RTG(radioizotopinis termoelektrinis generatorius) - radioizotopų šaltinis naudojant elektros energiją šiluminė energija, išsiskiria natūralaus radioaktyviųjų izotopų skilimo metu ir paverčia jį elektra naudojant termoelektrinį generatorių.

Palyginti su branduoliniais reaktoriais, naudojantiems grandininę reakciją, RTG yra daug kompaktiškesni ir struktūriškai paprastesni. RTG išėjimo galia yra labai maža (iki kelių šimtų vatų) ir mažas efektyvumas. Kita vertus, jie neturi judančių dalių ir nereikalauja priežiūros per visą jų tarnavimo laiką, kuris gali trukti dešimtmečius.

Taikymas

RTG erdvėlaivis"Nauji horizontai"

RTG paprastai yra tinkamiausias energijos šaltinis autonomines sistemas reikia kelių dešimčių iki šimtų vatų, o jų veikimo laikas yra labai ilgas, per ilgas kuro elementai arba baterijas.

Kosmose

Erdvėlaivyje „Cassini-Huygens“ naudojamo RTG schema

RTG yra pagrindinis energijos šaltinis ilgalaikėms misijoms, kurios yra toli nuo jūsų (pavyzdžiui, „Voyager-2“ arba „Cassini-Huygens“) saulės elementai neveiksmingas arba neįmanomas.

Plutonis-238 2006 m., Paleisdamas zondą „New Horizons“, rado savo pritaikymą kaip erdvėlaivių įrangos energijos šaltinį. Radioizotopų generatoriuje buvo 11 kg didelio grynumo 238 Pu dioksido, kuris per visą kelionę pagamino vidutiniškai 220 vatų elektros energijos (240 vatų pradžioje ir, pagal skaičiavimus, 200 vatų pabaigoje).

Taip atsitiko, kad seriale „Ramus kosminis atomas“ mes pereiname nuo fantastinio prie plačiai paplitusio. Praėjusį kartą, kai kalbėjome apie galios reaktorius, akivaizdus kitas žingsnis yra kalbėti apie radioizotopinius termoelektrinius generatorius. Neseniai „Habré“ buvo puikus pranešimas apie „Cassini“ zondo RTG, ir mes apsvarstysime šią temą platesniu požiūriu.

Proceso fizika

Šilumos gamyba

Skirtingai nuo branduolinio reaktoriaus, kuriame naudojamas branduolinės grandininės reakcijos reiškinys, radioizotopų generatoriai naudoja natūralų radioaktyviųjų izotopų skilimą. Atminkite, kad atomus sudaro protonai, elektronai ir neutronai. Priklausomai nuo neutronų skaičiaus tam tikro atomo branduolyje, jis gali būti stabilus arba gali parodyti savaiminio skilimo tendenciją. Pavyzdžiui, kobalto 59 Co atomas su 27 protonais ir 32 neutronais branduolyje yra stabilus. Tokį kobaltą žmonija naudojo nuo senų laikų Senovės Egiptas... Bet jei prie 59 Co pridėsime vieną neutroną (pavyzdžiui, į branduolinį reaktorių įdėdami „įprasto“ kobalto), tada gausime 60 Co-radioaktyvųjį izotopą, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 5,2 metų. Sąvoka „pusinės eliminacijos periodas“ reiškia, kad po 5,2 metų vienas atomas suyra su 50%tikimybe ir liks maždaug pusė šimto atomų. Visi „paprasti“ elementai turi savo izotopus skirtingi laikotarpiai pusė gyvenimo:

3D izotopų žemėlapis, dėka LJ vartotojo plutos grupės už nuotrauką.

Pasirinkus tinkamą izotopą, galima gauti RTG su reikiamu tarnavimo laiku ir kitais parametrais:

Izotopas	Gavimo būdas	Specifinė galia, W / g	Tūrinė galia, W / cm³	Pusė gyvenimo	Integruota izotopų skilimo energija, kWh / g	Izotopo darbo forma
60 Co (kobaltas-60)	Švitinimas reaktoriuje	2,9	~26	5271 metai	193,2	Metalas, lydinys
238 Pu (plutonis-238)	branduolinis reaktorius	0,568	6,9	86 metai	608,7	Plutonio karbidas
90 Sr (stroncis-90)	skilimo fragmentai	0,93	0,7	28 metai	162,721	SrO, SrTiO 3
144 Ce (ceris-144)	skilimo fragmentai	2,6	12,5	285 dienos	57,439	CeO 2
242 cm (kurio-242)	branduolinis reaktorius	121	1169	162 dienos	677,8	Cm 2 O 3
147 pm (prometis-147)	skilimo fragmentai	0,37	1,1	2,64 metų	12,34	Pm 2 O 3
137 Cs (cezis-137)	skilimo fragmentai	0,27	1,27	33 metai	230,24	CsCl
210 Po (polonis-210)	bismuto apšvitinimas	142	1320	138 dienos	677,59	lydiniai su švinu, itris, auksas
244 cm (kurio-244)	branduolinis reaktorius	2,8	33,25	18,1 metų	640,6	Cm 2 O 3
232 U (uranas-232)	torio apšvitinimas	8,097	~88,67	68,9 metų	4887,103	dioksidas, karbidas, urano nitridas
106 Ru (rutenis-106)	skilimo fragmentai	29,8	369,818	~ 371,63 dienos	9,854	metalas, lydinys

Tai, kad izotopų skilimas vyksta nepriklausomai, reiškia, kad RTG negalima valdyti. Įkrovęs degalus, jis daugelį metų kaista ir gamina elektros energiją, palaipsniui blogėja. Skaldyto izotopo kiekio sumažinimas reiškia, kad bus mažiau branduolinio skilimo, mažiau šilumos ir elektra. Be to, elektros energijos sumažėjimas padidins elektros generatoriaus gedimą.
Yra supaprastinta RTG versija, kurioje izotopo skilimas naudojamas tik šildymui, nesukuriant elektros energijos. Toks modulis vadinamas šildymo įrenginiu arba RHG (radioizotopinis šilumos generatorius).

Šilumos pavertimas elektra

Kaip ir branduolinio reaktoriaus atveju, išėjimas yra šiluma, kuri tam tikru būdu turi būti paversta elektra. Norėdami tai padaryti, galite naudoti:

• Termoelektrinis keitiklis. Prijungus du laidininkus iš skirtingų medžiagų(pavyzdžiui, chromelį ir aliuminį) ir šildydami vieną iš jų, galite gauti elektros šaltinį.
• Termioninis keitiklis. Šiuo atveju naudojama elektroninė lempa. Jo katodas įkaista, o elektronai gauna pakankamai energijos, kad galėtų „šokinėti“ prie anodo, sukurdami elektros srovę.
• Šiluminis fotoelektrinis keitiklis. Tokiu atveju fotoelementas prijungiamas prie šilumos šaltinio, kuris veikia infraraudonųjų spindulių... Šilumos šaltinis skleidžia fotonus, kuriuos užfiksuoja fotoelementas ir paverčia elektra.
• Termoelektrinis keitiklis naudojant šarminius metalus. Čia elektrolitas, pagamintas iš išlydytų natrio ir sieros druskų, naudojamas šilumai paversti elektra.
• Stirlingo variklis - šilumos variklis temperatūros skirtumą paversti mechaniniu darbu. Elektra gaunama iš mechaninis darbas naudojant kažkokį generatorių.

Istorija

Pirmasis eksperimentinis radioizotopų energijos šaltinis buvo pristatytas 1913 m. Tačiau tik nuo XX amžiaus antrosios pusės, kai plinta branduoliniai reaktoriai, kuriuose buvo galima gauti izotopų pramoniniu mastu, RTG pradėjo aktyviai naudoti.

JAV

JAV SNAP organizacija, jums jau pažįstama iš ankstesnio įrašo, užsiėmė RTG.
SNAP-1.
Tai buvo eksperimentinis 144 Ce RTG su Rankine ciklo generatoriumi (garo varikliu), kurio aušinimo skystis buvo gyvsidabris. Generatorius sėkmingai dirbo 2500 valandų Žemėje, tačiau neskrido į kosmosą.

SNAP-3.
Pirmasis RTG, skridęs į kosmosą navigacijos palydovuose „Transit 4A“ ir „4B“. Galia 2 W, svoris 2 kg, naudojamas plutonis-238.

Sentryne
RTG, skirtas meteorologiniam palydovui. Energinė galia 4,5 W, izotopas - stroncis -90.

SNAP-7.
Antžeminių RTG šeima švyturiams, šviesos plūdurams, oro stotims, akustiniams plūdurams ir pan. Labai dideli modeliai, svoris nuo 850 iki 2720 kg. Energijos galia - dešimtys vatų. Pavyzdžiui, SNAP -7D - 30 W, kurio masė 2 tonos.

SNAP-9
Serijinis RTG, skirtas „Transit“ navigacijos palydovams. Svoris 12 kg, elektros galia 25 W.

SNAP-11
Eksperimentinė RTG Mėnulio nusileidimo stotims. Buvo pasiūlyta naudoti izotopą curium-242. Elektros energija- 25 W. Nėra naudojamas.

SNAP-19
Serijinis RTG, naudojamas daugelyje misijų -meteorologiniai palydovai „Nimbus“, zondai „Pioneer“ -10 ir -11, Marso nusileidimo stotys „Viking“. Izotopas - plutonis -238, galia ~ 40 W.

SNAP -21 ir -23
RTG, skirti naudoti po vandeniu naudojant stroncį-90.

SNAP-27
RTG, skirti maitinti „Apollo“ programos mokslinę įrangą. 3,8 kg. plutonis-238 suteikė 70 vatų energijos. Mokslinė Mėnulio įranga buvo išjungta dar 1977 m. (Žmonės ir įranga Žemėje reikalavo pinigų, tačiau jų nepakako). 1977 m. RTG gamino nuo 36 iki 60 vatų elektros energijos.

MHW-RTG
Pavadinimas reiškia „multislott RTG“. 4,5 kg. plutonis-238 davė 2400 vatų šiluminės galios ir 160 vatų elektros energijos. Šie RTG buvo Linkolno eksperimentiniuose palydovuose (LES-8,9) ir jau 37 metus tiekia šilumą ir elektrą „Voyagers“. 2014 m. RTG suteikia apie 53% pradinio pajėgumo.

GPHS-RTG
Galingiausi iš kosminių RTG. 7,8 kg plutonio-238 davė 4400 vatų šiluminės galios ir 300 vatų elektros energijos. Jis buvo naudojamas Saulės zonde „Ulysses“, „Galileo“ zonduose, „Cassini-Huygens“ ir skrenda į Plutoną „New Horizons“.

MMRTG
RTG smalsumui. 4 kg plutonio-238, 2000 W šiluminės galios, 100 W elektros energijos.


Šiltas plutonio lempos kubas.

JAV RTG su nuoroda laiku.

Suvestinė lentelė:

vardas	Medija (numeris įrenginyje)	Maksimali galia		Izotopas	Kuro svoris, kg	Visas svoris, kg
		Elektrinis, W.	Terminis, W
MMRTG	MSL / Curiosity rover	~110	~2000	238 Pu	~4	<45
GPHS-RTG	„Cassini“ (3), „New Horizons“ (1), „Galileo“ (2), „Ulysses“ (1)	300	4400	238 Pu	7.8	55.9-57.8
MHW-RTG	LES-8/9, „Voyager 1“ (3), „Voyager 2“ (3)	160	2400	238 Pu	~4.5	37.7
SNAP-3B	„Transit-4A“ (1)	2.7	52.5	238 Pu	?	2.1
SNAP-9A	Tranzitas 5BN1 / 2 (1)	25	525	238 Pu	~1	12.3
SNAP-19	Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4), Pioneer 11 (4)	40.3	525	238 Pu	~1	13.6
modifikacija SNAP-19	Vikingas 1 (2), Vikingas 2 (2)	42.7	525	238 Pu	~1	15.2
SNAP-27	„Apollo 12-17 ALSEP“ (1)	73	1,480	238 Pu	3.8	20

SSRS / Rusija

SSRS ir Rusijoje buvo mažai kosminių RTG. Pirmasis eksperimentinis generatorius buvo „Lemon-1 RTG“, pagrįstas poloniu-210, sukurtas 1962 m.

.

Pirmieji kosminiai RTG buvo „Orion-1“, kurio galia 20 W polonyje-210, ir paleisti „Strela-1“ serijos ryšio palydovuose-„Kosmos-84“ ir „Kosmos-90“. Šildymo įrenginiai buvo sumontuoti „Lunokhod“ -1 ir -2, o RTG vykdė misiją „Mars -96“:

Tuo pačiu metu RTG buvo labai aktyviai naudojami švyturiuose, navigacijos plūdurams ir kitai antžeminei įrangai - BETA, RTG -IEU serijoms ir daugeliui kitų.

Dizainas

Beveik visi RTG naudoja termoelektrinius keitiklius, todėl turi tą pačią konstrukciją:

Perspektyvos

Visi skraidantys RTG išsiskiria labai mažu efektyvumu - paprastai elektros galia yra mažesnė nei 10% šiluminės galios. Todėl XXI amžiaus pradžioje NASA pradėjo ASRG projektą - RTG su Stirlingo varikliu. Tikimasi, kad efektyvumas padidės iki 30% ir 140 W elektros energijos, esant 500 W šiluminei galiai. Deja, 2013 m. Projektas buvo sustabdytas dėl per didelio biudžeto. Tačiau teoriškai efektyvesnių šilumos ir elektros keitiklių naudojimas gali rimtai padidinti RTG efektyvumą.

Privalumai ir trūkumai

Privalumai:

1. Labai paprastas dizainas.
2. Jis gali veikti metus ir dešimtmečius, palaipsniui blogėti.
3. Jis gali būti naudojamas vienu metu šildymui ir elektros tiekimui.
4. Nereikalauja valdymo ir priežiūros.

Trūkumai:

1. Kurui reikalingi reti ir brangūs izotopai.
2. Kuro gamyba yra sudėtinga, brangi ir lėta.
3. Mažas efektyvumas.
4. Galia yra ribota iki šimtų vatų. RTG, turintis kilovatų elektros galią, jau yra prastai pagrįstas, megavatas praktiškai neturi prasmės: jis bus per brangus ir sunkus.

Tokių privalumų ir trūkumų derinys reiškia, kad RTG ir šildymo įrenginiai užima savo nišą kosmoso energetikos srityje ir ją išsaugos ateityje. Jie leidžia paprastai ir efektyviai šildyti ir tiekti elektros energiją tarpplanetinėms transporto priemonėms, tačiau nereikėtų iš jų tikėtis jokio energetinio proveržio.

Šaltiniai

Be Vikipedijos, buvo naudojami šie dalykai:

• Branduolinė kosmoso erdvė: paskutinio horizonto atidarymas.
• Tema „Vidaus RTG“ „Kosmonautikos naujienose“.

Žymos:

• RTG
• MCA

Pridėti žymes

Taip atsitinka, kad seriale mes pereiname nuo fantastikos prie pagrindinės. Praėjusį kartą, kai kalbėjome apie galios reaktorius, akivaizdus kitas žingsnis yra kalbėti apie radioizotopinius termoelektrinius generatorius. Neseniai Habré buvo puikus įrašas apie Cassini zondo RTG, ir mes apsvarstysime šią temą platesniu požiūriu.

Proceso fizika

Šilumos gamyba

Skirtingai nuo branduolinio reaktoriaus, kuriame naudojamas branduolinės grandininės reakcijos reiškinys, radioizotopų generatoriai naudoja natūralų radioaktyviųjų izotopų skilimą. Atminkite, kad atomus sudaro protonai, elektronai ir neutronai. Priklausomai nuo neutronų skaičiaus tam tikro atomo branduolyje, jis gali būti stabilus arba gali parodyti polinkį į savaiminį irimą. Pavyzdžiui, kobalto 59 Co atomas su 27 protonais ir 32 neutronais branduolyje yra stabilus. Tokį kobaltą žmonija naudojo nuo Senovės Egipto laikų. Bet jei prie 59 Co pridėsime vieną neutroną (pavyzdžiui, į branduolinį reaktorių įdėdami „normalų“ kobaltą), gausime 60 Co-radioaktyvųjį izotopą, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 5,2 metų. Sąvoka „pusinės eliminacijos periodas“ reiškia, kad po 5,2 metų vienas atomas suyra su 50%tikimybe ir liks maždaug pusė šimto atomų. Visi „įprasti“ elementai turi savo izotopus, kurių pusinės eliminacijos laikas skiriasi:

3D izotopų žemėlapis, ačiū plutos grupė dėl paveikslo.

Pasirinkus tinkamą izotopą, galima gauti RTG su reikiamu tarnavimo laiku ir kitais parametrais:

Izotopas	Gavimo būdas	Specifinė galia, W / g	Tūrinė galia, W / cm³	Pusė gyvenimo	Integruota izotopų skilimo energija, kWh / g	Izotopo darbo forma
60 Co (kobaltas-60)	Švitinimas reaktoriuje	2,9	~26	5271 metai	193,2	Metalas, lydinys
238 Pu (plutonis-238)	branduolinis reaktorius	0,568	6,9	86 metai	608,7	Plutonio karbidas
90 Sr (stroncis-90)	skilimo fragmentai	0,93	0,7	28 metai	162,721	SrO, SrTiO 3
144 Ce (ceris-144)	skilimo fragmentai	2,6	12,5	285 dienos	57,439	CeO 2
242 cm (kurio-242)	branduolinis reaktorius	121	1169	162 dienos	677,8	Cm 2 O 3
147 pm (prometis-147)	skilimo fragmentai	0,37	1,1	2,64 metų	12,34	Pm 2 O 3
137 Cs (cezis-137)	skilimo fragmentai	0,27	1,27	33 metai	230,24	CsCl
210 Po (polonis-210)	bismuto apšvitinimas	142	1320	138 dienos	677,59	lydiniai su švinu, itris, auksas
244 cm (kurio-244)	branduolinis reaktorius	2,8	33,25	18,1 metų	640,6	Cm 2 O 3
232 U (uranas-232)	torio apšvitinimas	8,097	~88,67	68,9 metų	4887,103	dioksidas, karbidas, urano nitridas
106 Ru (rutenis-106)	skilimo fragmentai	29,8	369,818	~ 371,63 dienos	9,854	metalas, lydinys

Tai, kad izotopų skilimas vyksta nepriklausomai, reiškia, kad RTG negalima valdyti. Įkrovęs kurą, jis daugelį metų kaista ir gamina elektros energiją, palaipsniui blogėja. Skaldomo izotopo kiekio sumažinimas reiškia mažiau branduolio dalijimosi, mažiau šilumos ir mažiau elektros energijos. Be to, elektros energijos sumažėjimas padidins elektros generatoriaus gedimą.
Yra supaprastinta RTG versija, kurioje izotopo skilimas naudojamas tik šildymui, nesukuriant elektros energijos. Toks modulis vadinamas šildymo įrenginiu arba RHG (radioizotopinis šilumos generatorius).

Šilumos pavertimas elektra

Kaip ir branduolinio reaktoriaus atveju, išėjimas yra šiluma, kuri tam tikru būdu turi būti paversta elektra. Norėdami tai padaryti, galite naudoti:

• Termoelektrinis keitiklis. Prijungę du laidininkus, pagamintus iš skirtingų medžiagų (pavyzdžiui, chromelio ir aliuminio), ir šildydami vieną iš jų, galite gauti elektros šaltinį.


• Termioninis keitiklis. Šiuo atveju naudojama elektroninė lempa. Jo katodas įkaista, o elektronai gauna pakankamai energijos, kad galėtų „šokinėti“ prie anodo, sukurdami elektros srovę.


• Šiluminis fotoelektrinis keitiklis. Šiuo atveju prie šilumos šaltinio prijungtas infraraudonųjų spindulių fotoelementas. Šilumos šaltinis skleidžia fotonus, kuriuos užfiksuoja fotoelementas ir paverčia elektra.


• Termoelektrinis keitiklis naudojant šarminius metalus. Čia elektrolitas, pagamintas iš išlydytų natrio ir sieros druskų, naudojamas šilumai paversti elektra.


• Stirlingo variklis yra šilumos variklis, skirtas temperatūrų skirtumus paversti mechaniniu darbu. Elektra gaunama dirbant mechaniniu būdu, naudojant tam tikrą generatorių.

Istorija

Pirmasis eksperimentinis radioizotopų energijos šaltinis buvo pristatytas 1913 m. Tačiau tik XX amžiaus antroje pusėje, plintant branduoliniams reaktoriams, galintiems gaminti pramoniniu mastu izotopus, RTG buvo pradėta aktyviai naudoti.

JAV

JAV SNAP organizacija, jums jau pažįstama iš ankstesnio įrašo, užsiėmė RTG.
SNAP-1.
Tai buvo eksperimentinis 144 Ce RTG su Rankine ciklo generatoriumi (garo varikliu), kurio aušinimo skystis buvo gyvsidabris. Generatorius sėkmingai dirbo 2500 valandų Žemėje, tačiau neskrido į kosmosą.

SNAP-3.
Pirmasis RTG, skridęs į kosmosą navigacijos palydovuose „Transit 4A“ ir „4B“. Galia 2 W, svoris 2 kg, naudojamas plutonis-238.

Sentryne
RTG, skirtas meteorologiniam palydovui. Energinė galia 4,5 W, izotopas - stroncis -90.

SNAP-7.
Antžeminių RTG šeima švyturiams, šviesos plūdurams, oro stotims, akustiniams plūdurams ir pan. Labai dideli modeliai, svoris nuo 850 iki 2720 kg. Energijos galia - dešimtys vatų. Pavyzdžiui, SNAP -7D - 30 W, kurio masė 2 tonos.

SNAP-9
Serijinis RTG, skirtas „Transit“ navigacijos palydovams. Svoris 12 kg, elektros galia 25 W.

SNAP-11
Eksperimentinė RTG Mėnulio nusileidimo stotims. Buvo pasiūlyta naudoti izotopą curium-242. Elektros galia - 25 W. Nėra naudojamas.

SNAP-19
Serijinis RTG, naudojamas įvairioms misijoms -Nimbus meteorologiniams palydovams, zondams „Pioneer“ -10 ir -11, Marso nusileidimo stotims „Viking“. Izotopas - plutonis -238, galia ~ 40 W.

SNAP -21 ir -23
RTG, skirti naudoti po vandeniu naudojant stroncį-90.

SNAP-27
RTG, skirti maitinti „Apollo“ programos mokslinę įrangą. 3,8 kg. plutonis-238 suteikė 70 vatų energijos. Mokslinė Mėnulio įranga buvo išjungta dar 1977 m. (Žmonės ir įranga Žemėje reikalavo pinigų, tačiau jų nepakako). 1977 m. RTG gamino nuo 36 iki 60 vatų elektros energijos.

MHW-RTG
Pavadinimas reiškia „multisotwatt RTG“. 4,5 kg. plutonis-238 davė 2400 vatų šiluminės galios ir 160 vatų elektros energijos. Šie RTG buvo Linkolno eksperimentiniuose palydovuose (LES-8,9) ir jau 37 metus tiekia šilumą ir elektrą „Voyagers“. 2014 m. RTG suteikia apie 53% pradinio pajėgumo.

GPHS-RTG
Galingiausi iš kosminių RTG. 7,8 kg plutonio-238 davė 4400 vatų šiluminės galios ir 300 vatų elektros energijos. Jis buvo naudojamas ant zondo „Ulysses“, zondų „Galileo“ ir „Cassini-Huygens“ ir skrenda į Plutoną „New Horizons“.

MMRTG
RTG smalsumui. 4 kg plutonio-238, 2000 W šiluminės galios, 100 W elektros energijos.


Šiltas plutonio lempos kubas.

JAV RTG su nuoroda laiku.

Suvestinė lentelė:

vardas	Medija (numeris įrenginyje)	Maksimali galia		Izotopas	Kuro svoris, kg	Visas svoris, kg
		Elektrinis, W.	Terminis, W
MMRTG	MSL / Curiosity rover	~110	~2000	238 Pu	~4	<45
GPHS-RTG	„Cassini“ (3), „New Horizons“ (1), „Galileo“ (2), „Ulysses“ (1)	300	4400	238 Pu	7.8	55.9-57.8
MHW-RTG	LES-8/9, „Voyager 1“ (3), „Voyager 2“ (3)	160	2400	238 Pu	~4.5	37.7
SNAP-3B	„Transit-4A“ (1)	2.7	52.5	238 Pu	?	2.1
SNAP-9A	Tranzitas 5BN1 / 2 (1)	25	525	238 Pu	~1	12.3
SNAP-19	Tuo pačiu metu RTG buvo labai aktyviai naudojami švyturiuose, navigacijos plūdurams ir kitai antžeminei įrangai - BETA, RTG -IEU serijoms ir daugeliui kitų. Dizainas Beveik visi RTG naudoja termoelektrinius keitiklius, todėl turi tą pačią konstrukciją: Perspektyvos Visi skraidantys RTG išsiskiria labai mažu efektyvumu - paprastai elektros galia yra mažesnė nei 10% šiluminės galios. Todėl XXI amžiaus pradžioje NASA pradėjo ASRG projektą - RTG su Stirlingo varikliu. Tikimasi, kad efektyvumas padidės iki 30% ir 140 W elektros energijos, esant 500 W šiluminei galiai. Deja, 2013 m. Projektas buvo sustabdytas dėl per didelio biudžeto. Tačiau teoriškai efektyvesnių šilumos ir elektros keitiklių naudojimas gali rimtai padidinti RTG efektyvumą. Privalumai ir trūkumai Privalumai: Labai paprastas dizainas. Jis gali veikti metus ir dešimtmečius, palaipsniui blogėti. Jis gali būti naudojamas vienu metu šildymui ir elektros tiekimui. Nereikalauja valdymo ir priežiūros. Trūkumai: Kurui reikalingi reti ir brangūs izotopai. Kuro gamyba yra sudėtinga, brangi ir lėta. Mažas efektyvumas. Galia yra ribota iki šimtų vatų. RTG, turintis kilovatų elektros galią, jau yra prastai pagrįstas, megavatas praktiškai neturi prasmės: jis bus per brangus ir sunkus. Tokių privalumų ir trūkumų derinys reiškia, kad RTG ir šildymo įrenginiai užima savo nišą kosmoso energetikos srityje ir ją išsaugos ateityje. Jie leidžia paprastai ir efektyviai šildyti ir tiekti elektros energiją tarpplanetinėms transporto priemonėms, tačiau nereikėtų iš jų tikėtis jokio energetinio proveržio. Šaltiniai Be Vikipedijos, buvo naudojami šie dalykai: Branduolinė kosmoso erdvė: paskutinio horizonto atidarymas. Tema „Vidaus RTG“ „Kosmonautikos naujienos“.

Radioizotopų energijos šaltiniai yra prietaisai, kurie naudoja radioaktyvaus skilimo metu išsiskiriančią energiją aušinimo skysčiui šildyti arba paversti jį elektra.

Radioizotopiniai termoelektriniai generatoriai
(radioizotopinis termoelektrinis generatorius (RTG, RITEG)

Radioizotopinis termoelektrinis generatorius (RTG) šiluminę energiją, išsiskiriančią natūralaus radioaktyviųjų izotopų skilimo metu, paverčia elektra.
RTG susideda iš dviejų pagrindinių elementų: šilumos šaltinio, kuriame yra radioaktyvusis izotopas, ir kietojo kūno termoporų, kurios šiluminę energiją iš plutonio skilimo paverčia elektra. RTG esančios termoporos naudoja radioaktyvaus izotopo skilimo šilumą, kad kaitintų karštąją termoporos pusę ir atvėsintų erdvę arba planetinę atmosferą, kad šaltos pusės temperatūra būtų žema.
Palyginti su branduoliniais reaktoriais, RTG yra daug kompaktiškesni ir struktūriškai paprastesni. RTG išėjimo galia yra labai maža (iki kelių šimtų vatų) ir mažas efektyvumas. Kita vertus, jie neturi judančių dalių ir nereikalauja priežiūros visą savo tarnavimo laiką, kuris gali trukti dešimtmečius.
Patobulinto tipo RTG - daugiafunkcinis radioizotopinis termoelektrinis generatorius (MMRTG), kuris buvo pradėtas naudoti neseniai, termoporos sudėtis buvo pakeista. Vietoj SiGe, MMRTG naudoja termoboras PbTe / TAGS (Te, Ag, Ge, Sb).
MMRTG yra skirtas 125 vatų elektros energijos gamybai pradedant misiją, o po 14 metų ji sumažėja iki 100 vatų. MMRTG, kurio masė yra 45 kg, gyvenimo pradžioje suteikia apie 2,8 W / kg elektros energijos. MMRTG konstrukcija gali veikti tiek kosmoso vakuume, tiek planetinėje atmosferoje, pavyzdžiui, Marso paviršiuje. MMRTG užtikrina aukštą saugumo lygį, sumažina svorį ir optimizuoja galios lygį mažiausiai 14 metų.
NASA taip pat kuria naują RTG technologiją, pavadintą „Advanced Stirling Radioisotope Generator ASRG“. ASRG, kaip ir MMRTG, plutonio-238 skilimo šilumą paverčia elektra, tačiau nenaudoja termoporų. Vietoj to, dėl skilimo šilumos dujos išsiplečia ir svyruoja stūmoklis, kaip automobilio variklis. Tai perkelia magnetą pirmyn ir atgal per ritę daugiau nei 100 kartų per sekundę, sukurdamas erdvėlaiviui elektros energiją. Elektros energijos kiekis yra didesnis nei MMRTG, apie 130 vatų, o plutonio-238 yra daug mažiau (apie 3,6 kg mažiau). Tai yra efektyvesnio Stirlingo ciklo konversijos rezultatas. Jei misijai reikia daugiau energijos, norint gauti daugiau energijos, gali būti naudojami keli ASRG. Iki šiol nėra numatytų misijų, kurioms bus naudojamas ASRG, tačiau jos rengiamos 14 metų misijai.
Yra subkritinių RTG koncepcija. Subkritinis generatorius susideda iš neutronų šaltinio ir skiliųjų medžiagų, turinčių kuo didesnę kritinę masę. Šaltinio neutronai yra sugauti skiliosios medžiagos atomų ir sukelia jų skilimą. Labai svarbią vietą pasirenkant darbinį izotopą užima dukterinio izotopo, galinčio reikšmingai išleisti šilumą, susidarymas, nes irimo metu branduolio transformacijos grandinė pailgėja ir atitinkamai padidėja visa naudojama energija. Geriausias izotopo, turinčio ilgą skilimo grandinę, pavyzdys, kurio energijos išsiskyrimas yra daug didesnis nei daugumos kitų izotopų, yra uranas-232. Pagrindinis tokio generatoriaus privalumas yra tas, kad reakcijos skilimo energija su neutronų gaudymu gali būti daug didesnė nei savaiminio skilimo energija. Atitinkamai reikiamas medžiagos kiekis yra daug mažesnis. Šilumos išsiskyrimo požiūriu irimo ir radiacijos aktyvumo skaičius taip pat yra mažesnis. Tai sumažina generatoriaus svorį ir matmenis.

Deja, RTG naudojamų radioizotopų charakteristikų reikalavimai dažnai yra prieštaringi. Norint išlaikyti galią pakankamai ilgai, kad būtų galima atlikti užduotį, radioizotopo pusinės eliminacijos laikas turi būti pakankamai ilgas. Kita vertus, jis turi turėti pakankamai didelį tūrinį aktyvumą, kad gautų reikšmingą energijos išsiskyrimą ribotame įrenginio tūryje. Tai reiškia, kad jo pusinės eliminacijos laikas neturėtų būti per trumpas, nes specifinė veikla yra atvirkščiai proporcinga skilimo laikotarpiui.
Radioizotopas turi turėti tinkamą jonizuojančiosios spinduliuotės tipą. Gama spinduliuotė ir neutronai gana lengvai palieka struktūrą, pašalindami pastebimą skilimo energijos dalį. Nors didelės energijos β skilimo elektronai yra gerokai uždelsti, šiuo atveju susidaro trumpalaikė rentgeno spinduliuotė, kuri nuneša dalį energijos. Be to, gama, rentgeno spinduliams ir neutronų spinduliuotei dažnai reikalingos specialios projektavimo priemonės, skirtos apsaugoti personalą (jei yra) ir netoliese esančią įrangą.
Radioizotopų energijai gaminti pageidautina naudoti alfa spinduliuotę.
Svarbus vaidmuo renkantis radioizotopą yra santykinis jo pigumas ir gamybos paprastumas.
Įprastas RTG naudojamų radioizotopų pusinės eliminacijos laikas yra keli dešimtmečiai, nors izotopai, kurių pusinės eliminacijos laikas yra trumpesnis, gali būti naudojami specializuotoms reikmėms.

Mažos galios ir mažo dydžio radioizotopų maitinimo šaltiniai

Beta-volta maitinimo šaltiniai
(Betavoltiniai energijos šaltiniai)

Taip pat yra ir ne šiluminių generatorių, iš esmės panašių į saulės kolektorius. Tai yra beta galvaniniai ir optoelektriniai šaltiniai. Jie yra mažo dydžio ir skirti įrenginiams, kuriems nereikia didelės galios, maitinti.
Beta-voltaic maitinimo šaltinyje izotopo šaltinis skleidžia beta daleles, kurios kaupiasi ant puslaidininkio. Dėl to susidaro pastovi srovė. Energijos konversijos procesas, panašus į fotoelektros (saulės) elementą, vyksta efektyviai net esant ekstremalioms aplinkos sąlygoms. Pasirinkę izotopo kiekį ir tipą, galite sukurti konfigūruojamą maitinimo šaltinį su tam tikra išvestimi ir tarnavimo laiku. Šios baterijos praktiškai nesuteikia gama spindulių, o minkštą beta spinduliuotę sulaiko baterijos dėklas ir fosforo sluoksnis. Beta-voltainiai šaltiniai turi didelį energijos tankį ir ypač mažą galią. Tai leidžia beta voltaic įrenginiui veikti ilgiau nei mažos galios įrenginių kondensatoriams ar baterijoms. Darbo trukmė, pavyzdžiui, beta-voltainis šaltinis su prometžio oksidu yra apie dvejus su puse metų, o 5 mg prometžio oksido suteikia 8 W. beta voltainių šaltinių tarnavimo laikas gali viršyti 25 metus.

Beta-voltainis efektas. Beta-voltainio keitiklio veikimas grindžiamas tuo, kad skilimo metu išsiskiriantys elektronai ar didelės energijos pozitronai patenka į regioną p-n puslaidininkinės plokštelės perėjimo metu ten sukuriama elektronų skylių pora, kuri po to erdviškai atskiriama erdvės įkrovimo srities (SCR). Dėl to toliau n ir p- puslaidininkinių plokštelių paviršių, atsiranda elektros potencialų skirtumas. Iš esmės konversijos mechanizmas yra panašus į tą, kuris yra įdiegtas puslaidininkiniuose saulės elementuose, tačiau pakeičiant fotonų apšvitinimą švitinimu radionuklidų beta skilimo elektronais ar pozitronais.

Pjezoelektrinis radioizotopo mikroelektrinis generatorius
(Plonojo radioizotopo plėvelės „Mkropower Generator“)

Šios baterijos širdis yra konsolė, plona pjezokristalinė plokštė. Kolektorius, esantis konsolės gale, fiksuoja įkrautas daleles, skleidžiamas iš plonos plėvelės radioaktyvaus šaltinio. Dėl įkrovimo išsaugojimo radioizotopo plėvelė išlieka vienoda ir priešinga. Tai sukelia elektrostatines jėgas tarp konsolės ir radioaktyvaus šaltinio, konsolės lenkimą ir šaltinio skleidžiamos energijos pavertimą saugoma mechanine energija. Konsolė vis labiau lenkiasi ir galiausiai konsolės galas liečiasi su radioaktyvia plona plėvele, o susikaupę krūviai neutralizuojami perkeliant krūvį. Tai atsitinka periodiškai. Slopinant elektrostatinę jėgą, konsolė atleidžiama. Staigus išleidimas sužadina vibracijas, dėl kurių atsiranda krūviai, kuriuos sukelia pjezoelektrinis elementas konsolės pagrinde. Kintamosios srovės signalas iš pjezoelektrinio maitinimo šaltinio gali būti naudojamas tiesiogiai per apkrovos varžą arba ištaisytas diodais ir filtruojamas per išorinį kondensatorių. Tokiu būdu pakelta įtampa naudojama mažos galios jutikliams ir elektronikai valdyti.

Pagrindinė izotopų šaltinių taikymo sritis yra kosmoso tyrimai. „Giliosios erdvės“ tyrimas be radioizotopų generatorių yra neįmanomas, nes dideliu atstumu nuo Saulės saulės energijos lygis, kuris galėtų būti naudojamas elektros energijai, reikalingai įrangai eksploatuoti ir radijo signalams perduoti, gaminti yra labai mažas . Chemijos šaltiniai taip pat pritrūko.
Žemėje radijo izotopų šaltiniai buvo naudojami navigacijos švyturiuose, radijo švyturiuose, orų stotyse ir panašioje įrangoje, įrengtoje tose vietose, kur dėl techninių ar ekonominių priežasčių nebuvo galima naudoti kitų energijos šaltinių. Visų pirma SSRS buvo gaminami kelių tipų termoelektriniai generatoriai. Jie naudojo 90 Sr ir 238 Pu kaip radioaktyviuosius izotopus. Tačiau jie turi labai ilgą laikotarpį saugiai veiklai pasiekti. Jų tarnavimo laikas yra 10 metų ir dabar turi būti pašalintas. Šiuo metu dėl spinduliuotės ir radioaktyviųjų medžiagų nutekėjimo rizikos neprižiūrimų radioizotopų šaltinių įrengimo nepasiekiamose vietose praktika nutraukta.
Radioizotopų energijos šaltiniai naudojami ten, kur būtina užtikrinti įrangos veikimo savarankiškumą, kompaktiškumą ir patikimumą.

Radioizotopai ir jų panaudojimas

Vystantis ir augant branduolinei energijai, sparčiausiai krenta svarbiausių generatorių izotopų kainos, sparčiai didėja izotopų gamyba. Tuo pačiu metu izotopų, gautų švitinant, kaina (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242 ir kt.) Šiek tiek sumažėja. Šiuo atžvilgiu ieškoma metodų racionalesnėms tikslinio apšvitinimo schemoms ir nuodugnesniam apšvitinto kuro perdirbimui. Didelės viltys plėsti sintetinių izotopų gamybą yra susijusios su sparčiai augančių reaktorių sektoriaus augimu. Visų pirma, būtent greiti neutronų reaktoriai, kuriuose naudojamas didelis torio kiekis, leidžia tikėtis gauti didelius komercinius urano-232 kiekius.
Naudojant izotopus, iš esmės išsprendžiama panaudoto branduolinio kuro šalinimo problema, o radioaktyviosios atliekos iš pavojingų atliekų virsta ne tik papildomu energijos šaltiniu, bet ir didelių pajamų šaltiniu. Beveik visiškai perdirbus apšvitintą kurą, galima gauti pinigų, panašių į energijos, susidariusios skiliant uranui, plutoniui ir kitiems elementams, sąnaudas.

Plutonis-238, kuris-244 ir stroncis-90 yra dažniausiai naudojami izotopai. Be jų, technologijoje ir medicinoje naudojama dar apie 30 radioaktyviųjų izotopų.

Kai kurie praktiniai radioizotopų šilumos šaltiniai

Izotopas	Gaunama (šaltinis)	Specifinė galia grynam izotopui. W / g	T 1/2
60 Bend	Švitinimas reaktoriuje	2.9	5,271 metai
238 Pu	branduolinis reaktorius	0.568	87,7 metų
90 m	skilimo fragmentai	~2.3	28,8 metų
144 Ce	skilimo fragmentai	2.6	285 dienos
242 cm	branduolinis reaktorius	121	162 dienos
147 p	skilimo fragmentai	0.37	2,64 metų
137 Cs	skilimo fragmentai	0.27	33 metai
210 Po	bismuto apšvitinimas	142	138 dienos
244 cm	branduolinis reaktorius	2.8	18,1 metų
232 U	torio apšvitinimas	8.097	68,9 metų
106 Ru	skilimo fragmentai	29.8	~ 371,63 dienos

238 Pu 238 Pu pusinės eliminacijos laikas yra 87,7 metų (galios nuostoliai-0,78% per metus), savita grynojo izotopo galia-0,568 W / g, o gama ir neutronų spinduliuotė yra ypač žemos. 238 Pu turi mažiausius ekranavimo reikalavimus. Norint blokuoti 238 Pu spinduliuotę, reikia mažiau nei 25 mm švino ekranavimo. 238 Pu tapo plačiausiai naudojamu RTG kuro plutonio oksido (PuO 2) pavidalu.
Praėjusio amžiaus viduryje 236 Pu ir 238 Pu buvo naudojami radioaktyviųjų izotopų baterijoms, skirtoms širdies stimuliatoriams, kurių tarnavimo laikas siekė 5 ar daugiau metų, maitinti. Tačiau netrukus jie pradėjo naudoti neradioaktyvias ličio baterijas, kurių tarnavimo laikas buvo iki 17 metų.
238 Pu turi būti specialiai sintezuojamas; jo yra nedaug (~ 1% - 2%) branduolinėse atliekose, jo izotopinis atskyrimas yra sunkus. Grynas 238 Pu gali būti gaunamas, pavyzdžiui, švitinant 237 Np neutronais.
Kuris. Du izotopai 242 Cm ir 244 Cm yra alfa spinduoliai (energija 6 MeV); Jų pusinės eliminacijos laikas yra palyginti trumpas-162,8 dienos ir 18,1 metų, o jų galia-iki 120 W / g ir
Atitinkamai 2,83 W / g šiluminės energijos. Kuris-242 oksido pavidalu naudojamas kompaktiškiems ir itin galingiems radioizotopų energijos šaltiniams gaminti. Tačiau 242 Cm yra labai brangus (apie 2000 JAV dolerių už gramą). Pastaraisiais metais vis populiaresnis tampa sunkesnis 244 cm kurio izotopas. Kadangi abu šie izotopai yra praktiškai gryni alfa spinduoliai, apsaugos nuo radiacijos problema nėra opi.
90 vyresnysis 90 Sr β-emiterio su nereikšminga γ emisija. Jo pusinės eliminacijos laikas 28,8 metų yra daug trumpesnis nei 238 Pu. Dviejų β skilimų grandinė (90 Sr → 90 Y → 90 Zr) suteikia bendrą 2,8 MeV energiją (vienas gramas suteikia ~ 0,46 W). Kadangi energijos išeiga yra mažesnė, ji pasiekia žemesnę temperatūrą nei 238 Pu, todėl sumažėja termoelektrinės konversijos efektyvumas. 90 Sr yra branduolio skilimo produktas ir jį galima įsigyti dideliais kiekiais už mažą kainą. Stroncis yra labai pralaidžios jonizuojančiosios spinduliuotės šaltinis, todėl biologinei apsaugai keliami gana dideli reikalavimai.
210 Po. 210 Po pusinės eliminacijos laikas yra tik 138 dienos, o pradinis milžiniškas šilumos išsiskyrimas yra 142 W / g. Tai praktiškas grynas alfa spinduolis. Dėl trumpo pusinės eliminacijos laiko „210 Po“ blogai tinka RTG, tačiau naudojamas galingiems ir kompaktiškiems šilumos šaltiniams sukurti (Pusė gramo polonio gali įkaisti iki 500 ° C). Standartiniai šaltiniai, kurių šiluminė galia yra 10 W, buvo sumontuoti erdvėlaiviuose, tokiuose kaip „Kosmos“ ir „Lunokhod“, kaip šilumos šaltinis, siekiant išlaikyti normalų prietaisų skyriaus įrangos veikimą.
210 Po taip pat plačiai naudojamas ten, kur reikia aktyvių antistatinių medžiagų. Dėl trumpo pusinės eliminacijos periodo, panaudotų 210 Po prietaisų šalinimas nereikalauja jokių specialių priemonių. Jungtinėse Valstijose leidžiama jas išmesti į bendrą šiukšlių krūvą.
Naudojant alfa-aktyvius izotopus, pasižyminčius dideliu specifinės energijos išsiskyrimu, dažnai reikia atskiesti darbinį izotopą, kad sumažėtų šilumos išsiskyrimas. Be to, polonis yra labai nepastovus ir jam reikia sukurti tvirtą cheminį ryšį su bet kokiu elementu. Švinas, itris, auksas yra pirmenybė tokiems elementams, nes jie sudaro ugniai atsparius ir patvarius polonidus.
241 am. Dėl 238 Pu deficito 241 Am gali tapti jo alternatyva kaip RTG kuras. 241 Am pusinės eliminacijos laikas yra 432 metai. Tai praktiškai grynas alfa spinduolis. 241 am yra branduolinėse atliekose ir yra beveik izotopiškai švarus. Tačiau 241 Am specifinė galia yra tik 1/4 specifinės 238 Pu galios. Be to, iš 241 Am skilimo produktų skleidžiama daugiau skvarbiosios spinduliuotės ir reikalingas geresnis ekranavimas. Tačiau 241 Am apsaugos nuo radiacijos reikalavimai nėra daug griežtesni nei 238 Pu atveju.
241 Am yra plačiai naudojamas dūmų detektoriuose. Jonizacijos dūmų detektorius naudoja mažą gabalėlį americium-241. Oro užpildyta erdvė tarp dviejų elektrodų sukuria kamerą, leidžiančią tarp elektrodų tekėti maža nuolatinės srovės srove. Jei dūmai ar karštis patenka į kamerą, elektros srovė tarp elektrodų nutrūksta ir suveikia aliarmas. Šis dūmų signalas yra pigesnis nei kiti prietaisai.
63 Ni. 63 Ni grynas β - spinduolis. Didžiausia elektronų energija yra 67 keV, pusinės eliminacijos laikas yra 100,1 l. 2000 -ųjų pradžioje JAV ir Rusijoje buvo sukurtos baterijos, kurių pagrindą sudaro 63 Ni. Prietaisų tarnavimo laikas yra daugiau nei 50 metų, o jų matmenys yra mažesni nei vienas kubinis milimetras. Beta-voltainis efektas naudojamas elektros energijai gaminti. Taip pat vyksta darbas kuriant pjezoelektrinį radioizotopų generatorių. Tokias baterijas galima naudoti neuro- ir širdies stimuliatoriuose.
144 Ce.Šilumos šaltinis - 144 Ce. 144 Ce grynas β - skleidėjas. Pusinės eliminacijos laikas 144 Ce yra 285 dienos, specifinė gryno izotopo galia yra 2,6 W / g. RTG skirtas maitinti radijo siųstuvus ir automatines oro stotis. Standartinė galia yra 200 vatų.
Radioizotopai yra plačiai naudojami mišinyje su fosforu, kad būtų užtikrintas nuolatinis švytėjimas transporto priemonėse esančiuose valdymo įtaisuose, laikrodžiuose, žibintuose poliariniuose aerodromuose ir navigacijos ženkluose bei net Kalėdų eglutės puošmenose. Anksčiau dažniausiai tam buvo naudojamas 226 Ra, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 1620 metų. Tačiau dėl radiacinės saugos priežasčių radis šiam tikslui nebuvo naudojamas nuo 1970 m. Šiuo metu dažniausiai šiems tikslams naudojami minkšti beta spinduoliai: prometis (147 Pm T 1/2 = 2,64 metai), kriptonas (85 Kr T 1/2 = 10,8 metai) ir tričio (3 H T 1/2 = 12,3 metai) . Žinoma, jų pusinės eliminacijos laikas yra mažas, tačiau jų jonizuojančioji spinduliuotė neprasiskverbia į prietaisų korpusus.