и производит энергию за счет реакций деления. Хотя количество делений, производимых в РТГ, очень мало (что делает их гамма-излучение незначительным), поскольку каждая реакция деления выделяет более чем в 30 раз больше энергии, чем каждый альфа-распад (200  МэВ по сравнению с 6 МэВ), выигрыш в энергии достигает 10%. достижимо, что приводит к сокращению 238 Pu, необходимых для выполнения миссии. Идея была предложена НАСА в 2012 году для ежегодного конкурса НАСА NSPIRE, который в 2013 году был переведен в Национальную лабораторию Айдахо при Центре космических ядерных исследований (CSNR) для изучения осуществимости. [14] [ не удалось проверить ] Однако основные элементы не изменены.

РИТЭГ были предложены для использования в реалистичных межзвездных миссиях-предшественниках и межзвездных зондах . [15] Примером этого является предложение НАСА «Инновационный межзвездный исследователь» (с 2003 г. по настоящее время). [16] Для этого типа миссии в 2002 году был предложен РТГ, использующий 241 Am. [15] Это могло бы обеспечить продление миссии на межзвездном зонде до 1000 лет, поскольку выходная мощность будет снижаться медленнее в долгосрочной перспективе, чем плутоний. [15] В ходе исследования также были изучены другие изотопы РИТЭГ с учетом таких характеристик, как ватт/грамм, период полураспада и продукты распада. [15] В предложении о межзвездном зонде от 1999 года предлагалось использовать три современных радиоизотопных источника энергии (ARPS). [17] Электричество РИТЭГ можно использовать для питания научных приборов и связи с Землей на зондах. [15] Одна миссия предложила использовать электричество для питания ионных двигателей , назвав этот метод радиоизотопной электрической тягой (РЭП). [15]

Предложено повышение мощности радиоизотопных источников тепла на основе самоиндуцированного электростатического поля. [18] По мнению авторов, при использовании бета-источников можно добиться улучшения на 5-10%.

Модели

Типичный ритэг работает за счет радиоактивного распада и использует электричество в результате термоэлектрического преобразования, но для ознакомления сюда включены некоторые системы с некоторыми вариациями этой концепции.

Космос

Известные космические аппараты/ядерные энергосистемы и их судьба. Системы ждут разные судьбы, например, SNAP-27 Аполлона остался на Луне. [19] Некоторые другие космические корабли также имеют небольшие радиоизотопные обогреватели, например, каждый из марсоходов имеет радиоизотопный обогреватель мощностью 1 Вт. Космические корабли используют разное количество материала, например, MSL Curiosity имеет 4,8 кг диоксида плутония-238 . [20]

** не совсем РТГ, реактор БЭС-5 «Бук» (БЭС-5) представлял собой быстрый реактор, в котором использовались термопары на основе полупроводников для преобразования тепла непосредственно в электричество [25] [26]

*** На самом деле это не ритэг, SNAP-10A использовал обогащенное урановое топливо, гидрид циркония в качестве замедлителя, жидкий теплоноситель из сплава натрия и калия и активировался или деактивировался с помощью бериллиевых отражателей [24] Реактор нагревал систему термоэлектрического преобразования для производства электроэнергии. . [24]

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

Земной

Топливо

Проверка ритэгов космического корабля Кассини перед запуском
Новые горизонты в актовом зале

Радиоактивный материал, используемый в РИТЭГах, должен обладать несколькими характеристиками: [32]

  1. Его период полураспада должен быть достаточно длительным, чтобы он выделял энергию с относительно постоянной скоростью в течение разумного периода времени. Количество выделяемой за время энергии ( мощности ) заданной величины обратно пропорционально периоду полураспада. Изотоп с удвоенным периодом полураспада и той же энергией при распаде будет выделять энергию с вдвое меньшей скоростью на моль . Таким образом , типичный период полураспада радиоизотопов , используемых в РИТЭГах, составляет несколько десятилетий, хотя изотопы с более коротким периодом полураспада могут использоваться для специализированных применений.
  2. Для использования в космических полетах топливо должно производить большое количество энергии на массу и объем ( плотность ). Плотность и вес не столь важны для наземного использования, если только нет ограничений по размеру. Энергию распада можно рассчитать, если известна энергия радиоактивного излучения или потеря массы до и после радиоактивного распада. Выделение энергии при распаде пропорционально производству энергии на моль . Альфа-распад обычно выделяет примерно в десять раз больше энергии, чем бета-распад стронция-90 или цезия-137. [ нужна цитата ]
  3. Излучение должно быть такого типа, которое легко поглощается и преобразуется в тепловое излучение, предпочтительно в альфа-излучение . Бета-излучение может испускать значительное количество гамма- / рентгеновского излучения за счет образования вторичного тормозного излучения и поэтому требует надежной защиты. Изотопы не должны производить значительные количества гамма-, нейтронного излучения или проникающей радиации в целом в результате других видов распада или продуктов цепочки распада . [5]

Первые два критерия ограничивают количество возможных видов топлива менее тридцати атомных изотопов [32] в пределах всей таблицы нуклидов .

Плутоний-238 , кюрий-244 , стронций-90 и в настоящее время америций-241 являются наиболее часто упоминаемыми изотопами-кандидатами, но в начале 1950-х годов рассматривались еще 43 изотопа из примерно 1300. [5]

В таблице ниже не обязательно указаны плотности мощности для чистого материала, а 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 повышает их стабильность), но для щелочных и щелочноземельных металлов, таких как цезий или стронций, соответственно, относительно сложные (и тяжелые) химические соединения имеют быть использованным. Например, стронций обычно используется в виде титаната стронция в РИТЭГах, что увеличивает молярную массу примерно в 2 раза. Более того, в зависимости от источника изотопная чистота может быть недостижима. Плутоний, извлеченный из отработавшего ядерного топлива , имеет низкую долю Pu-238, поэтому плутоний-238 для использования в РИТЭГах обычно специально изготавливается путем нейтронного облучения нептуния -237 , что еще больше увеличивает затраты. Цезий в продуктах деления представляет собой почти равные части Cs-135 и Cs-137, плюс значительные количества стабильного Cs-133 и, в «молодом» отработавшем топливе, короткоживущего Cs-134. Если нужно избежать разделения изотопов , дорогостоящего и трудоемкого процесса, это тоже необходимо учитывать. Хотя исторически РИТЭГи были довольно небольшими, теоретически ничто не мешает РИТЭГам достигать тепловой мощности в мегаваттном диапазоне. Однако для таких применений актиниды менее подходят, чем более легкие радиоизотопы, поскольку критическая масса на несколько порядков ниже массы, необходимой для производства такого количества энергии. Поскольку Sr-90, Cs-137 и другие более легкие радионуклиды не могут поддерживать цепную ядерную реакцию ни при каких обстоятельствах, из них можно собрать ритэги произвольного размера и мощности, если удастся произвести достаточно материала. Однако в целом потенциальные применения таких крупномасштабных ритэгов больше относятся к области небольших модульных реакторов , микрореакторов или неядерных источников энергии.

238 Пу

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 нуждаются в свинцовой защите толщиной менее 25 мм для блокировки излучения. Для 238 Pu (лучшего из этих трех) требуется менее 2,5 мм, и во многих случаях в ритэге из 238 Pu экранирование не требуется, поскольку сам корпус достаточен. Наиболее широко используемым топливом для РИТЭГ стал 238 Pu в форме оксида плутония(IV) (PuO 2 ). [ нужна цитата ] Однако оксид плутония (IV), содержащий естественное изобилие кислорода, испускает нейтроны со скоростью ~ 2,3x10 3 н/сек/г плутония-238. Эта скорость излучения относительно высока по сравнению с скоростью нейтронного излучения металлического плутония-238. Металл, не содержащий примесей легких элементов, выделяет ~2,8x10 3 н/сек/г плутония-238. Эти нейтроны образуются в результате спонтанного деления плутония-238.

Разница в скоростях эмиссии металла и оксида обусловлена ​​главным образом альфа-нейтронной реакцией с кислородом-18 и кислородом-17, присутствующими в оксиде. Нормальное количество кислорода-18, присутствующего в естественной форме, составляет 0,204%, а кислорода-17 — 0,037%. Уменьшение содержания кислорода-17 и кислорода-18, присутствующих в диоксиде плутония, приведет к гораздо более низкой скорости эмиссии нейтронов для оксида; это может быть достигнуто методом газовой фазы обмена 16 O 2 . Обычные производственные партии 238 частиц PuO 2 , осажденных в виде гидроксида, были использованы для того, чтобы показать, что большие производственные партии могут быть эффективно заменены на 16 O 2 на рутинной основе. Микросферы 238 PuO 2 при сильном обжиге были успешно заменены на 16 O 2 , что показало, что обмен будет происходить независимо от предыдущей истории термообработки 238 PuO 2 . [34] Это снижение скорости эмиссии нейтронов PuO 2 , содержащего нормальный кислород, в пять раз было обнаружено во время исследования кардиостимулятора в лаборатории Маунда в 1966 году, отчасти благодаря опыту лаборатории Маунда по производству стабильных изотопов, начиная с 1960 года. Без этого процесса для производства крупных источников тепла необходимая защита была бы непомерно высокой. [35]

В отличие от трех других изотопов, обсуждаемых в этом разделе, 238 Pu необходимо специально синтезировать, и он не является распространенным продуктом ядерных отходов. В настоящее время только Россия поддерживает крупномасштабное производство, в то время как в США в период с 2013 по 2018 год всего было произведено не более 50 г (1,8 унции). [36] Агентства США выразили желание начать производство материала на норма от 300 до 400 граммов (от 11 до 14 унций) в год. Если этот план будет профинансирован, цель будет состоять в автоматизации и масштабировании процессов, чтобы к 2025 году производить в среднем 1,5 кг (3,3 фунта) в год. [37] [36]

90 лет

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. [38] Поскольку выходная энергия ниже, он достигает более низких температур, чем 238 Pu, что приводит к более низкой эффективности РИТЭГ. 90 Sr имеет высокий выход продуктов деления при делении обоих235
У и239
Pu и, таким образом, доступен в больших количествах по относительно низкой цене, если его извлекают из отработанного ядерного топлива . [38] Как90
Sr — очень реактивный щелочноземельный металл и так называемый «искатель костей», который накапливается в костной ткани из-за его химического сходства с кальцием (попадая в кости, он может значительно повредить костный мозг — быстро делящуюся ткань). в РИТЭГах в чистом виде обычно не используется. Наиболее распространенной формой является перовскит- титанат стронция (SrTiO 3 ), который химически почти инертен и имеет высокую температуру плавления. Хотя твердость по шкале Мооса , равная 5,5, делает его непригодным в качестве имитатора алмаза , он обладает достаточной твердостью, чтобы выдерживать некоторые формы случайного выхода из-под защиты без слишком мелкого рассеивания пыли. Недостатком использования SrTiO 3 вместо самородного металла является то, что его производство требует энергии. Это также снижает удельную мощность, поскольку часть материала TiO 3 не выделяет остаточного тепла. Один из способов получения SrTiO 3 , начиная с оксида или самородного металла, состоит в том, чтобы превратить его в гидроксид стронция в водном растворе, который поглощает углекислый газ из воздуха и становится менее растворимым карбонатом стронция . Реакция карбоната стронция с диоксидом титана при высокой температуре дает желаемый титанат стронция плюс диоксид углерода . При желании продукт из титаната стронция можно затем сформовать в керамический агрегат путем спекания .

210 По

В некоторых прототипах РИТЭГов, впервые построенных в 1958 году Комиссией по атомной энергии США, использовался полоний-210 . Этот изотоп обеспечивает феноменальную плотность мощности (чистый Po 210 излучает 140 Вт /г) из-за высокой скорости распада , но имеет ограниченное применение из-за очень короткого периода полураспада, составляющего 138 дней. Образец 210 Po весом полграмма достигает температуры более 500 °C (900 °F). [39] Поскольку Po-210 является чистым альфа-излучателем и не излучает значительного гамма- или рентгеновского излучения, требования к экранированию такие же низкие, как и у Pu-238. Хотя короткий период полураспада также сокращает время, в течение которого вызывает беспокойство случайный выброс в окружающую среду, полоний-210 чрезвычайно радиотоксичен при попадании в организм и может нанести значительный вред даже в химически инертных формах, которые проходят через пищеварительный тракт как «чужеродный объект". Распространенным путем производства (случайного или преднамеренного) является нейтронное облучение209
Bi , единственный природный изотоп висмута . Именно это случайное образование приводится в качестве аргумента против использования эвтектики свинец- висмут в качестве теплоносителя в жидкометаллических реакторах. Однако, если существует достаточный спрос на полоний-210, его извлечение может оказаться целесообразным, подобно тому, как тритий экономично извлекается из тяжелой воды-замедлителя в CANDU .

241 утра

Америций-241 — кандидатный изотоп, доступность которого гораздо выше, чем у 238 Pu. Хотя период полураспада 241 Am составляет 432 года, что превышает 238 Pu, и гипотетически он может питать устройство на протяжении столетий, миссии с периодом полураспада более 10 лет не были предметом исследований до 2019 года. [40] Плотность мощности 241 Am Am составляет всего лишь 1/4 от 238 Pu, а 241 Am производит более проникающую радиацию через продукты цепи распада, чем 238 Pu, и требует большей защиты. Его требования к экранированию в РИТЭГ являются третьими по величине: меньше требуется только для 238 Pu и 210 Po. При нынешнем глобальном дефиците [41] 238 Pu , 241 Am изучается в качестве топлива для РТГ ЕКА [40] [42] , а в 2019 году Национальная ядерная лаборатория Великобритании объявила о выработке полезной электроэнергии. [43] Преимущество перед 238 Pu состоит в том, что он производится как ядерные отходы и имеет почти изотопную чистоту. Прототипы РИТЭГов на 241 Am рассчитаны на 2–2,2 Вт e /кг для конструкции РИТЭГов на 5–50 Вт e , но практические испытания показывают, что можно достичь только 1,3–1,9 Вт e . [40] Америций-241 в настоящее время используется в небольших количествах в бытовых детекторах дыма, поэтому обращение с ним и его свойства хорошо известны. Однако он распадается на нептуний-237 , наиболее химически подвижный среди актинидов.

250 см

Кюрий-250 — это наименьший трансурановый изотоп, который в основном распадается путем спонтанного деления, процесса, при котором выделяется во много раз больше энергии, чем при альфа-распаде. По сравнению с плутонием-238, кюрий-250 обеспечивает примерно четверть удельной мощности, но в 95 раз больший период полураспада (~8300 лет против ~87 лет). Поскольку это эмиттер нейтронов (более слабый, чем калифорний-252 , но не совсем незначительный), в некоторых приложениях требуется дополнительная защита от нейтронного излучения . Поскольку свинец, который является отличным защитным материалом от гамма-лучей и тормозного излучения , индуцированного бета-излучением , не является хорошей защитой от нейтронов (вместо этого отражая большинство из них), в приложениях, где нейтроны вызывают беспокойство, необходимо добавить другой экранирующий материал.

Продолжительность жизни

Советские ритэги с двигателями 90 Sr в ветхом состоянии.

В большинстве ритэгов используется 238 Pu, период полураспада которого составляет 87,7 года. Таким образом, в РИТЭГах, использующих этот материал, выходная мощность снизится в 1 – (1/2) 1/87,7 , что составляет 0,787%, в год.

Одним из примеров является MHW-RTG , используемый зондами «Вояджер» . В 2000 году, через 23 года после производства, радиоактивный материал внутри РИТЭГ снизился по мощности на 16,6%, т.е. обеспечил 83,4% его первоначальной мощности; начиная с мощности 470 Вт, по прошествии этого периода времени ее мощность будет составлять всего 392 Вт. Связанная с этим потеря мощности в РТГ «Вояджер» связана с ухудшением свойств биметаллических термопар, используемых для преобразования тепловой энергии в электрическую. ; РИТЭГи работали примерно на 67% от общей первоначальной мощности вместо ожидаемых 83,4%. К началу 2001 года мощность, вырабатываемая ритэгами «Вояджер», упала до 315 Вт у « Вояджера-1» и до 319 Вт у «Вояджера-2» . [44] К 2022 году эти цифры упали примерно до 220 Вт. [45]

НАСА разработало многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG), в котором термопары будут изготовлены из скуттерудита , арсенида кобальта (CoAs 3 ), который может работать с меньшей разницей температур, чем нынешние конструкции на основе теллура . Это означало бы, что аналогичный в остальном ритэг будет генерировать на 25% больше энергии в начале миссии и как минимум на 50% больше через семнадцать лет. НАСА надеется использовать эту конструкцию в следующей миссии New Frontiers . [46]

Безопасность

Схема пакета модулей источников тепла общего назначения , используемых в РИТЭГах

Кража

Радиоактивные материалы, содержащиеся в РИТЭГах, опасны и могут даже использоваться в злонамеренных целях. Они бесполезны для настоящего ядерного оружия , но все же могут служить в качестве « грязной бомбы ». Советский Союз построил множество беспилотных маяков и навигационных маяков с питанием от ритэгов с использованием стронция-90 ( 90 Sr). Они очень надежны и обеспечивают стабильный источник энергии. Большинство из них не имеют никакой защиты, даже заборов или предупреждающих знаков, а местонахождение некоторых из этих объектов больше не известно из-за плохого ведения учета. В одном случае радиоактивные отсеки открыл вор. [8] В другом случае трое лесорубов в Цаленджихском районе Грузии обнаружили два бесхозных керамических источника РИТЭГ , лишенных защиты; двое лесорубов позже были госпитализированы с тяжелыми радиационными ожогами после того, как несли источники на спине. В конечном итоге подразделения были обнаружены и изолированы. [47] В России имеется около 1000 таких РИТЭГов, все из которых давно превысили расчетный срок эксплуатации в десять лет. Большинство из этих РИТЭГов, вероятно, больше не функционируют и, возможно, их придется демонтировать. Некоторые из их металлических корпусов были разграблены охотниками за металлом, несмотря на риск радиоактивного заражения. [48] ​​Преобразование радиоактивного материала в инертную форму снижает опасность кражи людьми, не подозревающими о радиационной опасности (как это произошло при аварии в Гоянии на заброшенном источнике Cs-137, где цезий присутствовал в легкорастворимом в воде хлориде цезия) . форма). Однако злоумышленник с достаточной химической подготовкой может извлечь летучие вещества из инертного материала и/или добиться аналогичного эффекта диспергирования путем физического измельчения инертной матрицы в мелкую пыль.

Радиоактивное загрязнение

РИТЭГи представляют опасность радиоактивного заражения : если контейнер с топливом протечет, радиоактивный материал может загрязнить окружающую среду.

Что касается космических кораблей, то основная проблема заключается в том, что если авария произойдет во время запуска или последующего пролета космического корабля близко к Земле, вредный материал может быть выброшен в атмосферу; поэтому их использование в космических кораблях и других местах вызвало споры. [49] [50]

Однако это событие маловероятно при нынешних конструкциях контейнеров РИТЭГ. Например, исследование воздействия на окружающую среду зонда Кассини-Гюйгенс, запущенное в 1997 году, оценило вероятность аварий с загрязнением на различных этапах миссии. Вероятность возникновения аварии, которая привела к выбросу радиоактивных веществ из одного или нескольких из трех РИТЭГов (или из 129 блоков радиоизотопных нагревателей ) в течение первых 3,5 минут после запуска, оценивалась в 1 из 1400; шансы на выброс позже при подъеме на орбиту составляли 1 из 476; после этого вероятность случайного выброса резко упала до менее 1 на миллион. [51] Если авария, которая могла вызвать загрязнение, произошла на этапах запуска (например, космический корабль не смог выйти на орбиту), вероятность загрязнения, действительно вызванного РИТЭГами, оценивалась как 1 из 10. [ 52] 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 нагреву. Графитовые блоки окружает аэрооболочка, предназначенная для защиты всей сборки от тепла, возвращающегося в атмосферу Земли. Плутониевое топливо также хранится в термостойкой керамической форме, что сводит к минимуму риск испарения и аэрозолирования. Керамика также очень нерастворима .

Плутоний -238, используемый в этих РИТЭГах, имеет период полураспада 87,74 года, в отличие от плутония-239, используемого в ядерном оружии и реакторах , который составляет 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 [53] ). Например, 3,6  кг плутония-238 претерпевают такое же количество радиоактивных распадов в секунду, как и 1 тонна плутония-239. Поскольку заболеваемость обоих изотопов с точки зрения поглощенной радиоактивности почти одинакова, [54] плутоний-238 примерно в 275 раз более токсичен по массе, чем плутоний-239.

Альфа-излучение, испускаемое любым изотопом, не проникает через кожу, но может облучить внутренние органы при вдыхании или проглатывании плутония. Особому риску подвергается скелет , поверхность которого может поглотить изотоп, и печень , где изотоп будет собираться и концентрироваться.

Примером облучения, связанного с ритэгами, является радиологическая авария в Лиа в Грузии в декабре 2001 года. Активные части ритэгов со стронцием-90 были сброшены, немаркированы и ненадлежащим образом демонтированы, возле построенной в советские времена Ингурской плотины . Трое жителей соседней деревни Лия неосознанно подверглись воздействию и получили ранения; 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 два оставшихся ядра RTG еще не найдены.

Несчастные случаи

РИТЭГ SNAP -27 , развернутый астронавтами Аполлона-14, идентичный тому, который был потерян при входе в атмосферу Аполлона-13.

Известно несколько аварий с космическими кораблями с РИТЭГами:

  1. Неудачный запуск 21 апреля 1964 года, когда американский навигационный спутник Transit-5BN-3 не смог выйти на орбиту и сгорел при входе в атмосферу к северу от Мадагаскара . [55] Металлический плутоний емкостью 17 000 Ки (630 ТБк) в ритэге SNAP -9a был выброшен в атмосферу над южным полушарием, где сгорел, а несколько месяцев спустя в этом районе были обнаружены следы плутония-238. Этот инцидент привел к тому, что Комитет безопасности НАСА потребовал неповрежденного входа в атмосферу при будущих запусках РИТЭГ, что, в свою очередь, повлияло на конструкцию РИТЭГов, находящихся в разработке.
  2. Метеорологический спутник «Нимбус B-1», ракета-носитель которого была намеренно уничтожена вскоре после запуска 21 мая 1968 года из-за неустойчивой траектории. Запущенный с авиабазы ​​Ванденберг , его ритэг SNAP-19, содержащий относительно инертный диоксид плутония , был извлечен неповрежденным со дна моря в проливе Санта-Барбара пять месяцев спустя, и никакого загрязнения окружающей среды обнаружено не было. [56]
  3. В 1969 году запуск первого лунохода «Луноход» потерпел неудачу, в результате чего полоний-210 распространился на большую территорию России. [57]
  4. Провал миссии «Аполлон-13» в апреле 1970 года означал, что лунный модуль снова вошел 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 спускаемого аппарата, который выдержал вход в атмосферу Земли в целости и сохранности, как и был задуман, при этом траектория была устроена так, чтобы он мог погрузиться в атмосферу Земли. в 6–9 километров воды во впадине Тонга в Тихом океане . Отсутствие загрязнения плутонием-238 в пробах атмосферы и морской воды подтвердило предположение о том, что контейнер находится на морском дне в целости и сохранности. Ожидается, что контейнер будет содержать топливо в течение как минимум 10 периодов полураспада (т.е. 870 лет). Министерство энергетики США провело испытания в морской воде и установило, что графитовый корпус, спроектированный так, чтобы выдерживать вход в атмосферу, стабилен и выброса плутония не должно произойти. Последующие исследования не выявили увеличения естественного радиационного фона в этом районе. Авария «Аполлона-13» представляет собой экстремальный сценарий из-за высоких скоростей входа в атмосферу корабля, возвращающегося из окололунного пространства (области между атмосферой Земли и Луной). Эта авария послужила подтверждением высокой безопасности конструкции РИТЭГов более позднего поколения.
  5. Марс-96 был запущен Россией в 1996 году, но не смог покинуть околоземную орбиту и через несколько часов снова вошел в атмосферу. Два ритэга на борту несли в общей сложности 200 г плутония и, как предполагается, выдержали вход в атмосферу, как и были спроектированы. Считается, что сейчас они лежат где-то в овале длиной 320 км и шириной 80 км с северо-востока на юго-запад, центр которого находится в 32 км к востоку от Икике , Чили . [58]

Один РИТЭГ, SNAP-19C , был потерян недалеко от вершины горы Нанда Деви в Индии в 1965 году, когда он хранился в скале недалеко от вершины горы во время снежной бури, прежде чем его удалось установить для питания ЦРУ. удаленная автоматизированная станция сбора телеметрии с китайского ракетного испытательного полигона. Семь капсул [59] были снесены лавиной с горы на ледник и так и не были найдены. Скорее всего, они расплавились сквозь ледник и были распылены, после чего сплав плутония и циркония 238 стал топливом для окисленных частиц почвы, которые движутся шлейфом под ледником. [60] [ нужна страница ]

Многие РИТЭГи Бета-М , произведенные Советским Союзом для питания маяков и радиомаяков, стали бесхозными источниками радиации. Некоторые из этих установок были незаконно разобраны на металлолом (что привело к полному обнажению источника Sr-90 ), упали в океан или имеют неисправную защиту из-за плохой конструкции или физического повреждения. Программа совместного снижения угроз Министерства обороны США выразила обеспокоенность тем, что материалы ритэгов Бета-М могут быть использованы террористами для создания « грязной бомбы» . [8] Однако используемый перовскит титаната стронция устойчив ко всем вероятным формам разложения окружающей среды и не может плавиться или растворяться в воде. Биоаккумуляция маловероятна, поскольку SrTiO 3 проходит через пищеварительный тракт человека или других животных в неизмененном виде, но животное или человек, проглотившие его, все равно получат значительную дозу радиации на чувствительную оболочку кишечника во время прохождения. Механическое разложение «камешков» или более крупных объектов на мелкую пыль более вероятно и может рассеять материал на более широкой площади, однако это также снизит риск любого единичного случая воздействия, приводящего к высокой дозе.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ "Призывник NIHF Кеннет К. Джордан" . Проверено 21 января 2023 г.
  2. ^ "Призывник NIHF Джон Берден" . Проверено 21 января 2023 г.
  3. ^ "Запись Кена Джордана в Национальный зал славы изобретателей" . Архивировано из оригинала 17 сентября 2016 года . Проверено 7 августа 2016 г.
  4. ^ "Запись Джона Бердена в Национальный зал славы изобретателей" . Архивировано из оригинала 17 сентября 2016 года . Проверено 7 августа 2016 г.
  5. ^ abc Бланке, Британская Колумбия; Берден, Дж. Х.; Джордан, Канзас; Мерфи, Эл. (1960). Сводный отчет о типе ядерной батареи-термопары. Комиссия по атомной энергии США. дои : 10.2172/4807049 .
  6. ^ «Общие соображения безопасности» (PDF) . Институт термоядерных технологий, Университет Висконсин-Мэдисон . Весна 2000. с. 21. Архивировано из оригинала (конспектов лекций) 19 февраля 2007 года.
  7. ^ abcd Судунова, Ирина (5 января 2021 г.). «Ядерные маяки, построенные Советами в Арктике». Ролик BBC . Би-би-си . Проверено 15 марта 2021 г.
  8. ^ abc «Радиоизотопные термоэлектрические генераторы». Беллона . 2 апреля 2005 г. Проверено 13 июня 2016 г.
  9. ↑ Пожар на Аляске угрожает ядерным оружием ВВС, WISE , 16 октября 1992 г., по состоянию на 15 марта 2021 г.
  10. ^ Ядерные кардиостимуляторы, LANL
  11. ^ «Ядерный кардиостимулятор все еще находится под напряжением спустя 34 года» . Рейтер . 19 декабря 2007 г. Архивировано из оригинала 27 февраля 2023 г. Проверено 14 марта 2019 г.
  12. ^ Кардиостимулятор (PDF) . Майамисбург, Огайо: Исследовательская корпорация Монсанто. Архивировано из оригинала (PDF) 16 августа 2016 года.
  13. ^ Ариас, FJ (2011). «Усовершенствованный субкритический вспомогательный радиоизотопный термоэлектрический генератор: императивное решение для будущего исследований НАСА». Журнал Британского межпланетного общества . 64 : 314–318. Бибкод : 2011JBIS...64..314A.
  14. ^ Проектирование мощного (1 кВтэ) подкритического источника питания «Области исследований». Архивировано из оригинала 6 октября 2014 года . Проверено 5 октября 2014 г.
  15. ^ abcdef МакНатт, РЛ; и другие. (7 мая 2002 г.). Межзвездный исследователь (PDF) . Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса. Архивировано из оригинала (PDF) 3 июня 2013 года.
  16. ^ «Инновационный межзвездный зонд». JHU/АПЛ . Проверено 22 октября 2010 г.
  17. ^ "Межзвездный зонд". НАСА/Лаборатория реактивного движения. 5 февраля 2002 г. Архивировано из оригинала 6 апреля 2003 г. Проверено 22 октября 2010 г.
  18. ^ Ариас, Ф.Дж.; Паркс, GT (ноябрь 2015 г.). «Самоиндуцированные электростатические радиоизотопные источники тепла». Прогресс в атомной энергетике . 85 : 291–296. дои : 10.1016/j.pnucene.2015.06.016 . ISSN  0149-1970.
  19. ^ Харланд, DM (2011). Аполлон-12 – В океане бурь . Нью-Йорк: Springer Science & Business Media. п. 269. дои : 10.1007/978-1-4419-7607-9. ISBN 978-1-4419-7607-9. ОСЛК  1300218719.
  20. ^ «Марсианская научная лаборатория запускает ядерную безопасность» (PDF) . НАСА/Лаборатория реактивного движения/Министерство энергетики. 2 марта 2011 года . Проверено 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 . Проверено 19 октября 2012 г.
  23. ^ «СНАП-27». Смитсоновский национальный музей авиации и космонавтики . Архивировано из оригинала 24 января 2012 года . Проверено 13 сентября 2011 г.
  24. ^ abc «Обзор SNAP». USDOE ETEC. Архивировано из оригинала 4 мая 2010 года . Проверено 4 апреля 2010 г.
  25. ^ Читайкин, В.И.; Мелета, Е.А.; Ярыгин, В.И.; Михеев А.С.; Тулин С.М. «Использование ядерно-космической технологии прямого преобразования энергии для наземных целей». Международное агентство по атомной энергии, Вена (Австрия). стр. 178–185 . Проверено 14 сентября 2011 г.
  26. ^ «Ядерные реакторы для космоса» . Проверено 14 сентября 2011 г.
  27. ^ "Радиоизотопные термоэлектрические генераторы - Беллона" . Беллона.но . Архивировано из оригинала 20 декабря 2010 года . Проверено 14 марта 2022 г.
  28. ^ ab «Источники энергии для удаленных арктических применений» (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Конгресс США, Управление оценки технологий. Июнь 1994 г. ОТА-BP-ETI-129.
  29. ^ RIPPLE I – X и большой источник
  30. ^ Ирландские огни - Рэтлин О'Бирн
  31. ^ "Ежеквартальный журнал исследований актинидов: зима 94-95" . www.lanl.gov . Проверено 2 ноября 2023 г.
  32. ^ ab NPE, глава 3. Производство радиоизотопной энергии. Архивировано 18 декабря 2012 г. в Wayback Machine.
  33. ↑ Миотла, Деннис (21 апреля 2008 г.). «Оценка альтернатив производства плутония-238: брифинг для Консультативного комитета по ядерной энергии» (PDF) .
  34. ^ Чедвелл, CB; Элсвик, Техас (24 сентября 1971 г.). «Снижение скорости эмиссии нейтронов в PuO2 за счет кислородного обмена». Документ лаборатории кургана MLM-1844 . дои : 10.2172/4747800. ОСТИ  4747800.
  35. ^ См. Источники тепла Pu-238, изготовленные в Mound, исправленная таблица: Крейг, Кэрол. «РТГ: источник энергии; история радиоизотопных термоэлектрических генераторов, заправленных на кургане» (PDF) . Документ лаборатории кургана MLM-MU-82-72-0006 . Архивировано из оригинала (PDF) 16 августа 2016 года.
  36. ^ ab НАСА не имеет достаточного количества ядерного топлива для своих миссий в дальний космос. Итан Сигел, Forbes . 13 декабря 2018 г.
  37. ^ Поставка плутония для миссий НАСА сталкивается с долгосрочными проблемами. Джефф Фауст. Новости космоса , 10 октября 2017 г.
  38. ^ ab Род Адамс, Источники тепла RTG: два проверенных материала. Архивировано 7 февраля 2012 г. в Wayback Machine , 1 сентября 1996 г., проверено 20 января 2012 г.
  39. ^ «Полоний» (PDF) . Аргоннская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала (PDF) 10 марта 2012 года.
  40. ^ abc Амбрози; Уильямс (2019). «Европейские радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ) и радиоизотопные нагревательные установки (RHU) для космической науки и исследования». Обзоры космической науки . 215 (8):55. Бибкод :2019ССРв..215...55А. дои : 10.1007/s11214-019-0623-9 . S2CID  213765953.
  41. ↑ Нелл Гринфилд-Бойс, Нехватка плутония может остановить освоение космоса, NPR , 28 сентября 2009 г., получено 2 ноября 2010 г.
  42. ↑ Доктор майор С. Чахал, [1], Космическое агентство Великобритании , 9 февраля 2012 г., получено 13 ноября 2014 г.
  43. ^ «Британские ученые производят электричество из редкого элемента для питания будущих космических миссий» . Национальная ядерная лаборатория . Проверено 6 мая 2019 г.
  44. ^ «Отчеты о состоянии операций миссии «Вояджер»» . Веб-сайт Voyager.jpl.nasa.gov . Проверено 24 июля 2011 г.
  45. ^ Янсен, Кристин. «НАСА празднует 45-летие «Вояджера-1», основанного на радиоизотопной энергии». Новости НАСА . НАСА . Проверено 12 ноября 2023 г.
  46. ^ «Ядерные батареи космического корабля могут получить импульс за счет новых материалов» . Новости Лаборатории реактивного движения . Лаборатория реактивного движения. 13 октября 2016 г. Проверено 19 октября 2016 г.
  47. ^ «Бюллетень МАГАТЭ, том 48, № 1 – Дистанционное управление: вывод из эксплуатации ритэгов» (PDF) . Малгожата К. Сневе . Проверено 30 марта 2015 г.
  48. ^ «Доклад министра 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 года . Проверено 10 октября 2009 г.
  49. ↑ Корабль НАСА с ядерной установкой приблизится к Земле во вторник, репортаж CNN, 16 августа 1999 г.
  50. ^ «10 крупнейших радиационных происшествий космической эры» . listverse.com . 20 января 2012 года . Проверено 30 января 2018 г.
  51. ^ Окончательное дополнительное заявление Кассини о воздействии на окружающую среду. Архивировано 29 сентября 2006 г. в Wayback Machine , Глава 4, НАСА, сентябрь 1997 г. (Ссылки на другие главы и связанные с ними документы. Архивировано 7 сентября 2006 г. в Wayback Machine ).
  52. ^ Окончательное дополнительное заявление Кассини о воздействии на окружающую среду. Архивировано 29 сентября 2006 г. в Wayback Machine , Приложение D, Сводка таблиц результатов анализа безопасности, Таблица D-1 на странице D-4, см. столбец условной вероятности для GPHS-RTG.
  53. ^ Физические, ядерные и химические свойства плутония, информационный бюллетень IEER
  54. ^ Коэффициенты риска смертности и заболеваемости для отдельных радионуклидов, Аргоннская национальная лаборатория. Архивировано 10 июля 2007 г. в Wayback Machine.
  55. ^ «Транзит». Энциклопедия космонавтики. Архивировано из оригинала 24 июня 2002 года . Проверено 7 мая 2013 г.
  56. ^ РИТЭГи были возвращены в Курган для разборки, а топливо в виде микросфер 238 PuO 2 было извлечено и использовано повторно. А. Анджело-младший и Д. Буден (1985). Космическая ядерная энергетика . Издательство Кригер. ISBN 0-89464-000-3.
  57. ^ «Энергетические ресурсы для космических миссий». Журнал «Космическая безопасность» . Проверено 18 января 2014 г.
  58. ^ Хронология Марса 96, НАСА.
  59. ^ Файл: Лист данных насыпи SNAP-19C.pdf.
  60. ^ Кохли, М.С.; Конбой, Кей Джей (2002). Шпионы в Гималаях: секретные миссии и опасные восхождения . Лоуренс, Канзас: Университетское издательство Канзаса. doi : 10.2307/j.ctvj7wp9g. ISBN 978-0-7006-1223-9. ОСЛК  50803689.

Рекомендации

Внешние ссылки

На Wikimedia Commons есть средства массовой информации, связанные с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами .