Radyoizotop termoelektrik jeneratörü - Radioisotope thermoelectric generator

Cassini sondasında kullanılan bir RTG'nin diyagramı

Bir radyoizotop termoelektrik jeneratörler ( RTG , RITEG ) bir tür çekirdek pil bir dizi kullanan termokupl dönüştürmek için bozunma ile ısıyı uygun bir radyoaktif materyalin elektrik ile Seebeck etkisi . Bu tip jeneratörün hareketli parçası yoktur.

RTG'ler uydularda , uzay sondalarında ve Sovyetler Birliği tarafından Kuzey Kutup Dairesi içinde inşa edilen bir dizi deniz feneri gibi mürettebatsız uzak tesislerde güç kaynağı olarak kullanılmıştır . RTG'ler, yakıt pilleri , piller veya jeneratörlerin ekonomik olarak sağlayamayacakları kadar uzun süreler için birkaç yüz watt (veya daha az) güce ihtiyaç duyan ve güneş pillerinin pratik olmadığı yerlerde genellikle en çok arzu edilen güç kaynağıdır . RTG'lerin güvenli kullanımı , ünitenin üretken ömründen çok sonra radyoizotopların tutulmasını gerektirir . RTG'lerin maliyeti, kullanımlarını nadir veya özel durumlarda niş uygulamalarla sınırlama eğilimindedir.

Tarih

Bir pelet 238 Pu O 2 için RTG kullanılan Cassini ve Galileo görevlerine. Bu fotoğraf, pelet birkaç dakika grafit battaniye altında yalıtıldıktan ve ardından battaniye çıkarıldıktan sonra çekildi . Radyoaktif bozunma (öncelikle α) tarafından üretilen ısı nedeniyle pelet kırmızı renkte parlıyor . İlk çıkış 62 watt'tır.

RTG 1954 yılında Mound Laboratories bilim adamları Ken Jordan ve John Birden tarafından icat edildi . Onlar içine müzeye edilmiştir Fame Ulusal Mucitler Hall 2013 Ürdün ve Birden (R-65-8- 998 11-SC-03-91) Ocak 1957 1 tarihinde başlayan radyoaktif üzerine araştırmalar yürüten bir ordu Sinyal Birlikleri sözleşme üzerinde çalıştı ısı kaynağı olarak polonyum-210 kullanılarak ısının elektrik enerjisine doğrudan dönüştürülmesi için uygun malzemeler ve termokupllar . RTGs tarafından 1950'li yılların sonunda ABD'de geliştirilmiştir Höyük Laboratories içinde Miamisburg, Ohio ile sözleşme altında, Amerika Birleşik Devletleri Atom Enerjisi Komisyonu . Proje Dr. Bertram C. Blanke tarafından yönetildi.

Amerika Birleşik Devletleri tarafından uzaya fırlatılan ilk RTG , 1961'de Navy Transit 4A uzay aracında 96 gram plütonyum-238 metal tarafından desteklenen SNAP 3B idi . RTG'lerin ilk karasal kullanımlarından biri, 1966'da ABD Donanması tarafından Alaska'daki ıssız Fairway Rock'ta yapıldı . RTG'ler bu sitede 1995 yılına kadar kullanıldı.

Yaygın bir RTG uygulaması, uzay aracı güç kaynağıdır. Güneş'ten çok uzaklara seyahat eden ve güneş panellerini pratik olmayan hale getiren sondalar için Nükleer Yardımcı Güç (SNAP) birimleri için sistemler kullanıldı . Bu şekilde Pioneer 10 , Pioneer 11 , Voyager 1 , Voyager 2 , Galileo , Ulysses , Cassini , New Horizons ve Mars Bilim Laboratuvarı ile birlikte kullanıldılar . RTG'ler, iki Viking iniş aracına güç sağlamak ve Apollo 12 ila 17 (SNAP 27s) ekipleri tarafından Ay'da bırakılan bilimsel deneyler için kullanıldı . Çünkü Apollo 13 Ay iniş iptal edildi, onun RTG dayanakları Güney Pasifik Okyanusu çevresinde, Tonga Trench . Nimbus , Transit ve LES uyduları için de RTG'ler kullanıldı . Karşılaştırıldığında, tam teşekküllü nükleer reaktörler kullanılarak yalnızca birkaç uzay aracı fırlatıldı : Sovyet RORSAT serisi ve Amerikan SNAP-10A .

Uzay aracına ek olarak, Sovyetler Birliği , 1980'lerin sonlarında Sovyet kutup kıyılarındaki mürettebatsız deniz fenerlerine ve navigasyon fenerlerine güç sağlamak için 1007 RTG inşa etti . Sovyetler Birliği'nde çok çeşitli amaçlar için birçok farklı tipte RTG inşa edildi. 1991'de Sovyetler Birliği'nin dağılmasından sonra deniz fenerleri uzun yıllar bakımsız kaldı . RTG birimlerinden bazıları bu süre zarfında ya yağmalama ya da buz/fırtına/deniz doğal güçleri tarafından ortadan kayboldu . 1996 yılında, Rus ve uluslararası destekçiler tarafından deniz fenerlerindeki RTG'lerin hizmet dışı bırakılması için bir proje başlatıldı ve 2021 yılına kadar tüm RTG'ler kaldırıldı.

1992'den itibaren, Birleşik Devletler Hava Kuvvetleri, uzaktan Arctic ekipmanına güç sağlamak için RTG'leri de kullandı ve ABD hükümeti, dünya çapında uzak istasyonlara güç sağlamak için bu tür yüzlerce ünite kullandı. Ağırlıklı olarak Alaska'da bulunan Top-ROCC ve SEEK IGLOO radar sistemleri için algılama istasyonları , RTG'leri kullanır. Birimler stronsiyum-90 kullanıyor ve bu tür birimlerin çoğu hem yerde hem de okyanus tabanında , uzay gemilerinde kullanılandan daha fazla sayıda konuşlandırıldı ; kamu düzenleyici belgeler, ABD'nin savaş sırasında en az 100-150 konuşlandırdığını öne sürüyor. 1970'ler ve 1980'ler.

Geçmişte, çok uzun bir "pil ömrü" sağlamak için implante kalp pillerinde küçük "plütonyum hücreleri" (çok küçük 238 Pu ile çalışan RTG'ler) kullanılıyordu . 2004 yılı itibariyle yaklaşık doksan hala kullanımdaydı. 2007'nin sonunda, sayının sadece dokuza düştüğü bildirildi. Höyük Laboratuvarı Kalp Pili programı 1 Haziran 1966'da NUMEC ile birlikte başladı. Yakma sırasında ısı kaynağının bozulmayacağı anlaşılınca, ünitelerin kullanıcılarının cesetleriyle birlikte yakılmamasının tamamen garanti altına alınmasının bir yolu olmadığı için 1972'de program iptal edildi.

Tasarım

Bir RTG'nin tasarımı, nükleer teknoloji standartlarına göre basittir : ana bileşen, radyoaktif bir malzemeden (yakıt) oluşan sağlam bir kaptır. Termokupllar , her bir termokuplun dış ucu bir ısı emiciye bağlı olacak şekilde kabın duvarlarına yerleştirilir . Yakıtın radyoaktif bozunması ısı üretir. Termokuplların elektrik üretmesini sağlayan, yakıt ile soğutucu arasındaki sıcaklık farkıdır.

Termokupl, Seebeck etkisini kullanarak termal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilen bir termoelektrik cihazdır . Her ikisi de elektriği iletebilen iki tür metalden (veya yarı iletkenden) yapılmıştır. Kapalı bir döngüde birbirlerine bağlanırlarsa ve iki bağlantı farklı sıcaklıklarda ise, döngüde bir elektrik akımı akacaktır. Tipik olarak, daha yüksek bir voltaj üretmek için çok sayıda termokupl seri olarak bağlanır.

yakıtlar

İzotop seçimi için kriterler

RTG'lerde kullanılan radyoaktif malzeme çeşitli özelliklere sahip olmalıdır:

  1. Onun yarı ömrü o zaman makul bir miktar için nispeten sabit oranda enerji yayınlayacak şekilde yeterince uzun olmalıdır. Belirli bir miktarın zaman ( güç ) başına salınan enerji miktarı, yarı ömür ile ters orantılıdır. İki katı yarı ömre ve bozunma başına aynı enerjiye sahip bir izotop, mol başına hızın yarısında gücü serbest bırakır . RTG'lerde kullanılan radyoizotopların tipik yarı ömürleri bu nedenle birkaç on yıldır, ancak daha kısa yarı ömürlü izotoplar özel uygulamalar için kullanılabilir.
  2. Uzay uçuşu kullanımı için yakıt, kütle ve hacim ( yoğunluk ) başına büyük miktarda güç üretmelidir . Boyut kısıtlamaları olmadıkça, yoğunluk ve ağırlık karasal kullanım için o kadar önemli değildir. Bozunma enerjisi radyoaktif radyasyon ya da radyoaktif bozunma önce ve sonra gerçekleşen kütle kaybı enerji biliniyorsa hesaplanabilir. Çürüme başına enerji salınımı, mol başına güç üretimi ile orantılıdır . Alfa bozunmaları genel olarak stronsiyum-90 veya sezyum-137'nin beta bozunmasından yaklaşık on kat daha fazla enerji salmaktadır .
  3. Radyasyon, kolayca emilen ve termal radyasyona, tercihen alfa radyasyonuna dönüştürülen bir tipte olmalıdır . Beta radyasyonu , bremsstrahlung ikincil radyasyon üretimi yoluyla önemli miktarda gama / X-ışını radyasyonu yayabilir ve bu nedenle ağır ekranlama gerektirir. İzotoplar, diğer bozunma modları veya bozunma zinciri ürünleri yoluyla genel olarak önemli miktarlarda gama, nötron radyasyonu veya nüfuz edici radyasyon üretmemelidir .

İlk iki kriter, olası yakıtların sayısını tüm nüklid tablosunda otuzdan az atomik izotopla sınırlar .

Plütonyum 238 , curium-244 ve stronsiyum-90 en çok anılan aday izotopları, ancak gibi izotoplar polonyumla-210 , prometyum-147 , sezyum-137 , seryum -144, rutenyum 106 , kobalt 60 , küriyum - 242, amerikyum -241 ve thulium izotopları da incelenmiştir.

Malzeme ekranlama Güç yoğunluğu (W/g) Yarı ömür (yıl)
238 Pu Düşük 0,54 0,54
 
87.7 87.7
 
90 Sr Yüksek 0.46 0.46
 
28.8 28.8
 
210 Po Düşük 140 140
 
0,378 0,378
 
241 am Orta 0.114 0.114
 
432 432
 

238 Pu

Plütonyum-238 , 87.7 yıllık bir yarı ömre, gram başına 0.57 watt'lık makul güç yoğunluğuna ve son derece düşük gama ve nötron radyasyon seviyelerine sahiptir. 238 Pu, en düşük ekranlama gereksinimlerine sahiptir. Sadece üç aday izotop son kriteri karşılar (hepsi yukarıda listelenmemiştir) ve radyasyonu engellemek için 25 mm'den daha az kurşun zırha ihtiyaç duyar . 238 Pu (bu üçünün en iyisi) 2,5 mm'den daha azına ihtiyaç duyar ve çoğu durumda 238 Pu RTG'de muhafazanın kendisi yeterli olduğundan ekranlamaya gerek yoktur . 238 Pu, RTG'ler için plütonyum(IV) oksit (PuO 2 ) formunda en yaygın kullanılan yakıt haline gelmiştir . Bununla birlikte, plütonyum (IV) '2.3x10 oranında oksijen radyasyonu nötron doğal bolluğu içeren oksit 3 N / sn / g plütonyum-238. Bu emisyon hızı, plütonyum-238 metalinin nötron emisyon hızına kıyasla nispeten yüksektir. Hafif element safsızlıkları içermeyen metal ~2.8x10 3 n/sn/g plütonyum-238 yayar . Bu nötronlar, plütonyum-238'in kendiliğinden fisyonuyla üretilir.

Metal ve oksidin emisyon oranlarındaki fark, esas olarak oksitte bulunan oksijen-18 ve oksijen-17 ile alfa, nötron reaksiyonundan kaynaklanmaktadır. Doğal halde bulunan oksijen-18'in normal miktarı %0.204 iken oksijen-17'ninki %0.037'dir. Plütonyum dioksitte bulunan oksijen-17 ve oksijen-18'in indirgenmesi, oksit için çok daha düşük bir nötron emisyon oranı ile sonuçlanacaktır; Bu, bir gaz fazı ile gerçekleştirilebilir 16 O 2 değişimi yöntemi. Düzenli üretim serisi 238 puo 2 hidroksit olarak çöktürülür partiküllerin büyük üretim partilerinde etkili bir olabileceğini göstermek için kullanılmıştır 16 O 2 rutin olarak -Değiştirmeli. Yüksek ateş 238 puo 2 mikroküreler başarıyla vardı 16 O 2 bir değişim önceki ısıl işlem tarihinin bakılmaksızın gerçekleşecek bu -Değiştirmeli gösteren 238 puo 2 . Puo nötron emisyonu oranının düşürülmesi bu 2 beş kat, normal oksijen içeren nedeniyle istikrarlı üretimi ile Höyük Laboratuvarı deneyimine kısmen, 1966 yılında Höyük Laboratuvarı'nda kalp pili araştırma sırasında keşfedildi üretimi için 1960 yılında başlayan, izotopları büyük ısı kaynaklarından gerekli olan koruma, bu işlem olmaksızın engelleyici olurdu.

Bu bölümde tartışılan diğer üç izotoptan farklı olarak 238 Pu, özel olarak sentezlenmelidir ve nükleer atık ürünü olarak bol miktarda bulunmaz. Şu anda yalnızca Rusya yüksek hacimli üretimi sürdürürken, ABD'de 2013 ve 2018 yılları arasında toplam 50 g'dan (1.8 oz) fazla üretilmemiştir. İlgili ABD ajansları, malzemenin üretimine şu oranda başlama arzusundadır: Yılda 300 ila 400 gram (11 ila 14 oz). Bu plan finanse edilirse, hedef, 2025 yılına kadar yılda ortalama 1,5 kg (3,3 lb) üretmek için otomasyon ve ölçek büyütme süreçlerini kurmak olacaktır.

90 Sr

Stronsiyum-90 , Sovyetler Birliği tarafından karasal RTG'lerde kullanılmıştır. 90 Sr, küçük γ emisyonu ile β emisyonu ile bozunur. 28,8 yıllık yarı ömrü 238 Pu'dan çok daha kısa olmakla birlikte, gram başına 0,46 watt güç yoğunluğu ile daha düşük bozunma enerjisine sahiptir. Enerji çıkışı daha düşük olduğu için 238 Pu'dan daha düşük sıcaklıklara ulaşır , bu da daha düşük RTG verimliliği ile sonuçlanır. 90 Sr, nükleer fisyonun yüksek verimli bir atık ürünüdür ve düşük fiyata büyük miktarlarda bulunur.

210 Po

İlk olarak 1958'de ABD Atom Enerjisi Komisyonu tarafından inşa edilen bazı prototip RTG'ler, polonyum-210 kullanmıştır . Bu izotop, yüksek bozunma hızı nedeniyle olağanüstü bir güç yoğunluğu sağlar (saf 210 Po, 140 W /g yayar ) , ancak 138 günlük çok kısa yarı ömrü nedeniyle sınırlı kullanıma sahiptir. Yarım gram 210 Po numunesi 500 °C'nin (900 °F) üzerindeki sıcaklıklara ulaşır. Po-210 saf bir alfa yayıcı olduğundan ve önemli gama veya X-ışını radyasyonu yaymadığından, ekranlama gereksinimleri de Pu-238'deki kadar düşüktür.

241 am

Americium-241 , 238 Pu'dan daha uzun bir yarı ömre sahip potansiyel bir aday izotoptur: 241 Am, 432 yıllık bir yarı ömre sahiptir ve varsayımsal olarak bir cihaza yüzyıllarca güç sağlayabilir. Bununla birlikte, 241 Am'lik güç yoğunluğu, 238 Pu'nun yalnızca 1/ 4'üdür ve 241 Am, bozunma zinciri ürünleri yoluyla 238 Pu'dan daha fazla nüfuz eden radyasyon üretir ve daha fazla korumaya ihtiyaç duyar. Bir RTG'deki ekranlama gereksinimleri üçüncü en düşüktür: yalnızca 238 Pu ve 210 Po daha az gerektirir. Mevcut küresel 238 Pu kıtlığı ile 241 Am, ESA tarafından RTG yakıtı olarak inceleniyor ve 2019'da İngiltere Ulusal Nükleer Laboratuvarı kullanılabilir elektrik üretimini duyurdu. 238 Pu'ya göre bir avantajı , nükleer atık olarak üretilmesi ve neredeyse izotopik olarak saf olmasıdır. Prototip tasarımları 241 Am RTG 2-2,2 W bekliyoruz e 5-50 W / kg E koyarak, RTG tasarımı 241 ile eşit Am RTGS 238 güç aralığında Pu RTG.

250 cm

Curium-250 , esas olarak alfa bozunmasından çok daha fazla enerji açığa çıkaran bir süreç olan spontan fisyonla bozunan en küçük transuranik izotoptur. Plutonium-238 ile karşılaştırıldığında, Curium-250 güç yoğunluğunun yaklaşık dörtte birini sağlar, ancak yarı ömrün 100 katıdır (~87 vs ~9000).

Ömür

90 Sr ile çalışan Sovyet RTG'leri harap durumda.

Çoğu RTG , 87.7 yıllık bir yarılanma ömrü ile bozulan 238 Pu kullanır . Bu nedenle, bu malzemeyi kullanan RTG'lerin güç çıkışı , yılda %0.787 olan 1 – (1/2) 1/87.7 faktörü kadar azalacaktır .

Bir örnek, Voyager probları tarafından kullanılan MHW-RTG'dir . 2000 yılında, üretimden 23 yıl sonra, RTG içindeki radyoaktif malzemenin gücü %16,6 azalmış, yani ilk çıkışının %83,4'ünü sağlamıştı; bi-metalik termokupl düşürücü özellikleri onu Voyager RTG güç sadece 392 W İlgili bir kaybı kapasitesine sahip bu süre sonra, 470 W'lık bir kapasiteye sahip olan başlangıç dönüştürmek için kullanılan termal enerji olarak elektrik enerjisinin ; RTG'ler, beklenen %83,4 yerine toplam orijinal kapasitelerinin yaklaşık %67'sinde çalışıyordu. 2001 yılının başında, Voyager RTG tarafından oluşturulan güç için W 315 düştü Voyager 1 ve 319 W Voyager 2 .

Çok Amaçlı Radyoizotop Termoelektrik Jeneratör

NASA geliştirmiştir çoklu görev radyoizotop termoelektrik jeneratörler termokupl ile kaplanacak olan (MMRTG) skutterudite , bir kobalt arsenit (CoA 3 akım daha küçük bir ısı farkı ile işlev görebilir), tellür tasarımları tabanlı. Bu, aksi takdirde benzer bir RTG'nin bir görevin başlangıcında %25 daha fazla güç ve on yedi yıl sonra en az %50 daha fazla güç üreteceği anlamına gelir. NASA, tasarımı bir sonraki New Frontiers görevinde kullanmayı umuyor .

Yeterlik

RTG'ler , radyoaktif malzemeden ısıyı elektriğe dönüştürmek için termoelektrik jeneratörler kullanır . Termoelektrik modüller, çok güvenilir ve uzun ömürlü olmalarına rağmen çok verimsizdir; %10'un üzerindeki verimlilikler hiçbir zaman elde edilememiştir ve çoğu RTG'nin verimliliği %3-7 arasındadır. Bugüne kadar uzay görevlerinde kullanılan termoelektrik malzemeler, silikon-germanyum alaşımları, kurşun tellür ve antimon, germanyum ve gümüş (TAGS) tellürlerini içeriyordu. Isıdan elektrik üretmek için diğer teknolojileri kullanarak verimliliği artırmaya yönelik çalışmalar yapılmıştır. Daha yüksek verim elde etmek, aynı miktarda güç üretmek için daha az radyoaktif yakıt gerektiği ve dolayısıyla jeneratör için daha hafif bir toplam ağırlık anlamına gelir. Bu, uzay uçuşu fırlatma maliyeti değerlendirmelerinde kritik derecede önemli bir faktördür.

Bir termiyonik dönüştürücü - termiyonik emisyon ilkesine dayanan bir enerji dönüşüm cihazı - %10-20 arasında verimlilik sağlayabilir, ancak standart RTG'lerin çalıştığından daha yüksek sıcaklıklar gerektirir. Bazı prototip 210 Po RTG'ler termiyonik kullanmıştır ve potansiyel olarak diğer aşırı radyoaktif izotoplar da bu yolla güç sağlayabilir, ancak kısa yarı ömürler bunları olanaksız kılar. Birkaç uzaya bağlı nükleer reaktör termiyonik kullanmıştır, ancak nükleer reaktörler genellikle çoğu uzay sondasında kullanılamayacak kadar ağırdır.

Termofotovoltaik hücreler , görünür ışıktan ziyade sıcak bir yüzeyden yayılan kızılötesi ışığı elektriğe dönüştürmeleri dışında, bir fotovoltaik hücre ile aynı prensiplerle çalışır . Termofotovoltaik hücreler, termoelektrik modüllerden (TEM'ler) biraz daha yüksek bir verime sahiptir ve kendi üzerlerine yerleştirilebilir, potansiyel olarak verimliliği ikiye katlayabilir. Elektrikli ısıtıcılar tarafından simüle edilen radyoizotop jeneratörlerine sahip sistemler %20'lik bir verim göstermiştir, ancak henüz radyoizotoplarla test edilmemiştir. Bazı teorik termofotovoltaik hücre tasarımları %30'a varan verimliliğe sahiptir, ancak bunlar henüz oluşturulmamış veya onaylanmamıştır. Termofotovoltaik hücreler ve silikon TEM'ler, özellikle iyonlaştırıcı radyasyon varlığında metal TEM'lerden daha hızlı bozunur.

Dinamik jeneratörler, RTG'lerin dönüşüm verimliliğinin dört katından fazla güç sağlayabilir. NASA ve DOE, ısıyı elektriğe dönüştürmek için lineer alternatörlere bağlı serbest pistonlu Stirling motorlarını kullanan Stirling Radyoizotop Jeneratörü (SRG) adlı yeni nesil radyoizotop yakıtlı bir güç kaynağı geliştiriyor . SRG prototipleri ortalama %23 verimlilik gösterdi. Jeneratörün sıcak ve soğuk uçları arasındaki sıcaklık oranını artırarak daha fazla verim elde edilebilir. Test ünitelerinde, temas etmeyen hareketli parçaların, bozulmayan eğilme yataklarının ve yağlama içermeyen ve hava geçirmez şekilde kapatılmış bir ortamın kullanılması, yıllar süren çalışma boyunca kayda değer bir bozulma göstermedi. Deneysel sonuçlar, bir SRG'nin bakım gerektirmeden onlarca yıl çalışmaya devam edebileceğini göstermektedir. Titreşim, dinamik dengelemenin uygulanması veya çift karşıt piston hareketinin kullanılmasıyla endişe kaynağı olarak ortadan kaldırılabilir. Bir Stirling radyoizotop güç sisteminin potansiyel uygulamaları, derin uzay, Mars ve Ay'a keşif ve bilim misyonlarını içerir.

SRG'nin artan verimliliği, aşağıdaki gibi termodinamik özelliklerin teorik bir karşılaştırmasıyla gösterilebilir. Bu hesaplamalar basitleştirilmiştir ve bu jeneratörlerde kullanılan radyoizotopların uzun yarı ömrü nedeniyle termal güç girişinin azalmasını hesaba katmaz. Bu analiz için varsayımlar, her iki sistemin de deneysel prosedürlerde gözlemlenen koşullar altında kararlı durumda çalıştığını içerir (kullanılan değerler için aşağıdaki tabloya bakın). Her iki jeneratör de mevcut verimliliklerini karşılık gelen Carnot verimlilikleriyle karşılaştırabilmek için ısı motorlarına basitleştirilebilir. Sistemin, ısı kaynağı ve ısı emici dışındaki bileşenler olduğu varsayılır.

η th ile gösterilen termal verim şu şekilde verilir:

burada asal sayılar ( ' ) zaman türevini gösterir.

Termodinamiğin Birinci Yasasının genel bir biçiminden, oran biçiminde:

Sistemin kararlı durumda çalıştığını varsayarsak ,

η inci , daha sonra, (SRG ya da 140 W / 500 W =% 28) 110 W / 2000 W =% 5.5 olduğu hesaplanır. Ek olarak, η II ile gösterilen İkinci Kanun verimi şu şekilde verilir:

burada η th, rev Carnot verimliliğidir, şu şekilde verilir:

burada T ısı emici dış sıcaklıktır (MMRTG (Multi-Mission RTG) için 510 K ve SRG için 363 K olarak ölçülmüştür) ve T ısı kaynağı , 823 K (1123) varsayılarak MMRTG'nin sıcaklığıdır. SRG için K). Bu, MMRTG için %14.46 (veya SRG için %41.37) İkinci Kanun verimi sağlar.

Emniyet

RTG'lerde kullanılan genel amaçlı ısı kaynağı modülleri yığınının şeması

Çalınması

RTG'lerde bulunan radyoaktif maddeler tehlikelidir ve hatta kötü amaçlar için kullanılabilir. Gerçek bir nükleer silah için zar zor faydalıdırlar , ancak yine de bir " kirli bomba " olarak hizmet edebilirler . Sovyetler Birliği kullanarak RTG tarafından desteklenmektedir birçok uncrewed fenerler ve navigasyon işaretleri inşa stronsiyum-90 ( 90 Sr). Çok güvenilirdirler ve sabit bir güç kaynağı sağlarlar. Çoğunun koruması yok, hatta çitleri veya uyarı işaretleri bile yok ve bu tesislerin bazılarının yerleri, yetersiz kayıt tutma nedeniyle artık bilinmiyor. Bir durumda, radyoaktif bölmeler bir hırsız tarafından açıldı. Başka bir olayda, Gürcistan , Tsalendzhikha Bölgesi'ndeki üç oduncu , kalkanları soyulmuş iki seramik RTG yetim kaynağı buldu ; ikisi daha sonra kaynakları sırtlarında taşıdıktan sonra ciddi radyasyon yanıkları ile hastaneye kaldırıldı. Birimler sonunda kurtarıldı ve izole edildi. Rusya'da bu tür yaklaşık 1.000 RTG bulunmaktadır ve bunların tümü, on yıllık tasarlanmış operasyonel ömürlerini çoktan aşmıştır. Bu RTG'lerin çoğu muhtemelen artık çalışmıyor ve sökülmeleri gerekebilir. Metal muhafazalarından bazıları, radyoaktif kirlenme riskine rağmen metal avcıları tarafından soyuldu.

Radyoaktif kirlilik

RTG'ler radyoaktif kontaminasyon riski taşır : yakıtı tutan kap sızdırırsa, radyoaktif malzeme çevreyi kirletebilir.

Uzay aracı için asıl endişe, fırlatma sırasında veya Dünya'ya yakın bir uzay aracının müteakip geçişi sırasında bir kaza meydana gelirse, atmosfere zararlı materyallerin salınabileceğidir; bu nedenle uzay gemilerinde ve başka yerlerde kullanımları tartışmalara yol açmıştır.

Ancak, mevcut RTG fıçı tasarımları ile bu olay olası görülmemektedir. Örneğin, 1997'de başlatılan Cassini-Huygens sondası için çevresel etki çalışması, görevin çeşitli aşamalarında kontaminasyon kazalarının olasılığını tahmin etti. Fırlatmayı takip eden ilk 3.5 dakika içinde 3 RTG'sinden (veya 129 radyoizotop ısıtıcı ünitesinden ) bir veya daha fazla radyoaktif salıma neden olan bir kazanın meydana gelme olasılığı 1.400'de 1 olarak tahmin edilmiştir; yörüngeye çıkışta daha sonra serbest kalma şansı 476'da 1'di; bundan sonra kazara salıverilme olasılığı keskin bir şekilde milyonda 1'in altına düştü. Fırlatma aşamalarında kontaminasyona neden olma potansiyeline sahip bir kaza meydana gelirse (uzay aracının yörüngeye ulaşamaması gibi), kontaminasyonun gerçekte RTG'lerden kaynaklanma olasılığı yaklaşık 10'da 1 olarak tahmin edildi. Fırlatma başarılı oldu ve Cassini -Huygens ulaştı Satürn .

Radyoaktif malzemenin salınma riskini en aza indirmek için yakıt, kendi ısı kalkanlarına sahip ayrı modüler ünitelerde depolanır. Bir iridyum metal tabakası ile çevrilidirler ve yüksek mukavemetli grafit bloklarla kaplanmıştır . Bu iki malzeme korozyona ve ısıya dayanıklıdır. Grafit blokları çevreleyen, tüm düzeneği Dünya atmosferine yeniden girme ısısına karşı korumak için tasarlanmış bir aeroshelldir. Plütonyum yakıtı ayrıca, buharlaşma ve aerosolizasyon riskini en aza indirerek ısıya dayanıklı seramik bir formda depolanır. Seramik ayrıca yüksek oranda çözünmezdir .

Plütonyum-238 bu RTG kullanılan bir sahiptir yarılanma ömrü içinde 24.110 yıl yarılanma ömrü aksine, 87,74 yıl plütonyum-239 kullanılan nükleer silahlar ve reaktörler . Daha kısa yarılanma ömrü bir sonucu olduğu plütonyum 238 plütonyum-239 yaklaşık 275 kat daha fazla radyoaktif olduğu (yani, 17.3 küri (640  GBq ) / gr 0.063 Curies (2.3 GBq) / g ile karşılaştırıldığında). Örneğin, 3,6  kg plütonyum-238, 1 ton plütonyum-239 ile saniyede aynı sayıda radyoaktif bozunmaya uğrar. Absorbe edilen radyoaktivite açısından iki izotopun morbiditesi neredeyse tamamen aynı olduğundan, plütonyum-238 ağırlık olarak plütonyum-239'dan yaklaşık 275 kat daha zehirlidir.

Her iki izotop tarafından yayılan alfa radyasyonu cilde nüfuz etmeyecek, ancak plütonyum solunduğunda veya yutulduğunda iç organları ışınlayabilir. Özellikle , yüzeyi izotopu emmesi muhtemel olan iskelet ve izotopun toplanıp konsantre olacağı karaciğer risk altındadır .

Kazalar

RTG ile çalışan uzay aracını içeren birkaç bilinen kaza olmuştur:

  1. İlki, 21 Nisan 1964'te ABD Transit-5BN-3 navigasyon uydusunun yörüngeye ulaşamadığı ve Madagaskar'ın kuzeyinde yeniden girişte yandığı bir fırlatma başarısızlığıydı . SNAP -9a RTG'sindeki 17.000 Ci (630 TBq) plütonyum metal yakıtı, yandığı Güney Yarımküre üzerinden atmosfere enjekte edildi ve birkaç ay sonra bölgede plütonyum-238 izleri tespit edildi. Bu olay, NASA Güvenlik Komitesi'nin gelecekteki RTG lansmanlarında bozulmamış yeniden giriş gerektirmesine neden oldu ve bu da boru hattındaki RTG'lerin tasarımını etkiledi.
  2. İkincisi, fırlatma aracı 21 Mayıs 1968'de fırlatıldıktan kısa bir süre sonra düzensiz yörünge nedeniyle kasıtlı olarak imha edilen Nimbus B-1 hava uydusuydu. Başlatılan Vandenberg Hava Kuvvetleri Base , nispeten atıl içeren kendi SNAP-19 RTG plütonyum dioksit içinde deniz tabanına bozulmamış geri kazanıldı , Santa Barbara Kanal beş ay sonra ve herhangi bir çevresel kirlenme tespit edildi.
  3. 1969'da ilk Lunokhod ay gezici görevinin başlatılması başarısız oldu ve polonyum 210'u Rusya'nın geniş bir alanına yaydı .
  4. Apollo 13 görevinin Nisan 1970'teki başarısızlığı , Ay Modülünün bir RTG taşıyarak atmosfere yeniden girdiği ve Fiji üzerinde yandığı anlamına geliyordu . İniş ayağındaki bir grafit fıçıda 44.500 Ci (1.650 TBq) plütonyum dioksit içeren bir SNAP-27 RTG taşıyordu ve bu, Dünya atmosferine yeniden girişten sağlam bir şekilde kurtuldu, bunu yapmak için tasarlandığı gibi, yörüngesi düşecek şekilde düzenlendi. su 6-9 kilometre içine Tonga siper içinde Pasifik Okyanusu . Atmosferik ve deniz suyu örneklemesinde plütonyum-238 kirliliğinin olmaması, fıçının deniz tabanında sağlam olduğu varsayımını doğruladı. Fıçının en az 10 yarı ömür (yani 870 yıl) boyunca yakıtı içermesi beklenir. ABD Enerji Bakanlığı, deniz suyu testleri yaptı ve yeniden girişe dayanacak şekilde tasarlanan grafit muhafazanın kararlı olduğunu ve plütonyum salınımı olmaması gerektiğini belirledi. Daha sonraki araştırmalar, bölgedeki doğal arka plan radyasyonunda bir artış bulamadı. Apollo 13 kazası, cis-ay uzayından (Dünya atmosferi ile Ay arasındaki bölge) dönen geminin yüksek yeniden giriş hızları nedeniyle aşırı bir senaryoyu temsil ediyor . Bu kaza, sonraki nesil RTG'lerin tasarımının son derece güvenli olduğunu doğrulamaya hizmet etti.
  5. Mars 96 , 1996 yılında Rusya tarafından fırlatıldı, ancak Dünya yörüngesinden çıkamadı ve birkaç saat sonra tekrar atmosfere girdi. Gemide toplam 200 g plütonyum taşıyan iki RTG'nin tasarlandığı gibi yeniden girişten sağ çıktıkları varsayılıyor. Şu anda , Şili'nin Iquique kentinin 32 km doğusunda merkezlenmiş, 320 km uzunluğunda ve 80 km genişliğinde, kuzeydoğu-güneybatı yönünde uzanan bir ovalde bir yerde uzandıkları düşünülüyor .
Apollo 14'ün astronotları tarafından konuşlandırılan bir SNAP -27 RTG , Apollo 13'ün yeniden girişinde kaybolanla aynı

Bir RTG, SNAP-19C , 1965'te Hindistan'daki Nanda Devi dağının zirvesinin yakınında, bir CIA'ya güç sağlamak için kurulmadan önce bir kar fırtınası karşısında dağın zirvesine yakın bir kaya oluşumunda depolandığında kayboldu. Çin roket test tesisinden telemetri toplayan uzaktan otomatik istasyon. Yedi kapsül, bir çığ tarafından dağdan bir buzulun üzerine taşındı ve asla kurtarılamadı. Büyük olasılıkla buzul boyunca eridiler ve toz haline getirildiler, bunun üzerine buzulun altında bir bulut halinde hareket eden 238 plütonyum zirkonyum alaşımı yakıtla oksitlenmiş toprak parçacıkları.

Sovyetler Birliği tarafından deniz fenerlerine ve fenerlere güç sağlamak için üretilen birçok Beta-M RTG, artık radyasyon kaynakları haline geldi . Bu birimlerin birçoğu, ( Sr-90 kaynağının tamamen açığa çıkmasıyla sonuçlanan) hurda metal için yasadışı olarak sökülmüştür , okyanusa düşmüştür veya kötü tasarım veya fiziksel hasar nedeniyle kusurlu kalkanlara sahiptir. Savunma Bakanlığı ABD kooperatif tehdit azaltma programı Beta-M RTG gelen malzeme tarafından kullanılabilir duyduğu endişeyi dile getirmiştir teröristlerin bir inşa etme kirli bomba .

Fisyon reaktörleri ile karşılaştırma

RTG'ler ve fisyon reaktörleri çok farklı nükleer reaksiyonlar kullanır.

Nükleer güç reaktörleri (uzayda kullanılan minyatür olanlar dahil), bir zincirleme reaksiyonda kontrollü nükleer fisyon gerçekleştirir . Reaksiyonun hızı, nötron soğuran kontrol çubukları ile kontrol edilebilir, bu nedenle güç, talebe göre değiştirilebilir veya bakım için tamamen kapatılabilir (neredeyse). Bununla birlikte, tehlikeli derecede yüksek güç seviyelerinde kontrolsüz çalıştırmayı, hatta patlamayı veya nükleer erimeyi önlemek için özen gösterilmesi gerekmektedir .

RTG'lerde zincirleme reaksiyonlar meydana gelmez. Isı, yalnızca yakıt izotopunun miktarına ve yarı ömrüne bağlı olarak ayarlanamayan ve sürekli azalan bir oranda kendiliğinden radyoaktif bozunma yoluyla üretilir . Bir RTG'de ısı üretimi talep ile değiştirilemez veya ihtiyaç olmadığında kapatılamaz ve güç tüketimini azaltarak daha sonra için daha fazla enerji tasarrufu yapmak mümkün değildir. Bu nedenle, en yüksek talebi karşılamak için yardımcı güç kaynaklarına (şarj edilebilir piller gibi) ihtiyaç duyulabilir ve bir uzay görevinin lansman öncesi ve erken uçuş aşamaları dahil olmak üzere her zaman yeterli soğutma sağlanmalıdır. Bir RTG ile nükleer erime veya patlama gibi olağanüstü arızalar imkansızdır, ancak roket patlarsa veya cihaz atmosfere yeniden girer ve parçalanırsa yine de radyoaktif kirlenme riski vardır.

Kritik altı çarpan RTG

Plütonyum-238 eksikliği nedeniyle, kritik altı reaksiyonlarla desteklenen yeni bir RTG türü önerilmiştir. Bu tür RTG'de, radyoizotoptan gelen alfa bozunması, berilyum gibi uygun bir elementle alfa-nötron reaksiyonlarında da kullanılır . Bu şekilde uzun ömürlü bir nötron kaynağı üretilir. Sistem 1'e yakın ancak daha düşük bir kritiklikle, yani K eff < 1 ile çalıştığından, nötron arka planını artıran ve fisyon reaksiyonlarından enerji üreten kritik altı bir çarpma elde edilir. RTG üretilen fissions sayısı her alfa bozunması 30 kat daha fazla enerji üzerinden her fisyon Reaksiyon bültenleri (200, çünkü (kendi gamma radyasyonu ihmal edilebilir hale getirmek) çok küçük olmasına rağmen  MeV 6 MeV ile karşılaştırıldığında) bir% 10 enerji artışından kadar, ulaşılabilir, bu da görev başına ihtiyaç duyulan 238 Pu'nun azalması anlamına gelir . Fikir, fizibilite çalışmaları için 2013 yılında Uzay Nükleer Araştırma Merkezi'ndeki (CSNR) Idaho Ulusal Laboratuvarı'na çevrilen yıllık NASA NSPIRE yarışması için 2012'de NASA'ya önerildi. Ancak temeller değiştirilmemiş.

Yıldızlararası sondalar için RTG

RTG, gerçekçi yıldızlararası öncü görevlerde ve yıldızlararası sondalarda kullanılmak üzere önerildi . Buna bir örnek, NASA'nın Yenilikçi Yıldızlararası Kaşif (2003-güncel) önerisidir. 2002'de bu tür bir görev için 241 Am kullanan bir RTG önerildi. Bu, yıldızlararası sondada görevin 1000 yıla kadar uzatılmasını destekleyebilir, çünkü güç çıkışı uzun vadede plütonyumdan daha yavaş düşecektir. Çalışmada, watt/gram, yarı ömür ve bozunma ürünleri gibi özelliklere bakarak RTG için diğer izotoplar da incelendi. 1999'dan bir yıldızlararası araştırma önerisi, üç gelişmiş radyoizotop güç kaynağının (ARPS) kullanılmasını önerdi.

RTG elektriği, bilimsel araçlara güç sağlamak ve sondalar üzerinde Dünya ile iletişim kurmak için kullanılabilir. Bir görev, iyon motorlarına güç sağlamak için elektriği kullanmayı önerdi ve bu yönteme radyoizotop elektrik tahriki (REP) adını verdi .

Elektrostatik destekli radyoizotop ısı kaynakları

Kendi kendine indüklenen elektrostatik alana dayalı radyoizotop ısı kaynakları için bir güç geliştirme önerilmiştir. Yazarlara göre, beta kaynakları kullanılarak %10'a varan iyileştirmeler elde edilebilir.

Modeller

Tipik bir RTG, radyoaktif bozunma ile çalışır ve termoelektrik dönüşümden elde edilen elektriğe sahiptir, ancak bilgi adına, bu konseptte bazı varyasyonlara sahip bazı sistemler buraya dahil edilmiştir.

Uzayda nükleer güç sistemleri

Bilinen uzay aracı/nükleer güç sistemleri ve akıbetleri. Sistemler çeşitli kaderlerle karşı karşıya, örneğin Apollo'nun SNAP-27'si Ay'da kaldı. Diğer bazı uzay gemilerinde de küçük radyoizotop ısıtıcılar bulunur, örneğin Mars Keşif Rover'larının her birinde 1 watt'lık radyoizotop ısıtıcı bulunur. Uzay aracı farklı miktarlarda malzeme kullanır, örneğin MSL Curiosity 4.8 kg plütonyum-238 dioksite sahipken Cassini uzay aracı 32.7 kg'a sahiptir.

İsim ve model Kullanıldığı tarih (kullanıcı başına RTG sayısı) Maksimum çıktı radyo-
izotop

Kullanılan maksimum yakıt (kg)
Kütle (kg) Güç/kütle (Elektrik W/kg)
Elektrik ( W ) Isı (W)
MMRTG MSL/ Merak gezgini ve Azim / Mars 2020 gezgini C. 110 C. 2000 238 Pu C. 4 <45 2.4
GPHS-RTG Cassini (3) , Yeni Ufuklar (1) , Galileo (2) , Ulysses (1) 300 4400 238 Pu 7.8 55.9-57.8 5.2–5.4
MHW-RTG LES-8/9 , Voyager 1 (3) , Voyager 2 (3) 160 2400 238 Pu C. 4.5 37.7 4.2
SNAP-3B Transit-4A (1) 2.7 52.5 238 Pu ? 2.1 1.3
SNAP-9A Geçiş 5BN1/2 (1) 25 525 238 Pu C. 1 12.3 2.0
SNAP-19 Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4) , Pioneer 11 (4) 40.3 525 238 Pu C. 1 13.6 2.9
değiştirilmiş SNAP-19 Viking 1 (2), Viking 2 (2) 42.7 525 238 Pu C. 1 15.2 2.8
SNAP-27 Apollo 12–17 ALSEP (1) 73 1,480 238 Pu 3.8 20 3.65
(fisyon reaktörü) Buk (BES-5) ** ABD-As (1) 3000 100.000 son derece zenginleştirilmiş 235 U 30 1000 3.0
(fisyon reaktörü) SNAP-10A*** SNAP-10A (1) 600 30.000 son derece zenginleştirilmiş 235 U 431 1.4
ASRG **** prototip tasarımı (başlatılmadı), Keşif Programı C. 140 (2x70) C. 500 238 Pu 1 34 4.1

** gerçekten bir RTG değil, BES-5 Buk ( БЭС-5 ) reaktörü, ısıyı doğrudan elektriğe dönüştürmek için yarı iletkenlere dayalı termokupllar kullanan hızlı bir üretici reaktördü.

*** gerçekten bir RTG değil, SNAP-10A zenginleştirilmiş uranyum yakıtı, moderatör olarak zirkonyum hidrit, sıvı sodyum potasyum alaşımlı soğutucu kullandı ve berilyum reflektörlerle etkinleştirildi veya devre dışı bırakıldı Elektrik üretimi için reaktör ısıyla beslenen bir termoelektrik dönüşüm sistemi.

**** gerçekten bir RTG değil, ASRG radyoizotop üzerinde çalışan bir Stirling güç cihazı kullanır (bkz. Stirling radyoizotop üreteci )

Karasal

İsim ve model Kullanmak Maksimum çıktı radyoizotop Kullanılan maksimum yakıt
(kg)
Kütle (kg)
Elektrik (W) Isı (W)
Beta-M Eski Sovyet mürettebatsız
deniz fenerleri ve fenerleri
10 230 90 Sr 0.26 560
Efir-MA 30 720 ? ? 1250
IEU-1 80 2200 90 Sr ? 2500
IEU-2 14 580 ? ? 600
Gong 18 315 ? ? 600
Gorn 60 1100 ? ? 1050
IEU-2M 20 690 ? ? 600
IEU-1M 120 (180) 2200 (3300) 90 Sr ? 2(3) × 1050
Nöbetçi 25 Uzak ABD arktik izleme siteleri 9-20 SrTiO 3 0,54 907–1814
Nöbetçi 100F 53 Sr 2 TiO 4 1.77 1234
Dalgalanma X Şamandıralar, Deniz Fenerleri 33 SrTiO 3 1500

Ayrıca bakınız

Referanslar

Notlar

Dış bağlantılar