Het gebeurt zo dat we in de serie van het fantastische naar de mainstream gaan. De vorige keer dat we het hadden over kernreactoren, is de voor de hand liggende volgende stap om te praten over thermo-elektrische radio-isotopengeneratoren. Onlangs was er op Habré een uitstekende post over de RTG van de Cassini-sonde, en we zullen dit onderwerp vanuit een breder oogpunt bekijken.

Procesfysica

Warmte productie

In tegenstelling tot een kernreactor, die het fenomeen van een nucleaire kettingreactie gebruikt, radio-isotopengeneratoren gebruik maken van het natuurlijke verval van radioactieve isotopen. Onthoud dat atomen zijn opgebouwd uit protonen, elektronen en neutronen. Afhankelijk van het aantal neutronen in de kern van een bepaald atoom, kan het stabiel zijn of een neiging tot spontaan verval vertonen. Zo is het kobalt 59 Co-atoom met 27 protonen en 32 neutronen in de kern stabiel. Dergelijk kobalt wordt sinds die tijd door de mensheid gebruikt Het oude Egypte... Maar als we één neutron toevoegen aan 59 Co (bijvoorbeeld door 'normaal' kobalt in een kernreactor te plaatsen), krijgen we 60 Co, een radioactieve isotoop met een halfwaardetijd van 5,2 jaar. De term "halfwaardetijd" betekent dat na 5,2 jaar één atoom zal vervallen met een waarschijnlijkheid van 50%, en ongeveer de helft van honderd atomen zal overblijven. Alle "gewone" elementen hebben hun eigen isotopen met verschillende periodes halveringstijd:

3D isotopenkaart, bedankt korstgroep voor de foto.

Door een geschikte isotoop te kiezen, is het mogelijk om een ​​RTG te verkrijgen met de vereiste levensduur en andere parameters:

Isotoop	Wijze van verkrijgen	Specifiek vermogen, W / g	Volumetrisch vermogen, W / cm³	Halveringstijd	Geïntegreerde energie van isotopenverval, kWh / g	De werkvorm van de isotoop
60 Co (kobalt-60)	Bestraling in de reactor	2,9	~26	5.271 jaar	193,2	Metaal, legering
238 Pu (plutonium-238)	kernreactor	0,568	6,9	86 jaar	608,7	Plutoniumcarbide
90 Sr (strontium-90)	splijtingsfragmenten	0,93	0,7	28 jaar	162,721	SrO, SrTiO 3
144 Ce (cerium-144)	splijtingsfragmenten	2,6	12,5	285 dagen	57,439	CeO 2
242 cm (curium-242)	kernreactor	121	1169	162 dagen	677,8	Cm 2 O 3
147 uur (promethium-147)	splijtingsfragmenten	0,37	1,1	2,64 jaar	12,34	Pm 2 O 3
137 Cs (cesium-137)	splijtingsfragmenten	0,27	1,27	33 jaar	230,24	CsCl
210 Po (polonium-210)	bestraling van bismut	142	1320	138 dagen	677,59	legeringen met lood, yttrium, goud
244 cm (curium-244)	kernreactor	2,8	33,25	18,1 jaar	640,6	Cm 2 O 3
232 U (uranium-232)	thoriumbestraling	8,097	~88,67	68,9 jaar	4887,103	dioxide, carbide, uraniumnitride
106 Ru (ruthenium-106)	splijtingsfragmenten	29,8	369,818	~ 371,63 dagen	9,854	metaal, legering

Het feit dat het verval van isotopen onafhankelijk plaatsvindt, betekent dat de RTG niet kan worden gecontroleerd. Na het laden van brandstof, zal het jarenlang opwarmen en elektriciteit produceren, geleidelijk verslechterend. Het verminderen van de hoeveelheid splijtbare isotoop betekent dat er minder nucleair verval zal zijn, minder warmte en elektriciteit. Bovendien zal de daling van het elektrisch vermogen de degradatie van de elektrische generator verergeren.
Er is een vereenvoudigde versie van de RTG, waarin het verval van de isotoop alleen wordt gebruikt voor verwarming, zonder elektriciteit op te wekken. Zo'n module wordt een verwarmingseenheid of RHG (Radioisotope Heat Generator) genoemd.

Warmte omzetten in elektriciteit

Net als bij een kernreactor is de output warmte, die op de een of andere manier moet worden omgezet in elektriciteit. Om dit te doen, kunt u gebruik maken van:

• Thermo-elektrische omvormer. Door twee geleiders van . aan te sluiten verschillende materialen(bijvoorbeeld chromel en alumel) en als je er een van verwarmt, kun je een bron van elektriciteit krijgen.


• Thermionische omvormer. In dit geval wordt een elektronische lamp gebruikt. De kathode wordt warm en de elektronen krijgen genoeg energie om naar de anode te "springen", waardoor een elektrische stroom ontstaat.


• Thermische foto-elektrische omzetter. In dit geval is een fotocel aangesloten op de warmtebron, die in infrarood... De warmtebron zendt fotonen uit, die worden opgevangen door een fotocel en omgezet in elektriciteit.


• Thermo-elektrische omzetter die alkalimetalen gebruikt. Hier wordt een elektrolyt gemaakt van gesmolten natrium en zwavelzouten gebruikt om warmte om te zetten in elektriciteit.


• Stirlings motor - warmte motor om het temperatuurverschil om te zetten in mechanisch werk. Elektriciteit wordt verkregen uit: mechanisch werk met behulp van een soort generator.

Geschiedenis

De eerste experimentele energiebron voor radio-isotopen werd in 1913 geïntroduceerd. Maar pas vanaf de tweede helft van de 20e eeuw, met de proliferatie van kernreactoren, waarop het mogelijk was om isotopen te verkrijgen in industriële schaal, werden RTG's actief gebruikt.

VS

In de VS was de organisatie SNAP, die je al kende van de vorige post, bezig met RTG's.
SNAP-1.
Het was een experimentele 144 Ce RTG met een Rankine cycle generator (stoommachine) met kwik als koelvloeistof. De generator werkte met succes 2500 uur op aarde, maar vloog niet de ruimte in.

SNAP-3.
De eerste RTG die de ruimte in vloog op de navigatiesatellieten Transit 4A en 4B. Uitgangsvermogen 2 W, gewicht 2 kg, gebruikt plutonium-238.

Schildwacht
RTG voor een meteorologische satelliet. Energievermogen 4,5 W, isotoop - strontium-90.

SNAP-7.
Een familie van grondgebonden RTG's voor vuurtorens, lichtboeien, weerstations, akoestische boeien en dergelijke. Zeer grote modellen, gewicht van 850 tot 2720 kg. Energievermogen - tientallen watt. Bijvoorbeeld SNAP-7D - 30 W met een massa van 2 ton.

SNAP-9
Seriële RTG voor transit-navigatiesatellieten. Gewicht 12 kg, elektrisch vermogen 25 W.

SNAP-11
Experimentele RTG voor landmeters voor maanlandingsstations. Er werd voorgesteld om de isotoop curium-242 te gebruiken. Elektrische energie- 25 Watt. Niet gebruikt.

SNAP-19
Seriële RTG, gebruikt in verschillende missies - Nimbus meteorologische satellieten, sondes "Pioneer" -10 en -11, Marslandingsstations "Viking". Isotoop - plutonium-238, uitgangsvermogen ~ 40 W.

SNAP-21 en -23
RTG's voor gebruik onder water op strontium-90.

SNAP-27
RTG's voor het aandrijven van de wetenschappelijke apparatuur van het Apollo-programma. 3,8 kg. plutonium-238 gaf een energievermogen van 70 watt. De wetenschappelijke apparatuur van de maan werd in 1977 uitgeschakeld (mensen en apparatuur op aarde eisten geld, maar dat was niet genoeg). RTG's voor 1977 produceerden 36 tot 60 watt elektrisch vermogen.

MHW-RTG
De naam staat voor "multisotwatt RTG". 4,5 kilo. plutonium-238 leverde 2400 watt thermisch vermogen en 160 watt elektrisch vermogen. Deze RTG's bevonden zich op de Lincoln Experimental Satellites (LES-8,9) en leveren al 37 jaar warmte en elektriciteit aan Voyagers. Voor 2014 leveren RTG's ongeveer 53% van hun initiële capaciteit.

GPHS-RTG
De krachtigste van de ruimte-RTG's. 7,8 kg plutonium-238 leverde 4400 watt thermisch vermogen en 300 watt elektrisch vermogen. Het werd gebruikt op de zonnesonde Ulysses, de sondes Galileo en Cassini-Huygens en vliegt naar Pluto op de New Horizons.

MMRTG
RTG voor nieuwsgierigheid. 4 kg plutonium-238, 2000 W thermisch vermogen, 100 W elektrisch vermogen.


Warme plutonium lamp kubus.

RTG's van de VS met referentie in de tijd.

Samenvattingstabel:

Naam	Media (nummer op het apparaat)	Maximale kracht		Isotoop	Brandstofgewicht, kg	Vol gewicht, kg
		Elektrisch, W	Thermisch, 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	Doorgang-4A (1)	2.7	52.5	238 Pu	?	2.1
SNAP-9A	Doorvoer 5BN1 / 2 (1)	25	525	238 Pu	~1	12.3
SNAP-19	Tegelijkertijd werden RTG's zeer actief gebruikt in bakens, navigatieboeien en andere grondapparatuur - de BETA-, RTG-IEU-serie en vele andere. Ontwerp Bijna alle RTG's gebruiken thermo-elektrische omvormers en hebben daarom hetzelfde ontwerp: perspectieven Alle vliegende RTG's onderscheiden zich door een zeer laag rendement - in de regel is het elektrisch vermogen minder dan 10% van het thermisch vermogen. Daarom lanceerde NASA aan het begin van de 21e eeuw het ASRG-project - een RTG met een Stirling-motor. Een verhoging van de efficiëntie werd verwacht tot 30% en 140 W elektrisch vermogen bij 500 W thermisch vermogen. Helaas werd het project in 2013 stopgezet wegens overschrijding van het budget. Maar theoretisch kan het gebruik van efficiëntere warmte-naar-elektriciteitsomzetters de efficiëntie van RTG's aanzienlijk verhogen. Voor-en nadelen Voordelen: Een heel eenvoudig ontwerp. Het kan jaren en decennia werken en geleidelijk verslechteren. Het kan gelijktijdig worden gebruikt voor verwarming en voeding. Vereist geen beheer en toezicht. nadelen: Voor brandstof zijn zeldzame en dure isotopen nodig. De productie van brandstof is complex, duur en traag. Lage efficiëntie. Het vermogen is beperkt tot honderden watts. Een RTG met een kilowatt elektrisch vermogen is al slecht verantwoord, een megawatt heeft praktisch geen zin: het wordt te duur en te zwaar. De combinatie van dergelijke voor- en nadelen betekent dat RTG's en verwarmingseenheden hun niche in de energietechniek in de ruimte innemen en in de toekomst zullen behouden. Ze maken het mogelijk om interplanetaire voertuigen eenvoudig en efficiënt te verwarmen en van elektriciteit te voorzien, maar een energiedoorbraak moet je er niet van verwachten. Bronnen van Naast Wikipedia is er gebruik gemaakt van: Space Nuclear Power: het openen van de laatste horizon. Onderwerp "Binnenlandse RTG's" op "News of Cosmonautics".

RTG(radio-isotoop thermo-elektrische generator) - een radio-isotoopbron van elektriciteit die thermische energie gebruikt die vrijkomt tijdens het natuurlijke verval van radioactieve isotopen en deze omzet in elektriciteit met behulp van een thermo-elektrische generator.

Vergeleken met kernreactoren die een kettingreactie gebruiken, zijn RTG's veel compacter en structureel eenvoudiger. Het uitgangsvermogen van de RTG is zeer laag (tot enkele honderden watts) met een laag rendement. Aan de andere kant hebben ze geen bewegende delen en zijn ze gedurende hun hele levensduur, die tientallen jaren kan duren, onderhoudsvrij.

Sollicitatie

RTG van het ruimtevaartuig "New Horizons"

RTG's zijn in de regel de meest acceptabele energiebron voor autonome systemen die enkele tientallen tot honderden watt nodig hebben met een zeer lange bedrijfstijd, te lang voor brandstofcellen of accu's.

In de ruimte

Diagram van de RTG gebruikt op het Cassini-Huygens-ruimtevaartuig

RTG's zijn de belangrijkste energiebron voor langdurige missies die ver weg zijn (bijvoorbeeld Voyager-2 of Cassini-Huygens), waar het gebruik van zonnepanelen ineffectief of onmogelijk is.

Plutonium-238 in 2006, bij de lancering van de New Horizons-sonde, vond zijn toepassing als krachtbron voor ruimtevaartuigapparatuur. De radio-isotoopgenerator bevatte 11 kg zeer zuivere 238 Pu-dioxide, die gedurende de hele reis gemiddeld 220 watt elektriciteit produceerde (240 watt aan het begin en, volgens berekeningen, 200 watt aan het einde).

Radio-isotoopenergiebronnen zijn apparaten die de energie die vrijkomt bij radioactief verval gebruiken om het koelmiddel te verwarmen of om te zetten in elektriciteit.

Radio-isotoop thermo-elektrische generatoren
(radio-isotoop thermo-elektrische generator (RTG, RITEG)

Een radio-isotoop thermo-elektrische generator (RTG) zet de thermische energie die vrijkomt tijdens het natuurlijke verval van radioactieve isotopen om in elektriciteit.
RTG's bestaan ​​uit twee hoofdelementen: een warmtebron, die een radioactieve isotoop bevat, en thermokoppels in vaste toestand, die de thermische energie van plutoniumverval omzetten in elektriciteit. Thermokoppels in een RTG gebruiken de warmte van het verval van een radioactieve isotoop om de hete kant van het thermokoppel te verwarmen en de ruimte of de planetaire atmosfeer af te koelen om een ​​lage temperatuur aan de koude kant te produceren.
In vergelijking met kernreactoren zijn RTG's veel compacter en structureel eenvoudiger. Het uitgangsvermogen van de RTG is zeer laag (tot enkele honderden watts) en een laag rendement. Anderzijds hebben ze geen bewegende delen en zijn ze gedurende hun hele levensduur, die kan oplopen tot tientallen jaren, onderhoudsvrij.
In een verbeterd type RTG - de Multi-Mission Radio-isotope Thermo-elektrische Generator (MMRTG), die onlangs in gebruik is genomen, is de samenstelling van het thermokoppel gewijzigd. In plaats van SiGe gebruikt MMRTG PbTe / TAGS (Te, Ag, Ge, Sb) voor thermokoppels.
De MMRTG is ontworpen om 125 watt elektriciteit te produceren aan het begin van een missie, en na 14 jaar is dit gedaald tot 100 watt. Met een massa van 45 kg levert MMRTG aan het begin van het leven ongeveer 2,8 W/kg elektriciteit. Het MMRTG-ontwerp kan zowel in het vacuüm van de ruimte als in planetaire atmosferen werken, bijvoorbeeld op het oppervlak van Mars. De MMRTG biedt een hoge mate van veiligheid, minimaliseert het gewicht en optimaliseert het vermogen voor een minimale levensduur van 14 jaar.
NASA werkt ook aan een nieuwe RTG-technologie, de Advanced Stirling Radioisotope Generator ASRG. De ASRG zet, net als de MMRTG, de vervalwarmte van plutonium-238 om in elektriciteit, maar maakt geen gebruik van thermokoppels. In plaats daarvan zorgt de hitte van verval ervoor dat het gas uitzet en een zuiger oscilleert zoals een automotor. Dit beweegt de magneet meer dan 100 keer per seconde heen en weer door de spoel, waardoor elektriciteit voor het ruimtevaartuig wordt opgewekt. De hoeveelheid opgewekte elektriciteit is meer dan de MMRTG, met ongeveer 130 watt, met veel minder plutonium-238 (ongeveer 3,6 kg minder). Dit is het resultaat van een efficiëntere omzetting van de Stirlingcyclus. Als een missie meer energie vereist, kunnen meerdere ASRG's worden gebruikt om meer energie op te wekken. Vanaf vandaag zijn er geen geplande missies die de ASRG zullen gebruiken, maar ze worden ontwikkeld voor een missie van 14 jaar.
Er is een concept van subkritische RTG's. Een subkritische generator bestaat uit een neutronenbron en splijtstof met een zo groot mogelijke kritische massa. De bronneutronen worden opgevangen door de atomen van het splijtbare materiaal en veroorzaken hun splijting. Een zeer belangrijke plaats bij de keuze van een werkende isotoop wordt gespeeld door de vorming van een dochterisotoop die in staat is tot aanzienlijke warmteafgifte, aangezien de nucleaire transformatieketen tijdens verval langer wordt en bijgevolg de totale energie die kan worden gebruikt toeneemt. Het beste voorbeeld van een isotoop met een lange vervalketen en met een orde van grootte grotere energieafgifte dan de meeste andere isotopen is uranium-232. Het belangrijkste voordeel van zo'n generator is dat de vervalenergie van de reactie met neutronenvangst veel hoger kan zijn dan de energie van spontane splijting. Dienovereenkomstig is de vereiste hoeveelheid van de stof veel lager. Ook het aantal vervalsingen en stralingsactiviteit in termen van warmteafgifte is lager. Dit vermindert het gewicht en de afmetingen van de generator.

Helaas zijn de vereisten voor de kenmerken van radio-isotopen die in RTG's worden gebruikt vaak tegenstrijdig. Om de kracht lang genoeg te behouden om de taak te voltooien, moet de halfwaardetijd van de radio-isotoop lang genoeg zijn. Anderzijds moet het een voldoende hoge volumetrische activiteit hebben om een ​​significante energieafgifte te verkrijgen in een beperkt volume van de installatie. Dit betekent dat de halfwaardetijd niet te kort mag zijn, omdat de specifieke activiteit omgekeerd evenredig is met de vervalperiode.
De radio-isotoop moet een geschikt type ioniserende straling hebben voor verwijdering. Gammastraling en neutronen verlaten de structuur vrij gemakkelijk en voeren een merkbaar deel van de vervalenergie mee. Hoewel hoogenergetische elektronen van β-verval goed worden vertraagd, wordt in dit geval remstraling gevormd door röntgenstraling, die een deel van de energie wegvoert. Daarnaast vereisen gamma-, röntgen- en neutronenstraling vaak speciale ontwerpmaatregelen om personeel (indien aanwezig) en nabijgelegen apparatuur te beschermen.
Alfastraling heeft de voorkeur voor de opwekking van radio-isotoopenergie.
Een belangrijke rol bij de keuze van een radio-isotoop is de relatieve goedkoopheid en het gemak van productie.
Typische halfwaardetijden voor radio-isotopen die worden gebruikt in RTG's zijn enkele decennia, hoewel isotopen met kortere halfwaardetijden kunnen worden gebruikt voor gespecialiseerde toepassingen.

Energiezuinige en kleine radio-isotopenvoedingen

Bèta-voltaïsche voedingen
(Betavoltaïsche stroombronnen)

Er zijn ook niet-thermische generatoren, in principe vergelijkbaar met zonnepanelen. Dit zijn bèta-galvanische en opto-elektrische bronnen. Ze zijn klein van formaat en zijn ontworpen om apparaten van stroom te voorzien die geen hoog vermogen nodig hebben.
In een bèta-voltaïsche voeding zendt de isotopenbron bètadeeltjes uit die zich op de halfgeleider verzamelen. Hierdoor wordt een constante stroom opgewekt. Het energieomzettingsproces, dat vergelijkbaar is met dat van een fotovoltaïsche (zonne)cel, verloopt efficiënt, zelfs onder extreme omgevingsomstandigheden. Door de hoeveelheid en het type isotoop te kiezen, creëer je een configureerbare voeding met een bepaalde output en levensduur. Deze batterijen geven vrijwel geen gammastraling en zachte bètastraling wordt opgevangen door de batterijbehuizing en de fosforlaag. Bèta-voltaïsche bronnen hebben een hoge energiedichtheid en een ultralaag vermogen. Hierdoor kan het bèta-voltaïsche apparaat langer functioneren dan condensatoren of batterijen voor apparaten met een laag vermogen. De duur van het werk, bijvoorbeeld een bèta-voltaïsche bron op promethiumoxide is ongeveer twee en een half jaar, en 5 mg promethiumoxide geeft een energie van 8 W. de levensduur van bèta-voltaïsche bronnen kan meer dan 25 jaar bedragen.

Bèta-voltaïsch effect. De werking van een bèta-voltaïsche omzetter is gebaseerd op het feit dat elektronen of hoogenergetische positronen die tijdens verval worden uitgezonden, in het gebied vallen p-n overgang van een halfgeleiderwafel, genereert daar een elektron-gatpaar, dat vervolgens ruimtelijk wordt gescheiden door een ruimteladingsgebied (SCR). Als gevolg hiervan is op N en P- de oppervlakken van de halfgeleiderwafel ontstaat er een elektrisch potentiaalverschil. In principe lijkt het conversiemechanisme op het mechanisme dat wordt geïmplementeerd in halfgeleiderzonnecellen, maar met de vervanging van fotonenbestraling door bestraling met elektronen of positronen van bètaverval van radionucliden.

Piëzo-elektrische radio-isotoop micro-elektrische generator
(De radio-isotoop dunne-film Mkropower-generator)

Het hart van deze batterij is een cantilever, een dunne piëzo-kristallijne plaat. Een collector aan het uiteinde van de cantilever vangt geladen deeltjes op die worden uitgezonden door een dunne-film radioactieve bron. Door het behoud van lading blijft de radio-isotoopfilm met gelijke en tegengestelde ladingen. Dit leidt tot elektrostatische krachten tussen de cantilever en de radioactieve bron, het buigen van de cantilever en de omzetting van de door de bron uitgezonden energie in opgeslagen mechanische energie. De cantilever buigt meer en meer en uiteindelijk komt de punt van de cantilever in contact met de radioactieve dunne film, en de opgehoopte ladingen worden geneutraliseerd door middel van ladingsoverdracht. Dit gebeurt periodiek. Door de elektrostatische kracht te onderdrukken komt de cantilever vrij. De plotselinge afgifte wekt trillingen op die resulteren in ladingen die worden geïnduceerd in het piëzo-elektrische element aan de basis van de cantilever. Het AC-signaal van de piëzo-elektrische voeding kan direct over de belastingsimpedantie worden gebruikt of met dioden worden gecorrigeerd en door een externe condensator worden gefilterd. De op deze manier opgewekte voorspanning wordt gebruikt om sensoren en elektronica met een laag vermogen aan te sturen.

Het belangrijkste toepassingsgebied van isotopenbronnen is ruimteonderzoek. De studie van "deep space" zonder het gebruik van radio-isotopengeneratoren is onmogelijk, omdat op een aanzienlijke afstand van de zon het niveau van zonne-energie dat zou kunnen worden gebruikt om elektriciteit op te wekken die nodig is voor de werking van apparatuur en transmissie van radiosignalen erg klein is . Ook chemische bronnen kwamen tekort.
Op aarde zijn bronnen van radio-isotopen toegepast in navigatiebakens, radiobakens, weerstations en soortgelijke apparatuur die is geïnstalleerd in gebieden waar het om technische of economische redenen niet mogelijk was om andere energiebronnen te gebruiken. In de USSR werden met name verschillende soorten thermo-elektrische generatoren geproduceerd. Ze gebruikten 90 Sr en 238 Pu als radioactieve isotopen. Ze hebben echter een zeer lange periode voor het bereiken van veilige activiteit. Ze hebben een levensduur van 10 jaar bereikt en moeten nu worden weggegooid. Vanwege het risico op lekkage van straling en radioactieve materialen is het installeren van onbeheerde radio-isotopenbronnen op ontoegankelijke plaatsen momenteel stopgezet.
Energiebronnen met radio-isotopen worden gebruikt waar dat nodig is om de autonomie van de werking, compactheid en betrouwbaarheid van de apparatuur te waarborgen.

Radio-isotopen en hun toepassingen

Met de ontwikkeling en groei van kernenergie dalen de prijzen van de belangrijkste generatorisotopen snel en neemt de productie van isotopen snel toe. Tegelijkertijd dalen de kosten van isotopen verkregen door bestraling (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242, enz.) enigszins. In dit verband wordt gezocht naar methoden voor meer rationele schema's voor doelbestraling, voor een grondigere opwerking van bestraalde splijtstof. Grote hoop op uitbreiding van de productie van synthetische isotopen gaat gepaard met de groei van de sector van snelle kweekreactoren. Vooral snelle neutronenreactoren die aanzienlijke hoeveelheden thorium gebruiken, maken het mogelijk om te hopen op het verkrijgen van grote commerciële hoeveelheden uranium-232.
Door isotopen te gebruiken, wordt het probleem van de verwijdering van verbruikte splijtstof grotendeels opgelost en wordt radioactief afval van gevaarlijk afval niet alleen een extra energiebron, maar ook een bron van aanzienlijke inkomsten. Door de bijna volledige opwerking van bestraalde splijtstof kan geld worden gegenereerd dat vergelijkbaar is met de kosten van energie die wordt gegenereerd door de splijting van uranium, plutonium en andere elementen.

Plutonium-238, curium-244 en strontium-90 zijn de meest gebruikte isotopen. Naast hen worden nog ongeveer 30 radioactieve isotopen gebruikt in technologie en geneeskunde.

Enkele praktische radio-isotoop warmtebronnen

Isotoop	Ontvangen (bron)	Specifiek vermogen voor een pure isotoop. W / g	T 1/2
60 Co	Bestraling in de reactor	2.9	5.271 jaar
238 Pu	kernreactor	0.568	87,7 jaar
90 Sr	splijtingsfragmenten	~2.3	28,8 jaar
144 Ce	splijtingsfragmenten	2.6	285 dagen
242 Cm	kernreactor	121	162 dagen
147 uur	splijtingsfragmenten	0.37	2,64 jaar
137 Cs	splijtingsfragmenten	0.27	33 jaar
210 Po	bestraling van bismut	142	138 dagen
244 Cm	kernreactor	2.8	18,1 jaar
232 U	thoriumbestraling	8.097	68,9 jaar
106 Ru	splijtingsfragmenten	29.8	~ 371,63 dagen

238 Pu 238 Pu heeft een halfwaardetijd van 87,7 jaar (een vermogensverlies van 0,78% per jaar), een specifiek vermogen voor een zuivere isotoop van 0,568 W/g en uitzonderlijk lage niveaus van gamma- en neutronenstraling. 238 Pu heeft de laagste afschermingsvereisten. Er is minder dan 25 mm loden afscherming nodig om 238 Pu-straling te blokkeren. 238 Pu is de meest gebruikte brandstof voor RTG's geworden, in de vorm van plutoniumoxide (PuO 2).
In het midden van de vorige eeuw werden 236 Pu en 238 Pu gebruikt voor de vervaardiging van elektrische radio-isotoopbatterijen voor het aandrijven van pacemakers met een levensduur van 5 jaar of meer. Ze begonnen echter al snel niet-radioactieve lithiumbatterijen te gebruiken, met een levensduur tot 17 jaar.
238 Pu moet speciaal worden gesynthetiseerd; het is klein (~ 1% - 2%) in nucleair afval, de isotopenscheiding is moeilijk. Zuivere 238 Pu kan bijvoorbeeld worden verkregen door bestraling met 237 Np-neutronen.
Curium. De twee isotopen 242 Cm en 244 Cm zijn alfa-stralers (energie 6 MeV); Ze hebben een relatief korte halfwaardetijd van 162,8 dagen en 18,1 jaar en produceren tot 120 W/g en
2,83 W / g thermische energie, respectievelijk. Curium-242 in de vorm van een oxide wordt gebruikt om compacte en extreem krachtige energiebronnen voor radio-isotopen te produceren. 242 Cm is echter erg duur (ongeveer US $ 2.000 per gram). De laatste jaren is de zwaardere isotoop van curium, 244 cm, steeds populairder geworden. Aangezien beide isotopen praktisch zuivere alfa-stralers zijn, is het probleem van stralingsbescherming niet acuut.
90 sr. 90 Sr -emitter met verwaarloosbare γ-emissie. De halfwaardetijd van 28,8 jaar is veel korter dan die van Pu 238. Een keten van twee β-verval (90 Sr → 90 Y → 90 Zr) geeft een totale energie van 2,8 MeV (één gram geeft ~ 0,46 W). Omdat de energieopbrengst lager is, bereikt deze lagere temperaturen dan 238 Pu, wat leidt tot een afname van de efficiëntie van thermo-elektrische conversie. 90 Sr is een kernsplijtingsproduct en is in grote hoeveelheden tegen lage kosten verkrijgbaar. Strontium is een bron van hoogdoorlatende ioniserende straling, die relatief hoge eisen stelt aan biologische bescherming.
210 Po. 210 Po heeft een halfwaardetijd van slechts 138 dagen met een enorme initiële warmteafgifte van 142 W/g. Dit is een praktische pure alfa-straler. Vanwege de korte halfwaardetijd is 210 Po slecht geschikt voor RTG's, maar wordt het gebruikt om krachtige en compacte warmtebronnen te creëren (een halve gram polonium kan opwarmen tot 500 ° C). Standaardbronnen met een thermisch vermogen van 10 W werden geïnstalleerd in ruimtevaartuigen zoals "Kosmos" en op "Lunokhod" als warmtebron om de normale werking van de apparatuur in het instrumentencompartiment te behouden.
210 Po wordt ook veel gebruikt waar actieve antistatische middelen nodig zijn. Vanwege de korte halfwaardetijd zijn er voor het verwijderen van gebruikte 210 Po-apparaten geen speciale maatregelen nodig. In de Verenigde Staten is het toegestaan ​​om ze in de algemene afvalberg te gooien.
Bij gebruik van alfa-actieve isotopen met een hoge specifieke energieafgifte, is het vaak nodig om de werkende isotoop te verdunnen om de warmteafgifte te verminderen. Bovendien is polonium zeer vluchtig en vereist het het creëren van een sterke chemische binding met elk element. Lood, yttrium en goud hebben als dergelijke elementen de voorkeur, omdat ze vuurvaste en duurzame poloniden vormen.
241 uur. Door het tekort van 238 Pu kan 241 Am een ​​alternatief worden als brandstof voor RTG's. 241 Am heeft een halfwaardetijd van 432 jaar. Het is praktisch een pure alfa-straler. 241 Am wordt gevonden in nucleair afval en is bijna isotopisch zuiver. Het specifieke vermogen van 241 Am is echter slechts 1/4 van het specifieke vermogen van 238 Pu. Bovendien wordt er meer doordringende straling uitgezonden door de vervalproducten van 241 Am en is een betere afscherming vereist. De stralingsafschermingseisen voor 241 Am zijn echter niet veel strenger dan in het geval van 238 Pu.
241 Am wordt veel gebruikt in rookmelders. De ionisatie rookmelder maakt gebruik van een klein stukje americium-241. De met lucht gevulde ruimte tussen de twee elektroden creëert een kamer waarin een kleine gelijkstroom tussen de elektroden kan vloeien. Als rook of warmte de kamer binnenkomt, wordt de elektrische stroom tussen de elektroden onderbroken en wordt er een alarm geactiveerd. Deze rookmelder is goedkoper dan andere apparaten.
63 Ni. 63 Ni pure β - emitter. De maximale elektronenenergie is 67 keV, de halfwaardetijd is 100,1 L. Aan het begin van de jaren 2000 werden in de VS en Rusland batterijen op basis van 63 Ni ontwikkeld. De apparaten hebben een levensduur van meer dan 50 jaar en zijn kleiner dan één kubieke millimeter. Het bèta-voltaïsche effect wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken. Er wordt ook gewerkt aan een piëzo-elektrische radio-isotopengenerator. Dergelijke batterijen kunnen worden gebruikt in neuro- en pacemakers.
144 Ce. Warmtebron - 144 Ce. 144 Ce pure β - emitter. De halfwaardetijd van 144 Ce is 285 dagen, het specifieke vermogen voor een zuivere isotoop is 2,6 W/g. De RTG is bedoeld voor het voeden van radiozenders en automatische weerstations. Het standaard vermogen is 200 watt.
Radio-isotopen worden veel gebruikt in een mengsel met fosfor om een ​​constante gloed te geven in bedieningsapparatuur aan boord van voertuigen, in klokken, lantaarns op poolvliegvelden en in navigatieborden, en zelfs in kerstboomversieringen. Voorheen werd hiervoor 226 Ra het meest gebruikt, met een halfwaardetijd van 1620 jaar. Om redenen van stralingsveiligheid wordt radium echter sinds de jaren zeventig niet meer voor dit doel gebruikt. Tegenwoordig worden hiervoor meestal zachte bètastralers gebruikt: promethium (147 Pm T 1/2 = 2,64 jaar), krypton (85 Kr T 1/2 = 10,8 jaar) en tritium (3 H T 1/2 = 12,3 jaar) . Natuurlijk zijn hun halfwaardetijden klein, maar hun ioniserende straling dringt niet door de omhulsels van de apparaten.

Anderzijds hebben ze geen bewegende delen en zijn ze gedurende hun hele levensduur, die kan oplopen tot tientallen jaren, onderhoudsvrij.

Collegiale YouTube

1 / 1

Verzameling van verlaten bètabronnen van Sr 90 van RTG's in Georgië

Ondertitels

Sollicitatie

RTG's zijn toepasbaar als energiebronnen voor autonome systemen die ver verwijderd zijn van traditionele stroombronnen en die enkele tientallen tot honderden watt vereisen met een zeer lange bedrijfstijd, te lang voor brandstofcellen of batterijen.

In de ruimte

RTG's zijn de belangrijkste energiebron voor ruimtevaartuigen met lange missies en ver weg van de zon (bijvoorbeeld Voyager 2 of Cassini-Huygens), waar het gebruik van zonnepanelen ineffectief of onmogelijk is.

Enkele kilo's van 238 PuO 2 werden gebruikt bij sommige Apollo-missies om ALSEP-instrumenten aan te drijven. Generator van elektriciteit SNAP-27 (eng. Systemen voor nucleaire hulpkracht), waarvan het thermische en elektrische vermogen respectievelijk 1480 W en 63,5 W was, en 3,735 kg plutonium-238-dioxide bevatte.

Op de grond

RTG's werden gebruikt in navigatiebakens, radiobakens, weerstations en soortgelijke apparatuur geïnstalleerd in gebieden waar het om technische of economische redenen onmogelijk is om andere stroombronnen te gebruiken. Met name in de USSR werden ze gebruikt als voedingen voor navigatieapparatuur die aan de kust van de Noordelijke IJszee langs de Noordelijke Zeeroute was geïnstalleerd. Vanwege het risico op lekkage van straling en radioactieve materialen is het installeren van onbewaakte RTG's op ontoegankelijke plaatsen op dit moment stopgezet.

In de VS werden RTG's niet alleen gebruikt voor landgebonden stroomvoorzieningen, maar ook voor zeeboeien en onderzeese installaties. In 1988 ontdekte de USSR bijvoorbeeld twee Amerikaanse RTG's naast Sovjet-communicatiekabels in de Zee van Okhotsk. Het exacte aantal RTG's dat door de Verenigde Staten is geïnstalleerd, is onbekend, schattingen van onafhankelijke organisaties gaven in 1992 100-150 installaties aan.

Brandstof

Radioactieve materialen die in RTG's worden gebruikt, moeten aan de volgende kenmerken voldoen:

• Een voldoende hoge volumetrische activiteit om een ​​significante energieafgifte te verkrijgen in een beperkt volume van de installatie. Het minimale volume wordt beperkt door de thermische en stralingsweerstand van de materialen; zwak actieve isotopen verslechteren de energie- en massaperfectie van de installatie. Dit betekent meestal dat de halfwaardetijd van de isotoop kort genoeg moet zijn voor hoge vervalsnelheden, en dat verval veel gemakkelijk te gebruiken energie moet opleveren.
• Een voldoende lange periode van stroomonderhoud om de taak te voltooien. Dit betekent meestal dat de halfwaardetijd van de isotoop lang genoeg moet zijn voor een bepaalde snelheid van energieafgifte. Typische halfwaardetijden van isotopen die worden gebruikt in RTG's zijn enkele decennia, hoewel isotopen met korte halfwaardetijden kunnen worden gebruikt voor gespecialiseerde toepassingen.
• Handig type ioniserende straling voor energieterugwinning. Gammastraling vliegt gemakkelijk uit de structuur en neemt de vervalenergie mee. Neutronen kunnen ook relatief gemakkelijk ontsnappen. De hoogenergetische elektronen die tijdens β-verval worden gevormd, zijn goed vertraagd, maar in dit geval wordt remstraling gevormd door röntgenstraling, die een deel van de energie wegvoert. Tijdens α-verval worden massieve α-deeltjes gevormd, die hun energie praktisch op het punt van vorming opgeven.
• Een soort ioniserende straling die veilig is voor het milieu en de apparatuur. Aanzienlijke gamma-, röntgen- en neutronenstraling vereisen vaak speciale ontwerpmaatregelen om personeel en nabijgelegen apparatuur te beschermen.
• De relatieve goedkoopheid van de isotoop en de eenvoud van de productie ervan in het kader van bestaande nucleaire technologieën.

Plutonium-238 meest gebruikt in ruimtevaartuigen. α-verval met een energie van 5,5 MeV (één gram geeft ~ 0,54 W). De halfwaardetijd is 88 jaar (vermogensverlies 0,78% per jaar) met de vorming van de zeer stabiele isotoop 234 U. Plutonium-238 is een bijna zuivere alfa-emitter, waardoor het een van de veiligste radioactieve isotopen is met minimale biologische afschermingsvereisten. Het verkrijgen van een relatief zuivere 238-isotoop vereist echter de werking van speciale reactoren, wat het duur maakt.

Strontium-90 Het werd veel gebruikt in RTG's op de grond van Sovjet- en Amerikaanse productie. Een keten van twee β-verval geeft een totale energie van 2,8 MeV (één gram geeft ~ 0,46 W). Halfwaardetijd 29 jaar met de vorming van een stal ⁹⁰ Zr. Strontium-90 wordt in grote hoeveelheden geproduceerd uit de verbruikte splijtstof van kernreactoren. De lage prijs en overvloed van deze isotoop bepaalt het wijdverbreide gebruik ervan in grondapparatuur. In tegenstelling tot plutonium heeft strontium een ​​aanzienlijk niveau van ioniserende straling met een hoge permeabiliteit, wat relatief hoge eisen stelt aan biologische bescherming.

Er is een concept van subkritische RTG's. De subkritische generator bestaat uit een neutronenbron en splijtstof. De bronneutronen worden opgevangen door de atomen van het splijtbare materiaal en veroorzaken hun splijting. Het belangrijkste voordeel van zo'n generator is dat de vervalenergie van de reactie met neutronenvangst veel hoger kan zijn dan de energie van spontane splijting. Voor plutonium is het bijvoorbeeld 200 MeV versus 6 MeV spontane splijting. Dienovereenkomstig is de vereiste hoeveelheid van de stof veel lager. Ook het aantal vervalsingen en stralingsactiviteit in termen van warmteafgifte is lager. Dit vermindert het gewicht en de afmetingen van de generator.

RTG's op de grond in Rusland

Tijdens het Sovjettijdperk werden 1007 RTG's vervaardigd voor gebruik op de grond. Bijna allemaal zijn ze gemaakt op basis van de strontium-90 isotoop (RIT-90). Het brandstofelement is een sterk afgedichte gelaste capsule met een isotoop erin. Verschillende versies van RIT-90 werden geproduceerd met verschillende hoeveelheden van de isotoop. De RTG was uitgerust met een of meer RHS-capsules, stralingsafscherming (vaak gebaseerd op verarmd uranium), een thermo-elektrische generator, een koelradiator, een afgesloten behuizing en elektrische circuits. Soorten RTG's geproduceerd in de Sovjet-Unie:

Soort van	Initiële activiteit, kCi	Thermisch vermogen, W	Elektrisch vermogen, W	efficiëntie,%	Gewicht (kg	Jaar van het begin van de productie
Ether-MA	104	720	30	4,167	1250	1976
IEU-1	465	2200	80	3,64	2500	1976
IEU-2	100	580	14	2,41	600	1977
Beta-M (Engels) Russisch	36	230	10	4,35	560	1978
Gong	47	315	18	5,714	600	1983
Hoorn	185	1100	60	5,455	1050	1983
IEU-2M	116	690	20	2,899	600	1985
Senostav	288	1870	-	-	1250	1989
IEU-1M	340	2200	120	5,455	2100	1990

De levensduur van installaties kan 10-30 jaar zijn, de meeste zijn op. De RTG is een potentieel gevaar, omdat het zich in een verlaten gebied bevindt en kan worden gestolen en vervolgens als vuile bom worden gebruikt. Er zijn gevallen geregistreerd waarin RTG's werden ontmanteld door jagers op non-ferrometalen, terwijl de ontvoerders zelf een dodelijke dosis straling kregen.

Momenteel is het proces van ontmanteling en verwijdering aan de gang onder toezicht van het Internationaal Agentschap voor Atoomenergie en met financiering van de Verenigde Staten, Noorwegen en andere landen. Begin 2011 waren 539 RTG's ontmanteld. Vanaf 2012 zijn 72 RTG's in bedrijf, 3 zijn verloren gegaan, 222 zijn opgeslagen en 31 zijn bezig met verwijdering. Op Antarctica werden vier installaties geëxploiteerd.

Nieuwe RTG's voor navigatiedoeleinden worden niet meer geproduceerd; in plaats daarvan worden windkrachtcentrales en fotovoltaïsche omvormers geïnstalleerd, in sommige gevallen dieselgeneratoren. Deze apparaten worden APS (Alternative Power Sources) genoemd. Ze bestaan ​​uit een zonnepaneel (of windgenerator), een set onderhoudsvrije batterijen, een LED-baken (rond of blad), een programmeerbare elektronische unit die het algoritme voor het baken instelt.

Eisen aan het ontwerp van de RTG

In de USSR werden de vereisten voor RTG's vastgesteld door GOST 18696-90 "Radionuclide Thermo-elektrische generatoren. Types en algemene technische vereisten ". en GOST 20250-83 "Radionuclide thermo-elektrische generatoren. Acceptatieregels en testmethoden".

RTG-incidenten in het GOS

datum	Een plek
1983, maart	Kaap Nutevgi, Chukotka	Ernstige schade aan de RTG op weg naar de installatieplaats. Het feit van het ongeval werd verborgen door het personeel en werd in 1997 ontdekt door de commissie Gosatomnadzor. Vanaf 2005 werd deze RTG verlaten en bleef op Kaap Nutevgi. Met ingang van 2012 werden alle RTG's verwijderd uit de Chukotka Autonomous Okrug.
1987	Kaap Nizkiy, regio Sachalin	Tijdens het transport viel de helikopter in de Zee van Okhotsk een RTG van het type IEU-1, die toebehoorde aan het Ministerie van Defensie van de USSR. Vanaf 2013 gaat het prospectiewerk met tussenpozen door.
1997	Tadzjikistan, Dushanbe	Drie RTG's die hun tijd hadden uitgediend, werden in een door onbekende personen gedemonteerde vorm opgeslagen in een kolenmagazijn in het centrum van Dushanbe; in de buurt werd een verhoogde gamma-achtergrond geregistreerd.
1997, augustus	Kaap Maria, regio Sachalin	Tijdens het transport viel de helikopter in de Zee van Okhotsk een RTG van het IEU-1-type, die op de bodem bleef op een diepte van 25-30 m. 10 jaar later werd hij opgetild en ter verwijdering verzonden.
1998, juli	Haven van Korsakov, regio Sachalin	Bij het inzamelpunt voor schroot is een RTG van het RF Ministerie van Defensie in gedemonteerde vorm aangetroffen.
1999	regio Leningrad.	De RTG is geplunderd door jagers op non-ferrometalen. Het radioactieve element (achtergrond bij - 1000 R / h) werd gevonden bij een bushalte in Kingisepp.
2000	Kaap Baranikha, Chukotka	Door de storing van de RTG is de natuurlijke achtergrond bij het apparaat meerdere malen overschreden.
2001, mei	Kandalaksha Bay, regio Moermansk	Drie radio-isotoopbronnen werden gestolen uit de vuurtorens op het eiland, die werden ontdekt en naar Moskou werden gestuurd.
2002, februari	West-Georgië	In het gebied van het dorp Liya, district Tsalenjikha, vonden lokale bewoners twee RTG's, die ze als warmtebronnen gebruikten, en vervolgens ontmantelden. Als gevolg hiervan kregen meerdere mensen hoge doses straling.
2003	O. Nuneangan, Chukotka	Het bleek dat de externe straling van het apparaat de toegestane limieten met 5 keer overschreed vanwege gebreken in het ontwerp.
2003	O. Wrangel, Chukotka	Door de erosie van de kust is de hier opgestelde RTG in zee gevallen, waar hij is weggespoeld met grond. In 2011 werd het door een storm op de kust geworpen. De stralingsbescherming van het apparaat is niet beschadigd. In 2012 werd het verwijderd van het grondgebied van de Chukotka Autonomous Okrug.
2003	Kaap Shalaurova Izba, Chukotka	De achtergrondstraling nabij de faciliteit werd 30 keer overschreden vanwege een tekortkoming in het ontwerp van de RTG.
2003, maart	Pikhlisaar, regio Leningrad	De RTG is geplunderd door jagers op non-ferrometalen. Het radioactieve element werd op de ijslaag gegooid. De hete capsule met strontium, nadat het ijs was gesmolten, ging naar de bodem, de achtergrond was dichtbij 1000 R / h. De capsule werd al snel gevonden op 200 meter van de vuurtoren.
2003, augustus	Shmidtovsky-district, Chukotka	De inspectie heeft geen RTG van het Beta-M type nr. 57 gevonden op de installatielocatie nabij de Kyvekwyn-rivier; volgens de officiële versie werd aangenomen dat de RTG door een hevige storm in het zand is gewassen of is ontvoerd.
2003, september	Lolets-eiland, Witte Zee	Het personeel van de Noordelijke Vloot ontdekte de diefstal van het biologische beschermingsmetaal van de RTG op het Golets-eiland. De deur naar de vuurtorenkamer werd ook opengebroken, waar een van de krachtigste RTG's werd bewaard met zes RHS-90-elementen die niet waren gestolen.
2003, november	Kola Bay, Olenya Bay en South Goryachinsky Island	Twee RTG's van de Noordelijke Vloot werden geplunderd door jagers op non-ferrometalen en hun RIT-90-elementen werden in de buurt gevonden.
2004	Priozersk, Kazachstan	Noodgeval als gevolg van ongeoorloofde demontage van zes RTG's.
2004, maart	v. Valentin, Primorsky Territorium	Een RTG van de Pacific Fleet werd ontmanteld gevonden, blijkbaar door jagers op non-ferrometalen. In de buurt werd het radioactieve element RIT-90 gevonden.
juli 2004	Norilsk	Op het grondgebied van de militaire eenheid werden drie RTG's gevonden, waarvan de dosissnelheid op een afstand van 1 m 155 keer hoger was dan de natuurlijke achtergrond.
juli 2004	Kaap Navarin, Chukotka	Mechanische schade aan het RTG-lichaam van onbekende oorsprong, resulterend in drukverlaging en een deel van de radioactieve brandstof viel uit. De nood-RTG werd in 2007 voor verwijdering verwijderd, de getroffen gebieden van het aangrenzende gebied werden ontsmet.
september 2004	Bunge Land, Yakutia	Noodlossing van twee vervoerde RTG's vanuit een helikopter. Als gevolg van de impact op de grond werd de integriteit van de stralingsbescherming van de rompen geschonden, het dosistempo van gammastraling nabij de impactlocatie was 4 mSv / h.
2012	O. Overbodig, Taimyr	Fragmenten van de RTG van het project "Gong" werden gevonden op de plaats waar de RTG was geïnstalleerd. Aangenomen wordt dat het apparaat in zee is gespoeld.

zie ook

Notities (bewerken)

1. Konstantin Lantratov. Pluto is dichterbij gekomen (Russisch) // Kommersant krant: artikel. - Kommersant, 2006. - Uitgave. 3341. - Nr. 10.
2. Alexander Sergejev. Een sonde naar Pluto: een vlekkeloos begin van de grote reis (Russisch). - Elementen Ru, 2006.
3. Timosjenko, Alexey Ruimtetijdperk - een persoon was niet nodig (Russisch) (onbeschikbare link - geschiedenis) ... gzt.ru (16 september 2010). Ontvangen 22 oktober 2010. Gearchiveerd 19 april 2010.
4. De energie van pure wetenschap: stroom van de versneller (rus.) // natuurkunde arXiv blog Populaire mechanica: artikel. - 12.08.10.
5. NASA voerde de eerste testrit uit van de nieuwe rover (Russisch). Lenta.ru (26 juli 2010). Ontvangen op 8 november 2010. Gearchiveerd op 3 februari 2012.
6. Ajay K. Misra. Overzicht van NASA-programma voor ontwikkeling van radio-isotopenenergiesystemen met hoog specifiek vermogen // NASA / JPL: overzicht. - San Diego, Californië, juni 2006.
7. Wereldinformatiedienst voor energie. Alaska-brand bedreigt kernwapens van de luchtmacht.
8. Drits ME et al. Elementeigenschappen. - Directory. - M.: Metallurgie, 1985 .-- 672 d. - 6500 exemplaren.
9. Venkateswara Sarma Mallela, V Ilankumaran, N. Srinivasa Rao. Trends in cardiale pacemakerbatterijen // Indian Pacing Electrophysiol J: artikel. - 1 oktober 2004. - Iss. 4 . - Nee. 4 .
10. Plutonium aangedreven pacemaker (1974). Oak Ridge Associated Universities.23 maart 2009. Ontvangen 15 januari 2011.

Pagina 1

Radio-isotopengeneratoren die op ruimtevaartuigen worden gebruikt, werken meestal volgens het principe van het gebruik van stralingsenergie om de hete kruispunten van thermokoppels te verwarmen, waarin thermische energie en elektrische energie worden omgezet.

Moderne radio-isotopengeneratoren hebben een rendement van 3 - 5% en een levensduur van 3 maanden tot 10 jaar. De technische en economische kenmerken van deze generatoren kunnen in de toekomst aanzienlijk worden verbeterd.

Een van die generatoren, de Sovjet-experimentele radio-isotoopgenerator Beta-1, werkte twee jaar met succes en leverde stroom aan de radiozender van het meteorologische station in de regio Moskou in Khimki. Het gebruikte cerium-144 als energiebron, geplaatst in stralingswerende containers gemaakt van wolfraam en lood. Het energieverbruik was 440 kW-h, het gemiddelde vermogen was 5 W en het uitgangsvermogen (met accumulatie) tijdens de werking van de zender was 150-200 W.

In de werken werden verschillende versies voorgesteld van een radio-isotoopgenerator met een tweetraps systeem voor het omzetten van kernenergie in elektrische energie, die tot de familie van fotovoltaïsche atoombatterijen behoort. In zo'n generator wordt de energie van kernsplijtingsfragmenten aanvankelijk omgezet in straling via een proces van nucleair gestimuleerde fluorescentie (bijvoorbeeld in een met aërosol gevulde omzetter), en vervolgens wordt de fotonenergie omgezet in elektrische energie met behulp van een fotovoltaïsche omvormer. Deze methode van energieconversie heeft een aantal voordelen ten opzichte van de bestaande. In tegenstelling tot veel van de meest gebruikte traditionele methoden, bevat het bijvoorbeeld geen inefficiënte verwarmingscyclus. Het totale rendement van het systeem kan dus ongeveer 35% zijn, wat 3 - - 5 keer hoger is dan het rendement van systemen met een thermische cyclus en zonnepanelen.

Het meest essentiële en kostbare onderdeel van het ontwikkelingsprogramma voor radio-isotopengeneratoren is het testen ervan. Het is mogelijk om de algemene kenmerken van een bepaald structureel element te voorspellen, maar het is vaak mogelijk om de echte fysieke parameters van een nieuwe eenheid of systeem als geheel alleen experimenteel te bepalen.

Schema van een thermionische radio-isotoopgenerator met een warmtepijp die automatisch de warmteflux en temperatuur stabiliseert aan de convertorkathode.

Maar dit is de oplossing voor het probleem van het stabiliseren van de warmtestroom en temperatuur aan de kathode van een thermionische radio-isotoopgenerator onder omstandigheden van een continue afname van de energieafgifte in de capsule. De overtollige warmte-energie die in de eerste bedrijfsperiode in de isotopenbrandstof wordt gegenereerd, wordt afgevoerd uit het gedeelte van de warmtepijp dat uitsteekt voorbij de cilindrische thermionische omzetter.

Naast de structurele verbetering en toename van het vermogen van thermo-elektrische generatorsets met kernreactoren, wordt in de Sovjet-Unie gewerkt aan het ontwerp van radio-isotopengeneratoren. Om elektrische stroom op te wekken, gebruiken ze de warmte die wordt gegenereerd tijdens het verval van radioactieve isotopen van kobalt, curium, polonium, enz. Ze hebben kleine totale afmetingen en werken gedurende lange tijd betrouwbaar zonder opladen (afhankelijk van de halfwaardetijd van de overeenkomstige radioactieve elementen) en de opgewekte energie per 1 kg eigen gewicht is superieur aan elektrochemische batterijen.

Laten we eens kijken naar de kenmerken van de formulering en oplossing van probleem (9.18) voor een gecombineerde elektriciteitscentrale met een tweetraps TEG en een tweecircuit PTP met een condensorinjector en een eentrapsturbine, waarvan de werkvloeistof een DFS. De warmtetoevoer van de radio-isotoopgenerator naar de TEG en van daaruit naar de PTP wordt uitgevoerd door een vloeibaar metalen koelmiddel.

Waarom hebben we zulke hoeveelheden van een zware isotoop van curium nodig? Er wordt aangenomen dat curium-244 ylutonium-238 kan vervangen in radio-isotopengeneratoren voor ruimte- en oceaanonderzoek. Generatoren op basis van 244C's zijn minder duurzaam dan plutonium, maar hun specifieke energieafgifte is ongeveer vijf keer groter ... Curiumgeneratoren zijn daarom nauwelijks toepasbaar als hartstimulator. Maar in andere autonome energiebronnen kan curium-244 plutonium wel eens vervangen. Bovendien is curium niet zo giftig als plutonium. En het beperkende vermogen van curiumgeneratoren (bepaald door de kritische massa) is ongeveer 10 keer groter dan dat van plutoniumgeneratoren: respectievelijk 162 en 18 kilowatt.

In opdracht van de KAE wordt er onderzoek gedaan naar de potentiële mogelijkheden van thermo-elektrische generatoren op basis van polonium-210, plutonium-238 en curium-244 met een elektrisch vermogen tot 10 kW zoals toegepast op ruimte-installaties. Dit vermogen wordt beschouwd als een praktische limiet voor radio-isotopengeneratoren voor dit doel. Opgemerkt moet worden dat KAE raketmotoren ontwikkelt met isotopische warmtebronnen. De warmte die vrijkomt bij het verval van polonium-210 wordt gebruikt om vloeibare waterstof te verwarmen. Zo'n motor kan stuwkracht ontwikkelen tot 0,11 kg met een specifieke impuls van 700 - 800 sec.

Dit type generator wordt tegenwoordig het meest gebruikt voor het aandrijven van apparatuur aan boord en het verwarmen van ruimtevaartuigen. Volgens negen radio-isotopengeneratoren die in 1992 in een baan om de Verenigde Staten draaiden, waren er acht thermo-elektrisch met Pu238 als brandstof. In een radio-isotoop thermo-elektrische generator (RTG) wordt thermische energie direct omgezet in elektrische energie op basis van het Seebeck-effect.

Het moet gezegd worden dat de laatste tijd in de VS veel aandacht is besteed aan het zoeken naar efficiëntere manieren om de thermische energie van RHS om te zetten op plutonium-238 dan op thermo-elektrisch. Deze omvatten voornamelijk werkzaamheden aan de creatie van thermo-foto-elektrische radio-isotopengeneratoren en radio-isotopengeneratoren AMTES (Alkali metal thermal to electric conversion) waarbij in beide gevallen gebruik wordt gemaakt van radio-isotoopwarmtebronnen op basis van plutonium-238, eerder ontwikkeld voor RTG's voor ruimtedoeleinden.

In 1965 werd in Leipzig (DDR) een Sovjet radio-isotoop hev gedemonstreerd: de beta-2 erator, die ook stroom leverde aan de instrumenten van het automatische weerstation. Beta-2 werd bekroond met de gouden medaille op de jubileumbeurs van Leipzig. In hetzelfde jaar werden radio-isotopengeneratoren van een ander type met een vermogen van 5-50 W gebruikt om stroom te leveren aan de systemen aan boord van verschillende kunstmatige aardsatellieten van de Cosmos-serie, waarvan de lancering was voorzien door het programma van de ruimte onderzoek aangenomen in de USSR.