Etterbehandling. Beslag. Reparere. Montering. Valg. Blenderåpning
Sammenlignet med atomreaktorer som bruker en kjedereaksjon, er RTG-er mye mer kompakte og strukturelt enklere. RTG-utgangseffekten er svært lav (opptil flere hundre watt) med lav effektivitet. På den annen side har de ingen bevegelige deler og er vedlikeholdsfrie over hele levetiden, som kan vare i flere tiår.
applikasjon
RTG romfartøy"Nye horisonter"
RTG-er er generelt den mest egnede energikilden for autonome systemer trenger flere titalls til hundrevis av watt med veldig lang driftstid, for lang til brenselsceller eller batterier.
I verdensrommet
Diagram over RTG brukt på romfartøyet Cassini-Huygens
RTG-er er hovedkraftkilden for langsiktige oppdrag som er langt unna (for eksempel Voyager-2 eller Cassini-Huygens), der bruk solcellepaneler ineffektiv eller umulig.
Plutonium-238 i 2006, da han lanserte New Horizons-sonden, fant dens anvendelse som en kraftkilde for romfartøyutstyr. Radioisotopgeneratoren inneholdt 11 kg høyrent 238 Pu-dioksid, og produserte et gjennomsnitt på 220 watt elektrisitet gjennom hele reisen (240 watt ved begynnelsen av reisen og, ifølge beregninger, 200 watt på slutten).
Det har seg slik at i serien «Peaceful Cosmic Atom» beveger vi oss fra det fantastiske til det utbredte. Sist gang vi snakket om kraftreaktorer, er det åpenbare neste trinnet å snakke om radioisotop termoelektriske generatorer. Nylig på Habré var det et utmerket innlegg om RTG til Cassini-sonden, og vi vil vurdere dette emnet fra et bredere synspunkt.
Prosessfysikk
Varmeproduksjon
I motsetning til en atomreaktor, som bruker fenomenet en kjernefysisk kjedereaksjon, bruker radioisotopgeneratorer det naturlige forfallet til radioaktive isotoper. Husk at atomer består av protoner, elektroner og nøytroner. Avhengig av antall nøytroner i kjernen til et bestemt atom, kan det være stabilt, eller det kan vise en tendens til spontant forfall. For eksempel er kobolt 59 Co-atomet med 27 protoner og 32 nøytroner i kjernen stabilt. Slik kobolt har blitt brukt av menneskeheten siden tiden Det gamle Egypt... Men hvis vi legger til ett nøytron til 59 Co (for eksempel ved å legge "normal" kobolt i en atomreaktor), så får vi 60 Co, en radioaktiv isotop med en halveringstid på 5,2 år. Begrepet "halveringstid" betyr at etter 5,2 år vil ett atom forfalle med en sannsynlighet på 50 %, og omtrent halvparten av hundre atomer vil forbli. Alle "vanlige" grunnstoffer har sine egne isotoper med ulike perioder halvt liv:
3D isotopkart, takket være LJ brukerskorpegruppe for bildet.
Ved å velge en passende isotop er det mulig å få en RTG med nødvendig levetid og andre parametere:
| Isotop | Metode for å skaffe | Spesifikk effekt, W/g | Volumetrisk effekt, W / cm³ | Halvt liv | Integrert energi av isotopforfall, kWh/g | Arbeidsform av isotopen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 60 Co (kobolt-60) | Bestråling i reaktoren | 2,9 | ~26 | 5.271 år | 193,2 | Metall, legering |
| 238 Pu (plutonium-238) | kjernereaktor | 0,568 | 6,9 | 86 år | 608,7 | Plutoniumkarbid |
| 90 Sr (strontium-90) | fisjonsfragmenter | 0,93 | 0,7 | 28 år | 162,721 | SrO, SrTiO 3 |
| 144 Ce (cerium-144) | fisjonsfragmenter | 2,6 | 12,5 | 285 dager | 57,439 | administrerende direktør 2 |
| 242 cm (curium-242) | kjernereaktor | 121 | 1169 | 162 dager | 677,8 | Cm 2 O 3 |
| 147 pm (promethium-147) | fisjonsfragmenter | 0,37 | 1,1 | 2,64 år | 12,34 | Pm 2 O 3 |
| 137 Cs (cesium-137) | fisjonsfragmenter | 0,27 | 1,27 | 33 år | 230,24 | CsCl |
| 210 Po (polonium-210) | bestråling av vismut | 142 | 1320 | 138 dager | 677,59 | legeringer med bly, yttrium, gull |
| 244 cm (curium-244) | kjernereaktor | 2,8 | 33,25 | 18,1 år | 640,6 | Cm 2 O 3 |
| 232 U (uran-232) | thoriumbestråling | 8,097 | ~88,67 | 68,9 år | 4887,103 | dioksid, karbid, urannitrid |
| 106 Ru (ruthenium-106) | fisjonsfragmenter | 29,8 | 369,818 | ~ 371,63 dager | 9,854 | metall, legering |
Det faktum at nedbrytningen av isotoper skjer uavhengig betyr at RTG ikke kan kontrolleres. Etter å ha lastet drivstoff vil det varmes opp og produsere elektrisitet i årevis, og gradvis nedbrytes. Å redusere mengden spaltbare isotoper betyr at det vil være færre kjernefysiske henfall, mindre varme og elektrisitet. I tillegg vil fallet i elektrisk kraft forverre nedbrytningen av den elektriske generatoren.
Det er en forenklet versjon av RTG, der forfallet av isotopen bare brukes til oppvarming, uten å generere strøm. En slik modul kalles en varmeenhet eller RHG (Radioisotope Heat Generator).
Konverter varme til elektrisitet
Som i tilfellet med en atomreaktor er produksjonen varme, som må omdannes til elektrisitet på en eller annen måte. For å gjøre dette kan du bruke:- Termoelektrisk omformer. Ved å koble to ledere fra forskjellige materialer(for eksempel krom og alumel) og oppvarming av en av dem, kan du få en strømkilde.
- Termionisk omformer. I dette tilfellet brukes en elektronisk lampe. Katoden varmes opp og elektronene får nok energi til å "hoppe" til anoden, og skaper en elektrisk strøm.
- Termisk fotoelektrisk omformer. I dette tilfellet kobles en fotocelle til varmekilden, som opererer inn infrarødt... Varmekilden sender ut fotoner, som fanges opp av en fotocelle og omdannes til elektrisitet.
- Termoelektrisk omformer som bruker alkalimetaller. Her brukes en elektrolytt laget av smeltet natrium- og svovelsalter for å omdanne varme til elektrisitet.
- Stirlings motor - varmemotorå konvertere temperaturforskjellen til mekanisk arbeid. Elektrisitet hentes fra mekanisk arbeid ved hjelp av en slags generator.
Historie
Den første eksperimentelle radioisotopenergikilden ble introdusert i 1913. Men først fra andre halvdel av 1900-tallet, med spredningen av atomreaktorer, hvor det var mulig å skaffe isotoper i industriell skala, RTG-er begynte å bli aktivt brukt.USA
I USA var SNAP-organisasjonen, allerede kjent for deg fra forrige innlegg, engasjert i RTG-er.SNAP-1.
Det var en eksperimentell 144 Ce RTG med en Rankine-syklusgenerator (dampmotor) med kvikksølv som kjølevæske. Generatoren jobbet med hell 2500 timer på jorden, men fløy ikke ut i verdensrommet.
SNAP-3.
Den første RTG-en som fløy ut i verdensrommet på navigasjonssatellittene Transit 4A og 4B. Effekt 2 W, vekt 2 kg, brukt plutonium-238. 
Sentry
RTG for en meteorologisk satellitt. Energieffekt 4,5 W, isotop - strontium-90.
SNAP-7.
En familie av bakkebaserte RTG-er for fyr, lysbøyer, værstasjoner, akustiske bøyer og lignende. Meget store modeller, vekt fra 850 til 2720 kg. Energieffekt - titalls watt. For eksempel SNAP-7D - 30 W med en masse på 2 tonn.
SNAP-9
Seriell RTG for transittnavigasjonssatellitter. Vekt 12 kg, elektrisk effekt 25 W.
SNAP-11
Eksperimentell RTG for Surveyor månelandingsstasjoner. Det ble foreslått å bruke isotopen curium-242. Elektrisk energi- 25 W. Ikke brukt.
SNAP-19
Seriell RTG, brukt i en rekke oppdrag - Nimbus meteorologiske satellitter, sonder "Pioneer" -10 og -11, Mars landingsstasjoner "Viking". Isotop - plutonium-238, effekt ~ 40 W. 
SNAP-21 og -23
RTG-er for undervannsbruk på strontium-90.
SNAP-27
RTG-er for å drive det vitenskapelige utstyret til Apollo-programmet. 3,8 kg. plutonium-238 ga en energieffekt på 70 watt. Det månevitenskapelige utstyret ble slått av i 1977 (mennesker og utstyr på jorden krevde penger, men de var ikke nok). RTG-er for 1977 produserte fra 36 til 60 watt elektrisk kraft. 
MHW-RTG
Navnet står for "multislott RTG". 4,5 kg. plutonium-238 ga 2400 watt termisk kraft og 160 watt elektrisk kraft. Disse RTG-ene var på Lincoln Experimental Satellites (LES-8,9) og har levert varme og elektrisitet til Voyagers i 37 år. For 2014 gir RTG-er omtrent 53 % av sin opprinnelige kapasitet. 
GPHS-RTG
Den kraftigste av rom-RTGene. 7,8 kg plutonium-238 ga 4400 watt termisk kraft og 300 watt elektrisk kraft. Den ble brukt på Ulysses-solsonden, Galileo og Cassini-Huygens-sonderne og flyr til Pluto på New Horizons. 
MMRTG
RTG for nysgjerrighet. 4 kg plutonium-238, 2000 W termisk effekt, 100 W elektrisk kraft. 
Varm plutonium lampe kube.
RTG-er i USA med referanse i tid.
Sammendragstabell:
| Navn | Media (nummer på enheten) | Maksimal kraft | Isotop | Drivstoffvekt, kg | Full vekt, kg | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| elektrisk, W | Thermal, 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 | Kollektivtrafikk 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 |
| modifikasjon SNAP-19 | Viking 1 (2), Viking 2 (2) | 42.7 | 525 | 238 Pu | ~1 | 15.2 |
| SNAP-27 | Apollo 12-17 ALSEP (1) | 73 | 1,480 | 238 Pu | 3.8 | 20 |
USSR / Russland
Det var få rombaserte RTG-er i USSR og Russland. Den første eksperimentelle generatoren var Lemon-1 RTG basert på polonium-210, opprettet i 1962:
.De første rombaserte RTG-ene var Orion-1 med en elektrisk effekt på 20 W på polonium-210 og lansert på kommunikasjonssatellittene i Strela-1-serien - Kosmos-84 og Kosmos-90. Oppvarmingsenheter ble installert på "Lunokhod" -1 og -2, og RTG var på "Mars-96"-oppdraget: 
Samtidig ble RTG-er veldig aktivt brukt i beacons, navigasjonsbøyer og annet bakkeutstyr - BETA, RTG-IEU-serien og mange andre. 
Design
Nesten alle RTG-er bruker termoelektriske omformere og har derfor samme design:
Perspektiver
Alle flygende RTG-er utmerker seg med en svært lav effektivitet - som regel er den elektriske kraften mindre enn 10% av den termiske effekten. Derfor lanserte NASA på begynnelsen av det 21. århundre ASRG-prosjektet - en RTG med Stirling-motor. En økning i effektiviteten var forventet opp til 30 % og 140 W elektrisk kraft ved 500 W termisk effekt. Dessverre ble prosjektet stoppet i 2013 på grunn av overbudsjett. Men teoretisk sett kan bruken av mer effektive varme-til-elektrisitet-omformere øke effektiviteten til RTG-er.Fordeler og ulemper
Fordeler:- Et veldig enkelt design.
- Det kan fungere i år og tiår, og nedbrytes gradvis.
- Den kan brukes samtidig til oppvarming og strømforsyning.
- Krever ikke ledelse og tilsyn.
- Sjeldne og dyre isotoper kreves for drivstoff.
- Drivstoffproduksjonen er kompleks, dyr og treg.
- Lav effektivitet.
- Effekten er begrenset til hundrevis av watt. En RTG med en kilowatt elektrisk kraft er allerede dårlig begrunnet, en megawatt gir praktisk talt ingen mening: det vil være for dyrt og tungt.
Kombinasjonen av slike fordeler og ulemper betyr at RTG-er og varmeenheter okkuperer sin nisje innen romkraftteknikk og vil beholde den i fremtiden. De gjør det mulig enkelt og effektivt å varme og levere strøm til interplanetariske kjøretøy, men man bør ikke forvente noe energigjennombrudd fra dem.
Kilder til
I tillegg til Wikipedia ble følgende brukt:- Space Nuclear Power: Åpning av den siste horisonten.
- Emne "Domestic RTGs" på "News of Cosmonautics".
Tagger:
- RTG
- MCA
Det har seg slik at i serien beveger vi oss fra det fantastiske til det vanlige. Sist gang vi snakket om kraftreaktorer, er det åpenbare neste trinnet å snakke om radioisotop termoelektriske generatorer. Nylig på Habré var det et utmerket innlegg om RTG til Cassini-sonden, og vi vil vurdere dette emnet fra et bredere synspunkt.
Prosessfysikk
Varmeproduksjon
I motsetning til en atomreaktor, som bruker fenomenet en kjernefysisk kjedereaksjon, bruker radioisotopgeneratorer det naturlige forfallet til radioaktive isotoper. Husk at atomer består av protoner, elektroner og nøytroner. Avhengig av antall nøytroner i kjernen til et bestemt atom, kan det være stabilt, eller det kan vise en tendens til spontant forfall. For eksempel er et kobolt 59 Co-atom med 27 protoner og 32 nøytroner i kjernen stabilt. Slik kobolt har blitt brukt av menneskeheten siden det gamle Egypts dager. Men hvis vi legger til ett nøytron til 59 Co (for eksempel ved å plassere "normal" kobolt i en atomreaktor), så får vi 60 Co, en radioaktiv isotop med en halveringstid på 5,2 år. Begrepet «halveringstid» betyr at om 5,2 år vil ett atom forfalle med en sannsynlighet på 50 %, og omtrent halvparten av hundre atomer vil forbli. Alle "vanlige" grunnstoffer har sine egne isotoper med forskjellige halveringstid:
3D isotopkart, takk skorpegruppe
for bildet.
Ved å velge en passende isotop er det mulig å få en RTG med nødvendig levetid og andre parametere:
| Isotop | Metode for å skaffe | Spesifikk effekt, W/g | Volumetrisk effekt, W / cm³ | Halvt liv | Integrert energi av isotopforfall, kWh/g | Arbeidsform av isotopen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 60 Co (kobolt-60) | Bestråling i reaktoren | 2,9 | ~26 | 5.271 år | 193,2 | Metall, legering |
| 238 Pu (plutonium-238) | kjernereaktor | 0,568 | 6,9 | 86 år | 608,7 | Plutoniumkarbid |
| 90 Sr (strontium-90) | fisjonsfragmenter | 0,93 | 0,7 | 28 år | 162,721 | SrO, SrTiO 3 |
| 144 Ce (cerium-144) | fisjonsfragmenter | 2,6 | 12,5 | 285 dager | 57,439 | administrerende direktør 2 |
| 242 cm (curium-242) | kjernereaktor | 121 | 1169 | 162 dager | 677,8 | Cm 2 O 3 |
| 147 pm (promethium-147) | fisjonsfragmenter | 0,37 | 1,1 | 2,64 år | 12,34 | Pm 2 O 3 |
| 137 Cs (cesium-137) | fisjonsfragmenter | 0,27 | 1,27 | 33 år | 230,24 | CsCl |
| 210 Po (polonium-210) | bestråling av vismut | 142 | 1320 | 138 dager | 677,59 | legeringer med bly, yttrium, gull |
| 244 cm (curium-244) | kjernereaktor | 2,8 | 33,25 | 18,1 år | 640,6 | Cm 2 O 3 |
| 232 U (uran-232) | thoriumbestråling | 8,097 | ~88,67 | 68,9 år | 4887,103 | dioksid, karbid, urannitrid |
| 106 Ru (ruthenium-106) | fisjonsfragmenter | 29,8 | 369,818 | ~ 371,63 dager | 9,854 | metall, legering |
Det faktum at nedbrytningen av isotoper skjer uavhengig betyr at RTG ikke kan kontrolleres. Etter å ha lastet drivstoff, vil det varmes opp og produsere elektrisitet i årevis, og gradvis forringes. Å redusere mengden fissile isotoper betyr mindre kjernefysisk fisjon, mindre varme og mindre elektrisitet. I tillegg vil fallet i elektrisk kraft forverre nedbrytningen av den elektriske generatoren.
Det er en forenklet versjon av RTG, der forfallet av isotopen bare brukes til oppvarming, uten å generere strøm. En slik modul kalles en varmeenhet eller RHG (Radioisotope Heat Generator).
Konverter varme til elektrisitet
Som i tilfellet med en atomreaktor, er produksjonen varme, som må omdannes til elektrisitet på en eller annen måte. For å gjøre dette kan du bruke:- Termoelektrisk omformer. Ved å koble sammen to ledere laget av forskjellige materialer (for eksempel kromel og alumel) og varme opp en av dem, kan du få en strømkilde.
- Termionisk omformer. I dette tilfellet brukes en elektronisk lampe. Katoden varmes opp og elektronene får nok energi til å "hoppe" til anoden, og skaper en elektrisk strøm.
- Termisk fotoelektrisk omformer. I dette tilfellet er en infrarød fotocelle koblet til varmekilden. Varmekilden sender ut fotoner, som fanges opp av en fotocelle og omdannes til elektrisitet.
- Termoelektrisk omformer som bruker alkalimetaller. Her brukes en elektrolytt laget av smeltet natrium- og svovelsalter for å omdanne varme til elektrisitet.
- En Stirling-motor er en varmemotor for å konvertere temperaturforskjeller til mekanisk arbeid. Elektrisitet hentes fra mekanisk arbeid ved hjelp av en slags generator.
Historie
Den første eksperimentelle radioisotopenergikilden ble introdusert i 1913. Men først i andre halvdel av XX århundre, med spredning av atomreaktorer, som kunne produsere isotoper i industriell skala, begynte RTGs å bli aktivt brukt.USA
I USA var SNAP-organisasjonen, allerede kjent for deg fra forrige innlegg, engasjert i RTG-er.SNAP-1.
Det var en eksperimentell 144 Ce RTG med en Rankine-syklusgenerator (dampmotor) med kvikksølv som kjølevæske. Generatoren jobbet med hell 2500 timer på jorden, men fløy ikke ut i verdensrommet.
SNAP-3.
Den første RTG-en som fløy ut i verdensrommet på navigasjonssatellittene Transit 4A og 4B. Effekt 2 W, vekt 2 kg, brukt plutonium-238. 
Sentry
RTG for en meteorologisk satellitt. Energieffekt 4,5 W, isotop - strontium-90.
SNAP-7.
En familie av bakkebaserte RTG-er for fyr, lysbøyer, værstasjoner, akustiske bøyer og lignende. Meget store modeller, vekt fra 850 til 2720 kg. Energieffekt - titalls watt. For eksempel SNAP-7D - 30 W med en masse på 2 tonn.
SNAP-9
Seriell RTG for transittnavigasjonssatellitter. Vekt 12 kg, elektrisk effekt 25 W.
SNAP-11
Eksperimentell RTG for Surveyor månelandingsstasjoner. Det ble foreslått å bruke isotopen curium-242. Elektrisk effekt - 25 W. Ikke brukt.
SNAP-19
Seriell RTG, brukt i en rekke oppdrag - Nimbus meteorologiske satellitter, sonder "Pioneer" -10 og -11, Mars landingsstasjoner "Viking". Isotop - plutonium-238, effekt ~ 40 W. 
SNAP-21 og -23
RTG-er for undervannsbruk på strontium-90.
SNAP-27
RTG-er for å drive det vitenskapelige utstyret til Apollo-programmet. 3,8 kg. plutonium-238 ga en energieffekt på 70 watt. Det månevitenskapelige utstyret ble slått av tilbake i 1977 (mennesker og utstyr på jorden krevde penger, men de var ikke nok). RTG-er for 1977 produserte fra 36 til 60 watt elektrisk kraft. 
MHW-RTG
Navnet står for "multisotwatt RTG". 4,5 kg. plutonium-238 ga 2400 watt termisk kraft og 160 watt elektrisk kraft. Disse RTG-ene var på Lincoln Experimental Satellites (LES-8,9) og har levert varme og elektrisitet til Voyagers i 37 år. For 2014 gir RTG-er omtrent 53 % av sin opprinnelige kapasitet. 
GPHS-RTG
Den kraftigste av rom-RTGene. 7,8 kg plutonium-238 ga 4400 watt termisk kraft og 300 watt elektrisk kraft. Den ble brukt på Ulysses-solsonden, Galileo- og Cassini-Huygens-probene og flyr til Pluto på New Horizons. 
MMRTG
RTG for nysgjerrighet. 4 kg plutonium-238, 2000 W termisk effekt, 100 W elektrisk kraft. 
Varm plutonium lampe kube.
RTG-er i USA med referanse i tid.
Sammendragstabell:
| Navn | Media (nummer på enheten) | Maksimal kraft | Isotop | Drivstoffvekt, kg | Full vekt, kg | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| elektrisk, W | Thermal, 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 | Kollektivtrafikk 5BN1 / 2 (1) | 25 | 525 | 238 Pu | ~1 | 12.3 |
| SNAP-19 |  Samtidig ble RTG-er veldig aktivt brukt i beacons, navigasjonsbøyer og annet bakkeutstyr - "BETA", "RTG-IEU"-serien og mange andre. DesignNesten alle RTG-er bruker termoelektriske omformere og har derfor samme design: PerspektiverAlle flygende RTG-er utmerker seg med en svært lav effektivitet - som regel er den elektriske kraften mindre enn 10% av den termiske kraften. Derfor lanserte NASA på begynnelsen av det 21. århundre ASRG-prosjektet - en RTG med Stirling-motor. En økning i effektiviteten var forventet opp til 30 % og 140 W elektrisk kraft ved 500 W termisk effekt. Dessverre ble prosjektet stoppet i 2013 på grunn av overbudsjett. Men teoretisk sett kan bruken av mer effektive varme-til-elektrisitetsomformere øke effektiviteten til RTG-er alvorlig.Fordeler og ulemperFordeler:
Kombinasjonen av slike fordeler og ulemper betyr at RTG-er og varmeenheter okkuperer sin nisje innen romkraftteknikk og vil beholde den i fremtiden. De gjør det mulig enkelt og effektivt å varme og levere strøm til interplanetariske kjøretøy, men man bør ikke forvente noe energigjennombrudd fra dem. Kilder tilI tillegg til Wikipedia ble følgende brukt:
| |||||
Radioisotopenergikilder er enheter som bruker energien som frigjøres under radioaktivt forfall til å varme opp kjølevæsken eller konvertere den til elektrisitet.
Radioisotop termoelektriske generatorer
(radioisotop termoelektrisk generator (RTG, RITEG)
En radioisotop termoelektrisk generator (RTG) konverterer den termiske energien som frigjøres under det naturlige forfallet av radioaktive isotoper til elektrisitet.
RTG-er består av to hovedelementer: en varmekilde, som inneholder en radioaktiv isotop, og faststoff-termoelementer, som omdanner den termiske energien fra plutoniumforfall til elektrisitet. Termoelementer i en RTG bruker varmen fra nedbrytningen av en radioaktiv isotop til å varme den varme siden av termoelementet og avkjøle rommet eller planetatmosfæren for å produsere en lav temperatur på den kalde siden.
Sammenlignet med atomreaktorer er RTG-er mye mer kompakte og strukturelt enklere. Utgangseffekten til RTG er svært lav (opptil flere hundre watt) og lav effektivitet. På den annen side har de ingen bevegelige deler og er vedlikeholdsfrie over hele levetiden, som kan gå inn i flere tiår.
I en forbedret type RTG - The Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG), som har kommet i bruk nylig, er sammensetningen av termoelementet endret. I stedet for SiGe bruker MMRTG PbTe / TAGS (Te, Ag, Ge, Sb) for termoelementer.
MMRTG er designet for å produsere 125 watt strøm ved starten av et oppdrag, og falle til 100 watt etter 14 år. Med en masse på 45 kg gir MMRTG ca 2,8 W / kg strøm ved begynnelsen av livet. MMRTG-designen er i stand til å operere både i vakuumet i det ytre rom og i planetariske atmosfærer, for eksempel på overflaten av Mars. MMRTG gir en høy grad av sikkerhet, minimerer vekt og optimaliserer effektnivåer for en levetid på minimum 14 år.
NASA jobber også med en ny RTG-teknologi kalt Advanced Stirling Radioisotope Generator ASRG. ASRG, som MMRTG, konverterer forfallsvarmen til plutonium-238 til elektrisitet, men bruker ikke termoelementer. I stedet får forfallets varme gassen til å utvide seg og oscillere et stempel som en bilmotor. Dette beveger magneten frem og tilbake gjennom spolen over 100 ganger per sekund, og genererer elektrisitet til romfartøyet. Mengden elektrisitet som genereres er mer enn MMRTG, med omtrent 130 watt, med mye mindre plutonium-238 (ca. 3,6 kg mindre). Dette er resultatet av en mer effektiv konvertering av Stirling-syklusen. Hvis et oppdrag krever mer energi, kan flere ASRG-er brukes til å generere mer energi. Per i dag er det ingen planlagte oppdrag som skal bruke ASRG, men de utvikles for et 14 år langt oppdrag.
Det er et konsept med subkritiske RTG-er. En subkritisk generator består av en nøytronkilde og spaltbart materiale med så stor kritisk masse som mulig. Kildenøytronene fanges opp av atomene i det spaltbare materialet og forårsaker deres fisjon. Et veldig viktig sted i valget av en fungerende isotop spilles av dannelsen av en datterisotop som er i stand til å frigjøre betydelig varme, siden kjernefysisk transformasjonskjede forlenges under forfall og følgelig øker den totale energien som kan brukes. Det beste eksemplet på en isotop med en lang forfallskjede og med en størrelsesorden større energifrigjøring enn de fleste andre isotoper er uran-232. Hovedfordelen med en slik generator er at nedbrytningsenergien til reaksjonen med nøytronfangst kan være mye høyere enn energien til spontan fisjon. Følgelig er den nødvendige mengden av stoffet mye lavere. Antall henfall og strålingsaktivitet når det gjelder varmeavgivelse er også lavere. Dette reduserer vekten og dimensjonene til generatoren.
Dessverre er kravene til egenskapene til radioisotoper som brukes i RTG-er ofte motstridende. For å opprettholde kraften lenge nok til å fullføre oppgaven, må halveringstiden til radioisotopen være lang nok. På den annen side må den ha tilstrekkelig høy volumetrisk aktivitet for å oppnå en betydelig energifrigjøring i et begrenset volum av installasjonen. Dette betyr at halveringstiden ikke bør være for kort, fordi den spesifikke aktiviteten er omvendt proporsjonal med nedbrytningsperioden.
Radioisotopen må ha en praktisk type ioniserende stråling for avhending. Gammastråling og nøytroner forlater strukturen ganske lett, og bærer bort en merkbar del av forfallsenergien. Selv om høyenergielektroner av β-forfall er godt forsinket, dannes det i dette tilfellet bremsstrahlung røntgenstråling, som frakter bort en del av energien. I tillegg krever gamma-, røntgen- og nøytronstråling ofte spesielle designtiltak for å beskytte personell (hvis tilstede) og utstyr i nærheten.
Alfastråling foretrekkes for generering av radioisotopenergi.
En viktig rolle i valget av en radioisotop er dens relative billighet og enkle produksjon.
Typiske halveringstider for radioisotoper brukt i RTG-er er flere tiår, selv om isotoper med kortere halveringstid kan brukes til spesialiserte applikasjoner.
Strømforsyninger med lav effekt og små radioisotoper
Beta-voltaiske strømforsyninger
(Betavoltaiske strømkilder)
Det finnes også ikke-termiske generatorer, som i prinsippet ligner på solcellepaneler. Dette er beta-galvaniske og optoelektriske kilder. De er små i størrelse og er designet for å drive enheter som ikke krever høy effekt.
I en beta-voltaisk strømforsyning sender isotopkilden ut beta-partikler som samler seg på halvlederen. Som et resultat genereres en konstant strøm. Energikonverteringsprosessen, som ligner på en fotovoltaisk (solcelle) celle, skjer effektivt selv under ekstreme miljøforhold. Ved å velge mengde og type isotop kan du lage en konfigurerbar strømforsyning med gitt utgang og levetid. Disse batteriene gir praktisk talt ingen gammastråler, og myk betastråling fanges opp av batterihuset og fosforlaget. Beta-voltaiske kilder har høy energitetthet og ultralav effekt. Dette gjør at den beta-voltaiske enheten kan fungere lenger enn kondensatorer eller batterier for enheter med lav effekt. Arbeidsvarigheten, for eksempel en beta-voltaisk kilde på prometiumoksid, er omtrent to og et halvt år, og 5 mg prometiumoksid gir en energi på 8 W. levetiden til beta-voltaiske kilder kan overstige 25 år.
|
Beta-voltaisk effekt. Driften av en beta-voltaisk omformer er basert på det faktum at elektroner eller høyenergipositroner som sendes ut under forfall, faller inn i regionen p-n overgang av en halvlederskive, genererer der et elektron-hull-par, som deretter er romlig atskilt av et romladningsområde (SCR). Som en konsekvens, på n og p- overflatene til halvlederskiven, oppstår det en elektrisk potensialforskjell. I prinsippet ligner konverteringsmekanismen den som er implementert i halvledersolceller, men med erstatning av fotonbestråling med bestråling med elektroner eller positroner av beta-nedbrytning av radionuklider. |
Piezoelektrisk radioisotop mikroelektrisk generator
(The Radioisotope Thin-film Mkropower Generator)
Hjertet til dette batteriet er en cantilever, en tynn piezo-krystallinsk plate. En samler på spissen av utkrageren fanger opp ladede partikler som sendes ut fra en tynnfilm radioaktiv kilde. På grunn av bevaring av ladning forblir radioisotopfilmen med like og motsatte ladninger. Dette fører til elektrostatiske krefter mellom cantileveren og den radioaktive kilden, bøyning av cantileveren og konvertering av energien som sendes ut av kilden til lagret mekanisk energi. Utkragingen bøyer seg mer og mer og til slutt kommer spissen av utkragingen i kontakt med den radioaktive tynnfilmen, og de akkumulerte ladningene nøytraliseres ved hjelp av ladningsoverføring. Dette skjer med jevne mellomrom. Ved å undertrykke den elektrostatiske kraften frigjøres utkragingen. Den plutselige utløsningen eksiterer vibrasjoner som resulterer i ladninger indusert i det piezoelektriske elementet ved bunnen av utkragingen. AC-signalet fra den piezoelektriske strømforsyningen kan brukes direkte over lastimpedansen eller likerettes med dioder og filtreres gjennom en ekstern kondensator. Forspenningen som heves på denne måten brukes til å drive laveffektsensorer og elektronikk.
Hovedanvendelsesfeltet for isotopkilder er romforskning. Studiet av "deep space" uten bruk av radioisotopgeneratorer er umulig, siden i betydelig avstand fra solen er nivået av solenergi som kan brukes til å generere elektrisitet nødvendig for drift av utstyr og overføring av radiosignaler svært lite . Kjemiske kilder kom også til kort.
På jorden har radioisotopkilder funnet anvendelse i navigasjonsfyr, radiofyr, værstasjoner og lignende utstyr installert i områder hvor det av tekniske eller økonomiske årsaker ikke var mulig å bruke andre strømkilder. Spesielt ble flere typer termoelektriske generatorer produsert i USSR. De brukte 90 Sr og 238 Pu som radioaktive isotoper. De har imidlertid en svært lang periode for å oppnå sikker aktivitet. De har nådd en levetid på 10 år og må nå kasseres. For tiden, på grunn av risikoen for lekkasje av stråling og radioaktive materialer, har praksisen med å installere uovervåkede radioisotopkilder på utilgjengelige steder blitt avviklet.
Radioisotopenergikilder brukes der det er nødvendig for å sikre autonomi til utstyrets drift, kompakthet og pålitelighet.
Radioisotoper og deres bruk
Med utviklingen og veksten av kjernekraft faller prisene på de viktigste generatorisotopene raskt, og produksjonen av isotoper øker raskt. Samtidig reduseres kostnadene for isotoper oppnådd ved bestråling (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242, etc.) litt. I den forbindelse søkes det metoder for mer rasjonelle ordninger for målbestråling, for en grundigere opparbeiding av bestrålt brensel. Store forhåpninger om å utvide produksjonen av syntetiske isotoper er forbundet med veksten av den raske reaktorsektoren. Spesielt er det nettopp raske nøytronreaktorer som bruker betydelige mengder thorium som gjør det mulig å håpe på å få tak i store kommersielle mengder uran-232.
Ved å bruke isotoper er problemet med deponering av brukt kjernebrensel i stor grad løst, og radioaktivt avfall fra farlig avfall blir ikke bare til en ekstra energikilde, men også til en betydelig inntektskilde. Nesten fullstendig reprosessering av bestrålt brensel er i stand til å generere pengemidler som kan sammenlignes med kostnadene for energi generert ved fisjon av uran, plutonium og andre elementer.
Plutonium-238, curium-244 og strontium-90 er de mest brukte isotopene. I tillegg til dem brukes rundt 30 flere radioaktive isotoper innen teknologi og medisin.
| Isotop | Mottar (kilde) | Spesifikk kraft for en ren isotop. W/g | T 1/2 |
|---|---|---|---|
| 60 Co | Bestråling i reaktoren | 2.9 | 5.271 år |
| 238 Pu | kjernereaktor | 0.568 | 87,7 år |
| 90 Sr | fisjonsfragmenter | ~2.3 | 28,8 år |
| 144 Ce | fisjonsfragmenter | 2.6 | 285 dager |
| 242 cm | kjernereaktor | 121 | 162 dager |
| 147 | fisjonsfragmenter | 0.37 | 2,64 år |
| 137 Cs | fisjonsfragmenter | 0.27 | 33 år |
| 210 po | bestråling av vismut | 142 | 138 dager |
| 244 cm | kjernereaktor | 2.8 | 18,1 år |
| 232 U | thoriumbestråling | 8.097 | 68,9 år |
| 106 Ru | fisjonsfragmenter | 29.8 | ~ 371,63 dager |
238 Pu 238 Pu har en halveringstid på 87,7 år (et effekttap på 0,78 % per år), en spesifikk effekt for en ren isotop på 0,568 W/g, og eksepsjonelt lave nivåer av gamma- og nøytronstråling. 238 Pu har de laveste kravene til skjerming. Mindre enn 25 mm blyskjerming er nødvendig for å blokkere 238 Pu-stråling. 238 Pu har blitt det mest brukte drivstoffet for RTG-er, i form av plutoniumoksid (PuO 2).
I midten av forrige århundre ble 236 Pu og 238 Pu brukt til produksjon av radioisotopelektriske batterier for å drive pacemakere hvis levetid nådde 5 år eller mer. Imidlertid begynte de snart å bruke ikke-radioaktive litiumbatterier i stedet, med en levetid på opptil 17 år.
238 Pu må syntetiseres spesielt; den er liten (~ 1% - 2%) i kjernefysisk avfall, dens isotopseparasjon er vanskelig. Rent 238 Pu kan oppnås for eksempel ved bestråling med 237 Np nøytroner.
Curium. De to isotopene 242 Cm og 244 Cm er alfa-emittere (energi 6 MeV); De har relativt korte halveringstider på 162,8 dager og 18,1 år og produserer opptil 120 W/g og
2,83 W / g termisk energi, henholdsvis. Curium-242 i form av et oksid brukes til å produsere kompakte og ekstremt kraftige radioisotopenergikilder. Imidlertid er 242 Cm veldig dyrt (omtrent 2000 USD per gram). De siste årene har den tyngre isotopen av curium, 244 Cm, blitt mer og mer populær. Siden begge disse isotopene er praktisk talt rene alfa-emittere, er ikke problemet med strålevern akutt.
90 Sr. 90 Sr β-emitter med ubetydelig γ-emisjon. Dens halveringstid på 28,8 år er mye kortere enn for 238 Pu. En kjede med to β-forfall (90 Sr → 90 Y → 90 Zr) gir en total energi på 2,8 MeV (ett gram gir ~ 0,46 W). Siden energiutbyttet er lavere, når det lavere temperaturer enn 238 Pu, noe som fører til en reduksjon i effektiviteten til termoelektrisk konvertering. 90 Sr er et kjernefysisk fisjonsprodukt og er tilgjengelig i store mengder til lav pris. Strontium er en kilde til svært permeabel ioniserende stråling, som stiller relativt høye krav til biologisk beskyttelse.
210
Po. 210 Po har en halveringstid på bare 138 dager med en enorm innledende varmeavgivelse på 142 W/g. Dette er en praktisk ren alfa-emitter. På grunn av sin korte halveringstid er 210 Po dårlig egnet for RTG-er, men brukes til å lage kraftige og kompakte varmekilder (et halvt gram polonium kan varmes opp til 500 ° C). Standardkilder med en termisk effekt på 10 W ble installert i romfartøyer som "Kosmos" og på "Lunokhod" som varmekilde for å opprettholde normal funksjon av utstyret i instrumentrommet.
210 Po er også mye brukt der aktive antistatiske midler er nødvendig. På grunn av den korte halveringstiden krever avhending av brukte enheter med 210 Po ingen spesielle tiltak. I USA er det tillatt å kaste dem i vanlig søppel.
Ved bruk av alfa-aktive isotoper med høy spesifikk energifrigjøring er det ofte nødvendig å fortynne arbeidsisotopen for å redusere varmeavgivelsen. I tillegg er polonium svært flyktig, og krever etablering av en sterk kjemisk binding med ethvert element. Bly, yttrium, gull er foretrukket som slike elementer, siden de danner ildfaste og holdbare polonider.
241 Am. På grunn av underskuddet på 238 Pu, kan 241 Am bli et alternativ til det som drivstoff for RTG-er. 241 Am har en halveringstid på 432 år. Det er praktisk talt en ren alfa-emitter. 241 Am finnes i atomavfall og er nesten isotopisk rent. Imidlertid er den spesifikke kraften til 241 Am bare 1/4 av den spesifikke kraften til 238 Pu. I tillegg sendes det ut mer penetrerende stråling fra nedbrytningsproduktene til 241 Am og det kreves bedre skjerming. Kravene til strålingsskjerming for 241 Am er imidlertid ikke mye strengere enn for 238 Pu.
241 Am er mye brukt i røykvarslere. Ioniseringsrøykvarsleren bruker et lite stykke americium-241. Det luftfylte rommet mellom de to elektrodene skaper et kammer som lar en liten likestrøm flyte mellom elektrodene. Hvis røyk eller varme kommer inn i kammeret, avbrytes den elektriske strømmen mellom elektrodene og en alarm utløses. Denne røykvarsleren er rimeligere enn andre enheter.
63 Ni. 63 Ni ren β - emitter. Maksimal elektronenergi er 67 keV, halveringstiden er 100,1 L. På begynnelsen av 2000-tallet ble det utviklet batterier basert på 63 Ni i USA og Russland. Enhetene har en levetid på over 50 år, og dimensjonene er mindre enn én kubikkmillimeter. Den beta-voltaiske effekten brukes til å generere elektrisitet. Det arbeides også med å lage en piezoelektrisk radioisotopgenerator. Slike batterier kan brukes i nevro- og pacemakere.
144 Ce. Varmekilde - 144 Ce. 144 Ce ren β - emitter. Halveringstiden til 144 Ce er 285 dager, den spesifikke effekten for en ren isotop er 2,6 W/g. RTG er beregnet på å drive radiosendere og automatiske værstasjoner. Standardeffekten er 200 watt.
Radioisotoper er mye brukt i en blanding med fosfor for å gi en konstant glød i kontrollenheter om bord på kjøretøy, i klokker, lanterner på polare flyplasser og i navigasjonsskilt, og til og med i juletrepynt. Tidligere var den mest brukte for dette 226 Ra, som har en halveringstid på 1620 år. Av hensyn til strålesikkerheten har imidlertid ikke radium vært brukt til dette formålet siden 1970-tallet. I dag brukes myke beta-emittere oftest til disse formålene: promethium (147 Pm T 1/2 = 2,64 år), krypton (85 Kr T 1/2 = 10,8 år) og tritium (3 H T 1/2 = 12,3 år) . Selvfølgelig er halveringstiden deres små, men deres ioniserende stråling trenger ikke inn i skallene til enhetene.