Принцип работы ритэг – Радиоизотопный термоэлектрический генератор — Википедия. Что такое Радиоизотопный термоэлектрический генератор

Содержание

Радиоизотопный термоэлектрический генератор — Википедия

РИТЭ́Г (радиоизотопный термоэлектрический генератор) — радиоизотопный источник электроэнергии, использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующий её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.

По сравнению с ядерными реакторами, использующими цепную реакцию, РИТЭГ и значительно меньше, и конструктивно проще. Выходная мощность РИТЭГа весьма невелика (до нескольких сотен ватт) при небольшом КПД. Зато в них нет движущихся частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями.

РИТЭГ космического аппарата «New Horizons»

РИТЭГи применимы как источники энергии для автономных систем, удалённых от традиционных источников электроснабжения и нуждающихся в нескольких десятках-сотнях ватт при очень длительном времени работы, слишком долгом для топливных элементов или аккумуляторов.

В космосе[править | править код]

РИТЭГи являются основным источником электропитания на космических аппаратах, выполняющих продолжительное задание и сильно удаляющихся от Солнца (например «Вояджер-2» или «Кассини-Гюйгенс»), где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно.

Плутоний-238 в 2006 г. при запуске зонда «Новые горизонты» к Плутону нашёл своё применение в качестве источника питания для аппаратуры космического аппарата[1]. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида 238Pu, производящего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и, по расчётам, 200 Вт к концу)[2][3].

Зонды «Галилео» и «Кассини» были также оборудованы источниками энергии, в качестве топлива для которых служил плутоний[4]

. Марсоход «Curiosity» получает энергию благодаря плутонию-238[5]. Марсоход использует последнее поколение РИТЭГов, называемое Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Это устройство производит 125 Вт электрической мощности, а по истечении 14 лет — 100 Вт[6].

РИТЭГ SNAP-27, применявшийся в полёте «Аполлона-14» (в центре)

Несколько килограммов 238PuO2 использовались на некоторых полётах «Аполлонов» для электропитания приборов ALSEP. Генератор электроэнергии SNAP-27 (англ. Systems for Nuclear Auxiliary Power), тепловая и электрическая мощность которого составляла 1480 Вт и 63,5 Вт соответственно, содержал 3,735 кг диоксида плутония-238.

На Земле[править | править код]

РИТЭГи применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В частности, в СССР их использовали в качестве источников питания навигационного оборудования, установленного на побережье Северного Ледовитого океана вдоль трассы Северного морского пути. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГов в малодоступных местах прекратили.

В США РИТЭГи использовались не только для наземных источников питания, но и для морских буев и подводных установок. Например, в 1988 году СССР обнаружил два американских РИТЭГа рядом с советскими кабелями связи в Охотском море. Точное количество установленных США РИТЭГов неизвестно, оценки независимых организаций указывали 100—150 установок на 1992 год

[7].

Плутоний-236 и плутоний-238 применялся для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца (кардиостимулятор)[8][9]. По состоянию на 2003 г. в США было 50—100 человек, имеющих плутониевый кардиостимулятор[10]. До запрета на производство[источник не указан 1645 дней]плутония-238 в США, ожидалось, что его применение может распространиться на костюмы водолазов и космонавтов[11].

Радиоактивные материалы, используемые в РИТЭГах, должны соответствовать следующим характеристикам:

  • Достаточно высокая объёмная активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки. Минимальный объём ограничен тепловой и радиационной стойкостью материалов, слабоактивные изотопы ухудшают энергомассовое совершенство установки. Обычно это значит что период полураспада изотопа должен быть достаточно мал для высокой интенсивности распадов и распад должен давать достаточно много легкоутилизируемой энергии.
  • Достаточно длительное время поддержания мощности для выполнения задачи. Обычно это значит, что период полураспада изотопа должен быть достаточно велик для заданной скорости падения энерговыделения. Типичные времена полураспада изотопов, используемых в РИТЭГах, составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с коротким периодом полураспада могут быть использованы для специализированных применений.
  • Удобный для утилизации энергии вид ионизирующего излучения. Гамма-излучение легко вылетает из конструкции, унося с собой энергию распада. Относительно легко могут улетать также нейтроны. Образующиеся при β-распаде высокоэнергетичные электроны неплохо задерживаются, однако при этом образуется тормозное рентгеновское излучение, уносящее часть энергии. При α-распаде образуются массивные α-частицы, эффективно отдающие свою энергию практически в точке образования.
  • Безопасный для окружающей среды и аппаратуры вид ионизирующего излучения. Значительные гамма-, рентгеновское и нейтронное излучения зачастую требуют специальных конструктивных мер по защите персонала и близкорасположенной аппаратуры.
  • Относительная дешевизна изотопа и простота его получения в рамках имеющихся ядерных технологий.

Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами. Другие изотопы, такие как полоний-210, прометий-147, цезий-137, церий-144, рутений-106, кобальт-60, кюрий-242 и изотопы тулия были также изучены. Например, полоний-210 имеет период полураспада всего 138 дней при огромном начальном тепловыделении в 140 Вт на грамм. Америций-241 с периодом полураспада 433 года и тепловыделением 0,1 Вт/грамм

[12].

Плутоний-238 чаще всего применяется в космических аппаратах. Альфа-распад с энергией 5,5 МэВ (один грамм даёт ~0,54 Вт). Период полураспада 88 лет (потеря мощности 0,78 % в год) с образованием высокостабильного изотопа 234U. Плутоний-238 является почти чистым альфа-излучателем, что делает его одним из самых безопасных радиоактивных изотопов с минимальными требованиями к биологической защите. Однако получение относительно чистого 238-го изотопа требует эксплуатации специальных реакторов, что делает его дорогим[13][14].

Стронций-90 широко применялся в наземных РИТЭГах советского и американского производства. Цепочка из двух β-распадов даёт суммарную энергию 2,8 МэВ (один грамм дает ~0,46 Вт). Период полураспада 29 лет с образованием стабильного 90Zr. Стронций-90 получают из отработавшего топлива ядерных реакторов в больших количествах. Дешевизна и обилие этого изотопа определяет его широкое использование в наземном оборудовании. В отличие от плутония-238, стронций-90 создаёт значительный уровень ионизирующего излучения высокой проницаемости, что предъявляет относительно высокие требования к биологической защите

[14].

Существует концепция подкритических РИТЭГов[15][16]. Подкритический генератор состоит из источника нейтронов и делящегося вещества. Нейтроны источника захватываются ядрами делящегося вещества и вызывают их деление. Основное преимущество такого генератора в том, что энергия, выделяемая при реакции деления, гораздо выше энергии альфа-распада. Например, для плутония-238 это примерно 200 МэВ против 5,6 МэВ, выделяемых этим нуклидом при альфа-распаде. Соответственно, потребное количество вещества гораздо ниже. Количество распадов и радиационная активность в пересчёте на тепловыделение также ниже. Это снижает вес и размеры генератора.

Выведенные из эксплуатации РИТЭГи

Во времена СССР было изготовлено 1007 РИТЭГов для наземной эксплуатации. Почти все они делались на базе радиоактивного тепловыделяющего элемента с изотопом стронций-90 (РИТ-90). Тепловыделяющий элемент представляет собой прочную герметичную сварную капсулу, внутри которой находится изотоп. Выпускалось несколько вариантов РИТ-90 с разным количеством изотопа[17]. РИТЭГ оснащался одной или несколькими капсулами РИТ, радиационной защитой (зачастую на основе обеднённого урана), термоэлектрическим генератором, радиатором охлаждения, герметичным корпусом, электроцепями. Типы выпускавшихся в Советском Союзе РИТЭГов:

[17][18]

Тип Начальная активность, кКи Тепловая мощность, Вт Электрическая мощность, Вт КПД, % Масса, кг Год начала выпуска
Эфир-МА 104 720 30 4,167 1250 1976
ИЭУ-1 465 2200 80 3,64 2500 1976
ИЭУ-2 100 580 14 2,41 600 1977
Бета-М (англ.)русск. 36 230 10 4,35 560 1978
Гонг 47 315 18 5,714 600 1983
Горн 185 1100 60 5,455 1050 1983
ИЭУ-2М 116 690
20
2,899 600 1985
Сеностав 288 1870 1250 1989
ИЭУ-1М 340 2200 120 5,455 2100 1990

Срок службы установок может составлять 10—30 лет, у большинства из них он закончился. РИТЭГ представляет собой потенциальную опасность, так как размещается в безлюдной местности и может быть похищен, а затем использован в качестве грязной бомбы. Были зафиксированы случаи разукомплектации РИТЭГов охотниками за цветными металлами[19], при этом сами похитители получили смертельную дозу облучения[20].

В настоящее время проходит процесс их демонтажа и утилизации под надзором Международного агентства по атомной энергии и при финансировании США, Норвегии и других стран[17]. К началу 2011 года демонтировано 539 РИТЭГ

[21]. По состоянию на 2012 год 72 РИТЭГ эксплуатируются, 2 утеряны, 222 на хранении, 32 в процессе утилизации[22][23]. Четыре установки эксплуатировались в Антарктиде[24].

Новые РИТЭГи для навигационных нужд больше не производятся, вместо них устанавливаются ветроэнергетические установки и фотоэлектрические преобразователи[20], в некоторых случаях дизель‑генераторы. Эти устройства получили название АИП (альтернативные источники питания). Состоят из панели солнечных батарей (или ветрогенератора), набора необслуживаемых аккумуляторных батарей, светодиодного маяка (кругового или створного), программируемого электронного блока, который задает алгоритм работы маяка.

Требования к конструкции РИТЭГ[править | править код]

В СССР требования к РИТЭГ устанавливались ГОСТ 18696-90 «Генераторы радионуклидные термоэлектрические. Типы и общие технические требования». и ГОСТ 20250-83 «Генераторы радионуклидные термоэлектрические. Правила приёмки и методы испытаний».

  • Мощность эквивалентной дозы ионизирующего излучения на внешней поверхности РИТЭГ не должна превышать 2,0 мЗв/ч, а на расстоянии 1 м от неё — 0,1 мЗв/ч.
  • Конструкция РИТЭГ должна обеспечивать отсутствие выхода из него радионуклидов и сохранение защитных характеристик радиационной защиты при падении РИТЭГ на твёрдое основание с высоты 9 м, а также после воздействия на него температуры в 800 °C в течение 30 мин.
  • Температура всех доступных поверхностей РИТЭГ не должна превышать 80 °С[25].

Инциденты с РИТЭГ на территории СНГ[править | править код]

Источники данных — НКО «Беллона»[26] и МАГАТЭ[17]

Дата Место
1983, март Мыс Нутэвги, Чукотка Сильное повреждение РИТЭГа по пути к месту установки. Факт аварии был скрыт персоналом, обнаружен комиссией Госатомнадзора в 1997 году. По состоянию на 2005 год данный РИТЭГ был заброшен и оставался на мысе Нутэвги. По состоянию на 2012 год все РИТЭГи из Чукотского автономного округа вывезены[27].
1987 Мыс Низкий, Сахалинская обл. При транспортировке вертолёт уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1, который принадлежал Министерству обороны СССР. По состоянию на 2013 поисковые работы, с перерывами, продолжаются[28].
1997 Таджикистан, Душанбе Три отслуживших свой срок РИТЭГа хранились в разобранном неизвестными лицами виде на угольном складе в центре Душанбе, вблизи был зарегистрирован повышенный гамма-фон[29].
1997, август Мыс Марии, Сахалинская обл. При транспортировке вертолёт уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1 № 11 1995 года выпуска, который оставался на дне на глубине 25—30 м. Спустя 10 лет, 2 августа 2007 года РИТЭГ был поднят и отправлен на утилизацию[30][31]. Произведён внешний осмотр и замеры радиоактивного излучения. Результаты внешнего осмотра показали, что защитный корпус не поврежден, специалисты РХБЗ СГ ВМР[расшифровать] сделали заключение: мощность гамма-излучения и отсутствие радиоактивного загрязнения соответствуют нормальной радиационной обстановке[32]..
1998, июль Корсаковский порт, Сахалинская обл. В пункте приема металлолома обнаружен в разобранном виде РИТЭГ, принадлежащий Минобороны РФ.
1999 Ленинградская обл. РИТЭГ разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент (фон вблизи — 1000 Р/ч) был найден на автобусной остановке в Кингисеппе.
2000 Мыс Бараниха, Чукотка Естественный фон близ аппарата был превышен в несколько раз вследствие неисправности РИТЭГ.
2001, май Кандалакшский залив, Мурманская обл. С маяков на острове похищены 3 радиоизотопных источника, которые были обнаружены и отправлены в Москву.
2002, февраль Западная Грузия В районе села Лия Цаленджихского района местными жителями найдено два РИТЭГа, которые были ими использованы как источники тепла, а затем разобраны. В результате несколько человек получили высокие дозы облучения[33].
2003 о. Нунэанган, Чукотка Установлено, что внешнее излучение аппарата превышало допустимые пределы в 5 раз по причине недостатков в его конструкции.
2003 о. Врангеля, Чукотка Вследствие размыва берега установленный здесь РИТЭГ упал в море, где был замыт грунтом. В 2011 г. штормом выброшен на побережье. Радиационная защита аппарата не повреждена[34]. В 2012 вывезен с территории Чукотского автономного округа[27].
2003 мыс Шалаурова Изба, Чукотка Радиационный фон вблизи установки был превышен в 30 раз ввиду недостатка в конструкции РИТЭГ[35].
2003, март Пихлисаар, Ленинградская обл. РИТЭГ разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент был выброшен на ледовое покрытие. Горячая капсула со стронцием-90, проплавив лёд, ушла на дно, фон вблизи составил 1000 Р/ч. Капсула была вскоре найдена в 200 м от маяка.
2003, август Шмидтовский район, Чукотка Инспекция не обнаружила РИТЭГ типа «Бета-М» № 57 в месте установки у реки Кывэквын; по официальной версии предполагалось, что РИТЭГ был замыт в песок в результате сильного шторма или что он был похищен.
2003, сентябрь Остров Голец, Белое море Персонал Северного флота обнаружил хищение металла биологической защиты РИТЭГа на острове Голец. Была также взломана дверь в помещение маяка, где хранился один из наиболее мощных РИТЭГов с шестью элементами РИТ-90, которые украдены не были.
2003, ноябрь Кольский залив, губа Оленья и остров Южный Горячинский Два РИТЭГа, принадлежащие Северному флоту, разграблены охотниками за цветными металлами, а их элементы РИТ-90 найдены неподалеку.
2004 Приозерск, Казахстан Чрезвычайная ситуация, произошедшая вследствие несанкционированной разборки шести РИТЭГов.
2004, март с. Валентин, Приморский край РИТЭГ, принадлежащий Тихоокеанскому флоту, найден разобранным, по-видимому, охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент РИТ-90 обнаружен неподалеку.
Июль, 2004 Норильск На территории воинской части было обнаружено три РИТЭГа, мощность дозы на расстоянии 1 м от которых в 155 раз превышала естественный фон.
Июль, 2004 Мыс Наварин, Чукотка Механические повреждения корпуса РИТЭГа неизвестного происхождения, в результате чего произошла разгерметизация и часть радиоактивного топлива выпала наружу. Аварийный РИТЭГ вывезен на утилизацию в 2007 году, поражённые участки прилегающей территории были дезактивированы[36].
Сентябрь, 2004 Земля Бунге, Якутия Аварийный сброс двух перевозимых РИТЭГов с вертолёта. В результате удара о землю целостность радиационной защиты корпусов была нарушена, мощность дозы гамма-излучения вблизи места падения составляла 4 мЗв/ч.
2012 о. Лишний, Таймыр В месте установки РИТЭГа проекта «Гонг» обнаружены его обломки. Предполагается, что аппарат был смыт в море[24].
8 августа 2019 Полигон Нёнокса, Архангельская область По заявлениям СМИ, ЧП, унесшее жизни пяти человек, произошло при полигонных испытаниях перспективного ускорителя — жидкостной реактивной двигательной установки, на борту которой были смонтированы радиоизотопные «батарейки»[37].
  1. Константин Лантратов. Плутон стал ближе (рус.) // Газета Коммерсантъ : статья. — Коммерсантъ, 2006. — Вып. 3341. — № 10.
  2. Александр Сергеев. Зонд к Плутону: безупречный старт большого путешествия (рус.). — Элементы.Ру, 2006.
  3. Тимошенко, Алексей Космическая эра — человек оказался не нужен (рус.). gzt.ru (16 сентября 2010). Дата обращения 22 октября 2010. Архивировано 19 апреля 2010 года.
  4. ↑ Энергия чистой науки: Ток из коллайдера (рус.) // physics arXiv blog Популярная механика : статья. — 12.08.10.
  5. ↑ В NASA провели первый тест-драйв нового марсохода (рус.). Lenta.ru (26 июля 2010). Дата обращения 8 ноября 2010.
  6. Ajay K. Misra. Overview of NASA Program on Development of Radioisotope Power Systems with High Specific Power (англ.) // NASA/JPL : обзор. — San Diego, California, июнь 2006.
  7. ↑ World Information Service on Energy. Alaska fire threatens air force nukes.
  8. Дриц М. Е. и др. Свойства элементов. — Справочник. — М.: Металлургия, 1985. — 672 с. — 6500 экз.
  9. Venkateswara Sarma Mallela, V Ilankumaran, N.Srinivasa Rao. Trends in Cardiac Pacemaker Batteries (англ.) // Indian Pacing Electrophysiol J : статья. — 1 октября 2004. — Iss. 4. — No. 4.
  10. ↑ Plutonium Powered Pacemaker (1974) (англ.). Oak Ridge Associated Universities (23 марта 2009). Дата обращения 15 января 2011. Архивировано 22 августа 2011 года.
  11. Bayles, John J.; Taylor, Douglas. SEALAB III – Diver’s Isotopic Swimsuit-Heater System (англ.). Department of Defense (1970). Дата обращения 15 января 2011. Архивировано 23 августа 2011 года.
  12. ↑ Nuclear and Emerging Technologies for Space (2012). Development and testing of Americium-241 radioisotope thermoelectric generator.
  13. ↑ Nuclear power: Desperately seeking plutonium
  14. 1 2 Atomic Insights, Sept 1996, RTG Heat Sources: Two Proven Materials
  15. ↑ Center of Space Nuclear Research (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 7 декабря 2014. Архивировано 6 октября 2014 года.
  16. ↑ Journal of the British Interplanetary Society. Advanced Subcritical Assistance Radioisotope Thermoelectric Generator
  17. 1 2 3 4 Перспективы завершения программы утилизации российских РИТЭГов // МАГАТЭ. — 2013 (текст, схемы и фотоснимки)
  18. ↑ Радиоизотопные термоэлектрические генераторы — Bellona
  19. Чернобыльское разгильдяйство сегодня: под Норильском раскурочены бесхозные ритэги — НКО «Беллона», 12 апреля 2006
  20. 1 2 Опыт военных гидрографов РФ может ускорить очистку Севпорпути от РИТЭГов— Российское атомное сообщество, 18 января 2012
  21. ↑ Международное сотрудничество по решению проблем наследия «холодной войны»
  22. ↑ Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ, 2012
  23. ↑ Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ, 2011
  24. 1 2 А. Криворучек. Две энергоустановки для питания автономных маяков на Севморпути бесследно исчезли (неопр.). Известия (23 августа 2013). Дата обращения 15 сентября 2013.
  25. ↑ СанПиН 2.6.1.2749-10 «Гигиенические требования по обеспечению радиационной безопасности при обращении с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами»
  26. Р. Алимов. Рабочие материалы «Беллоны» (неопр.). НКО «Беллона» (2 апреля 2005). Дата обращения 5 июля 2013. Архивировано 6 июля 2013 года.
  27. 1 2 С Чукотки вывезен последний радиоизотопный термоэлектрический генератор.
  28. ↑ ИА «Сахалин-Курилы» Архивная копия от 29 июня 2015 на Wayback Machine, 11.06.2013
  29. В.Касымбекова. Радиация в таджикском Файзабаде — угрозы нет? — ЦентрАзия, 11.04.2011
  30. ↑ Со дна Охотского моря подняли аварийно затопленный РИТЭГ (неопр.). Regnum (13 сентября 2007). Дата обращения 25 мая 2013.
  31. ↑ Фото поднятого РИТЭГа
  32. ↑ Радиоизотопная энергетическая установка поднята со дна моря у мыса Марии, sakhalin.info. Дата обращения 11 августа 2017.
  33. ↑ IAEA Annual Report 2003
  34. ↑ Последний РИТЭГ (неопр.) (недоступная ссылка). Администрация Чаунского муниципального района (28 мая 2012). Дата обращения 8 июля 2013. Архивировано 9 июля 2013 года.
  35. В. Литовка. Перманентная вялотекущая радиационная авария (неопр.) (недоступная ссылка). информационный бюллетень «Кайра-вестник» (№4, сентябрь 2002). Дата обращения 15 сентября 2013. Архивировано 17 января 2010 года.
  36. Ликвидирована авария на мысе Наварин Беринговского района Чукотки — chukotken.ru, 11 Сентября 2003
  37. Алексей Рамм, Роман Крецул, Алексей Козаченко. Реактивный прорыв: под Северодвинском испытывались «ядерные батарейки» (рус.). Известия (15 августа 2019). Дата обращения 17 августа 2019.

прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов / Habr

Так получилось, что в серии «Мирный космический атом» мы движемся от фантастического к распространенному. В прошлый раз мы поговорили об энергетических реакторах, очевидный следующий шаг — рассказать о радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Недавно на Хабре был отличный пост про РИТЭГ зонда «Кассини», а мы рассмотрим эту тему с более широкой точки зрения.

Физика процесса

Производство тепла

В отличие от ядерного реактора, который использует явление цепной ядерной реакции, радиоизотопные генераторы используют естественный распад радиоактивных изотопов. Вспомним, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. В зависимости от количества нейтронов в ядре конкретного атома, он может быть стабильным, или же проявлять тенденцию к самопроизвольному распаду. Например, атом кобальта 59Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к 59Co один нейтрон (например, поместив «обычный» кобальт в атомный реактор), то получится 60Co, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5,2 года. Термин «период полураспада» означает, что через 5,2 года один атом распадется с вероятностью 50%, а от ста атомов останется примерно половина. У всех «обычных» элементов есть свои изотопы с разным периодом полураспада:


3D карта изотопов, спасибо ЖЖ пользователю crustgroup за картинку.

Подбирая подходящий изотоп, можно получить РИТЭГ с требуемым сроком службы и другими параметрами:

Изотоп Способ получения Удельная мощность, Вт/г Объёмная мощность, Вт/см³ Период полураспада Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/г Рабочая форма изотопа
60Со (кобальт-60) Облучение в реакторе 2,9 ~26 5,271 года 193,2 Металл, сплав
238Pu (плутоний-238) атомный реактор 0,568 6,9 86 лет 608,7 Карбид плутония
90Sr (стронций-90) осколки деления 0,93 0,7 28 лет 162,721 SrO, SrTiO3
144Ce (церий-144) осколки деления 2,6 12,5 285 дней 57,439 CeO2
242Cm (кюрий-242) атомный реактор 121 1169 162 дня 677,8 Cm2O3
147Pm (прометий-147) осколки деления 0,37 1,1 2,64 года 12,34 Pm2O3
137Cs (цезий-137) осколки деления 0,27 1,27 33 года 230,24 CsCl
210Po (полоний-210) облучение висмута 142 1320 138 дней 677,59 сплавы со свинцом, иттрием, золотом
244Cm (кюрий-244) атомный реактор 2,8 33,25 18,1 года 640,6 Cm2O3
232U (уран-232) облучение тория 8,097 ~88,67 68,9 лет 4887,103 диоксид, карбид, нитрид урана
106Ru (рутений-106) осколки деления 29,8 369,818 ~371,63 сут 9,854 металл, сплав

То, что распад изотопов происходит самостоятельно, означает, что РИТЭГом нельзя управлять. После загрузки топлива он будет нагреваться и производить электричество годами, постепенно деградируя. Уменьшение количества делящегося изотопа означает, что будет меньше ядерных распадов, меньше тепла и электричества. Плюс, падение электрической мощности усугубит деградация электрического генератора.
Существует упрощённая версия РИТЭГа, в котором распад изотопа используется только для обогрева, без получения электричества. Такой модуль называется блоком обогрева или RHG (Radioisotope Heat Generator).
Превращение тепла в электричество

Как и в случае атомного реактора, на выходе у нас получается тепло, которое надо каким-либо образом преобразовать в электричество. Для этого можно использовать:
  • Термоэлектрический преобразователь. Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества.
  • Термоэмиссионный преобразователь. В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы «допрыгнуть» до анода, создавая электрический ток.
  • Термофотоэлектрический преобразователь. В этом случае к источнику тепла подсоединяется фотоэлемент, работающий в инфракрасном диапазоне. Источник тепла испускает фотоны, которые улавливаются фотоэлементом и преобразуются в электричество.
  • Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах. Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы.
  • Двигатель Стирлинга — тепловая машина для преобразования разности температуры в механическую работу. Электричество получается из механической работы с использованием какого-либо генератора.
История

Первый экспериментальный радиоизотопный источник энергии был представлен в 1913 году. Но только со второй половины XX века, с распространением ядерных реакторов, на которых можно было получать изотопы в промышленных масштабах, РИТЭГи стали активно использоваться.
США

В США РИТЭГами занималась уже знакомая вам по прошлому посту организация SNAP.
SNAP-1.
Это был экспериментальный РИТЭГ на 144Ce и с генератором на цикле Ренкина (паровая машина) со ртутью в качестве теплоносителя. Генератор успешно проработал 2500 часов на Земле, но в космос не полетел.

SNAP-3.
Первый РИТЭГ, летавший в космос на навигационных спутниках Transit 4A и 4B. Энергетическая мощность 2 Вт, вес 2 кг, использовал плутоний-238.

Sentry
РИТЭГ для метеорологического спутника. Энергетическая мощность 4,5 Вт, изотоп — стронций-90.

SNAP-7.
Семейство наземных РИТЭГов для маяков, световых буев, погодных станций, акустических буев и тому подобного. Очень большие модели, вес от 850 до 2720 кг. Энергетическая мощность — десятки ватт. Например, SNAP-7D — 30 Вт при массе 2 т.

SNAP-9
Серийный РИТЭГ для навигационных спутников Transit. Масса 12 кг, электрическая мощность 25 Вт.

SNAP-11
Экспериментальный РИТЭГ для лунных посадочных станций Surveyor. Предлагалось использовать изотоп кюрий-242. Электрическая мощность — 25 Вт. Не использовались.

SNAP-19
Серийный РИТЭГ, использовался во множестве миссий — метеорологические спутники Nimbus, зонды «Пионер» -10 и -11, марсианские посадочные станции «Викинг». Изотоп — плутоний-238, энергетическая мощность ~40 Вт.

SNAP-21 и -23
РИТЭГи для подводного применения на стронции-90.

SNAP-27
РИТЭГи для питания научного оборудования программы «Аполлон». 3,8 кг. плутония-238 давали энергетическую мощность 70 Вт. Лунное научное оборудование было выключено ещё в 1977 году (люди и аппаратура на Земле требовали денег, а их не хватало). РИТЭГи на 1977 год выдавали от 36 до 60 Вт электрической мощности.

MHW-RTG
Название расшифровывается как «многосотваттный РИТЭГ». 4,5 кг. плутония-238 давали 2400 Вт тепловой мощности и 160 Вт электрической. Эти РИТЭГи стояли на Экспериментальных Спутниках Линкольна (LES-8,9) и уже 37 лет обеспечивают теплом и электричеством «Вояджеры». На 2014 год РИТЭГи обеспечивают около 53% своей начальной мощности.

GPHS-RTG
Самый мощный из космических РИТЭГов. 7,8 кг плутония-238 давали 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Использовался на солнечном зонде «Улисс», зондах «Галилео», «Кассини-Гюйгенс» и летит к Плутону на «Новых горизонтах».

MMRTG
РИТЭГ для «Кьюриосити». 4 кг плутония-238, 2000 Вт тепловой мощности, 100 Вт электической.

Тёплый ламповый кубик плутония.


РИТЭГи США с привязкой по времени.

Сводная таблица:

Название Носители (количество на аппарате) Максимальная мощность Изотоп Вес топлива, кг Полная масса, кг
Электрическая, Вт Тепловая, Вт
MMRTG MSL/Curiosity rover ~110 ~2000 238Pu ~4 <45
GPHS-RTG Cassini (3), New Horizons (1), Galileo (2), Ulysses (1) 300 4400 238Pu 7.8 55.9–57.8
MHW-RTG LES-8/9, Voyager 1 (3), Voyager 2 (3) 160 2400 238Pu ~4.5 37.7
SNAP-3B Transit-4A (1) 2.7 52.5 238Pu  ? 2.1
SNAP-9A Transit 5BN1/2 (1) 25 525 238Pu ~1 12.3
SNAP-19 Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4), Pioneer 11 (4) 40.3 525 238Pu ~1 13.6
модификация SNAP-19 Viking 1 (2), Viking 2 (2) 42.7 525 238Pu ~1 15.2
SNAP-27 Apollo 12–17 ALSEP (1) 73 1,480 238Pu 3.8 20
СССР/Россия

В СССР и России космических РИТЭГов было мало. Первым экспериментальным генератором стал РИТЭГ «Лимон-1» на полонии-210, созданный в 1962 году:
.

Первыми космическими РИТЭГами стали «Орион-1» электрической мощностью 20 Вт на полонии-210 и запущенные на связных спутниках серии «Стрела-1» — «Космос-84» и «Космос-90». Блоки обогрева стояли на «Луноходах» -1 и -2, и РИТЭГ стоял на миссии «Марс-96»:

В то же время РИТЭГи очень активно использовались в маяках, навигационных буях и прочем наземном оборудовании — серии «БЭТА», «РИТЭГ-ИЭУ» и многие другие.

Конструкция

Практически все РИТЭГи используют термоэлектрические преобразователи и поэтому имеют одинаковую конструкцию:
Перспективы

Все летавшие РИТЭГи отличает очень низкий КПД — как правило, электрическая мощность меньше 10% от тепловой. Поэтому в начале XXI века в NASA был запущен проект ASRG — РИТЭГ с двигателем Стирлинга. Ожидалось повышение КПД до 30% и 140 Вт электрической мощности при 500 Вт тепловой. К сожалению, проект был остановлен в 2013 году из-за превышения бюджета. Но, теоретически, применение более эффективных преобразователей тепла в электричество способно серьезно поднять КПД РИТЭГов.
Достоинства и недостатки

Достоинства:
  1. Очень простая конструкция.
  2. Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
  3. Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
  4. Не требует управления и присмотра.

Недостатки:
  1. Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.
  2. Производство топлива сложное, дорогое и медленное.
  3. Низкий КПД.
  4. Мощность ограничивается сотнями ватт. РИТЭГ киловаттной электрической мощности уже слабо оправдан, мегаваттной — практически не имеет смысла: будет слишком дорогим и тяжелым.

Сочетание таких достоинств и недостатков означает, что РИТЭГи и блоки обогрева занимают свою нишу в космической энергетике и сохранят её и далее. Они позволяют просто и эффективно обогревать и питать электричеством межпланетные аппараты, но от них не стоит ждать какого-либо энергетического прорыва.

Источники

Кроме Википедии использовались:

устройство, принцип работы и применение

Термоэлектрический генератор (термогенератор ТЭГ) — это электрическое устройство, использующее эффекты Зеебека, Томсона и Пельтье для выработки электроэнергии за счет термо-ЭДС. Эффект термо-ЭДС был открыт немецким ученым Томасом Иоганном Зеебеком (эффект Зеебека) в 1821 г. В 1851 году Уильям Томсон (позже лорд Кельвин) продолжил термодинамические исследования и доказал, что источником электродвижущей силы (ЭДС) является температурный перепад.

Термоэлектрический генератор

В 1834 году французский изобретатель и часовщик Жан Чарльз Пельтье открыл второй термоэлектрический эффект, установил, что разность температур происходит на стыке двух различных типов материалов под воздействием электрического тока (эффект Пельтье). В частности, он предсказал, что ЭДС возникает внутри одного проводника, когда присутствует температурный перепад.

В 1950 году русский академик и исследователь Абрам Иоффе открыл термоэлектрические свойства полупроводников. Термоэлектрический генератор энергии стали использовать в системах автономного электроснабжения в недоступных районах. Изучение космического пространства, выход человека в космос дали мощный толчок для бурного развития термоэлектрических преобразователей.

Радиоизотопный источник энергии был впервые установлен на космических кораблях и орбитальных станциях. Их начинают использовать в крупной нефтегазовой отрасли для антикоррозионной защиты газопроводов, в исследовательских работах на Дальнем Севере, в сфере медицины в качестве электрокардиостимуляторов, в жилищном хозяйстве как автономные источники электроснабжения.

Термоэлектрический эффект и перенос тепла в электронных системах

Термоэлектрические генераторы, принцип работы которых основан на комплексном использовании эффекта трех ученых (Зеебека, Томсона, Пельтье), получили свое развитие почти через 150 лет после открытий, намного опередивших свое время.

Термоэлектрический эффект

Термоэлектрический эффект заключается в следующем явлении. Для охлаждения или генерации электричества используется «модуль» состоящий из электрически связанных пар. Каждая пара состоит из полупроводникового материала р (S> 0) и n (S<0). Эти два материала соединены проводником, термоэлектрическая мощность которого считается равной нулю. Две ветви (p и n) и все остальные пары, составляющие модуль, соединены последовательно в электрической цепи и параллельно в термической. ТЭГ (термоэлектрический генератор) с такой компоновкой создает условия, чтобы оптимизировать тепловой поток, который проходит через модуль, преодолевая его электрическое сопротивление. Электрический ток воздействует таким образом, что носители заряда (электроны и дырки) движутся от холодного источника к горячему источнику (в термодинамическом смысле) в двух ветвях пары. При этом они способствуют переносу энтропии от холодного источника к горячему, к тепловому потоку, который будет противостоять теплопроводности.

Термоэлектрические генераторы принцип работы

Если выбранные материалы обладают хорошими термоэлектрическими свойствами, этот тепловой поток, создаваемый движением носителей заряда, будет больше теплопроводности. Поэтому система передаст тепло от холодного источника к горячему и будет действовать как холодильник. В случае генерации электричества тепловой поток вызывает смещение носителей заряда и появление электрического тока. Чем больше разность температуры, тем больше электричества можно получить.

Эффективность ТЭГ

Оценивается коэффициентом полезного действия. Мощность термоэлектрогенератора зависит от двух критических факторов:

  1. Объема теплового потока, который может успешно перемещаться через модуль (тепловой поток).
  2. Дельты температур (DT) – разница температур между горячей и холодной стороной генератора. Чем больше дельта, тем эффективнее он работает, поэтому конструктивно должны быть обеспечены условия, как для максимальной подачи холода, так и максимального отвода тепла от стен генератора.

Термин «эффективность термоэлектрических генераторов» аналогичен термину, применяемому в отношении всех других типов тепловых двигателей. Пока он очень низкий и составляет не более 17 % эффективности Карно. КПД генератора ТЭГ ограничен эффективностью Карно и на практике достигает лишь несколько процентов (2-6 %) даже при высоких температурах. Это происходит из-за низкой теплопроводности в полупроводниковых материалах, что не способствует эффективной выработке электроэнергии. Таким образом, нужны материалы с низкой теплопроводностью, но в то же время с максимально высокой электропроводностью.

Полупроводники лучше справляются с этой задачей, чем металлы, но пока еще очень далеки от тех показателей, которые вывели бы термоэлектрический генератор на уровень промышленного производства (хотя бы с 15 % использованием высокотемпературного тепла). Дальнейшее повышение эффективности ТЭГ зависит от свойств термоэлектрических материалов (термоэлектрики), поиском которых сегодня занят весь научный потенциал планеты.

Разработки новых термоэлектриков относительно сложные и затратные, однако в случае успеха они вызовут технологическую революцию в системах генерации.

Термоэлектрические материалы

Термоэлектрики состоят из специальных сплавов или полупроводниковых соединений. В последнее время для термоэлектрических свойств применяются электропроводящие полимеры.

Термоэлектрические материалы

Требования к термоэлектрикам:

  • высокая эффективность, которая обусловлена низкой теплопроводностью и высокой электропроводностью, высоким коэффициентом Зеебека;
  • устойчивость к высоким температурам и термомеханическим воздействиям;
  • доступность и безопасность окружающей среды;
  • устойчивость к вибрациям и резким перепадам температур;
  • долгосрочная стабильность и дешевизна;
  • автоматизация процесса изготовления.

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД ТЭГ. Термоэлектрический полупроводниковый материал представляет собой сплав теллурида и висмута. Он был специальным образом изготовлен, чтобы обеспечить отдельные блоки или элементы с различными характеристиками «N» и «P».

Термоэлектрические материалы чаще всего изготавливаются путем направленной кристаллизации из расплавленной или прессованной порошковой металлургии. Каждый способ изготовления имеет свое особое преимущество, но наиболее распространены материалы с направленным ростом. В дополнение к теллуриту висмута (Bi 2 Te 3) существуют другие термоэлектрические материалы, в том числе сплавы свинца и теллурита (PbTe), кремния и германия (SiGe), висмута и сурьмы (Bi-Sb), которые могут использоваться в конкретных случаях. Пока термопары висмута и теллурида лучше всего подходят для большинства ТЭГ.

Достоинства ТЭГ

Достоинства термоэлектрогенераторов:

  • выработка электричества происходит по замкнутой одноступенчатой схеме без использования сложных передающих систем и применения движущих частей;
  • отсутствие рабочих жидкостей и газов;
  • отсутствие выбросов вредных веществ, бросового тепла и шумового загрязнения окружающей среды;
  • устройство длительного автономного функционирования;
  • использование отработанного тепла (вторичные источники теплоты) с целью экономии энергоресурсов
  • работа в любом положении объекта независимо от среды эксплуатации: космос, вода, земля;
  • выработка постоянного тока при малом напряжении;
  • невосприимчивость к короткому замыканию;
  • неограниченный срок хранения, 100 % готовность к работе.
Использование ТЭГ в системе охлаждения

Сферы применения термоэлектрического генератора

Преимущества ТЭГ определили перспективы развития и его ближайшее будущее:

  • изучение океана и космоса;
  • применение в малой (бытовой) альтернативной энергетике;
  • использование тепла от выхлопных труб автомобилей;
  • в системах переработки мусора;
  • в системах охлаждения и кондиционирования;
  • в системах тепловых насосов, для мгновенного разогрева дизельных двигателей тепловозов и автомобилей;
  • нагрев и приготовление пищи в походных условиях;
  • зарядка электронных устройств и часов;
  • питание сенсорных браслетов для спортсменов.

Термоэлектрический преобразователь Пельтье

Элемент Пельтье

Элемент Пельтье (ЭП) — это термоэлектрический преобразователь, работающий с использованием одноименного эффекта Пельтье, одного из трех термоэлектрических эффектов (Зеебека и Томсона).

Француз Жан-Шарль Пельтье соединил провода меди и висмута друг с другом и подключил их к батарее, создав таким образом пару соединений двух разнородных металлов. Когда батарея включалась, один из переходов нагревался, а другой охлаждался.

Устройства, основанные на эффекте Пельтье, чрезвычайно надежны, поскольку они не имеют движущихся частей, не нуждаются в техническом обслуживании, не имеют выбросов вредных газов, компактны и имеют возможность двунаправленной работы (нагрев и охлаждение) в зависимости от направления тока.

К сожалению, они малоэффективны, имеют низкий КПД, выделяют довольно много тепла, что требует дополнительной вентиляции и увеличивает стоимость устройства. Такие устройства потребляют довольно много электроэнергии и могут вызвать перегрев или конденсацию. Элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются.

Область применения ЭП

Внедрение передовых технологий в области производства термоэлектриков привело к удешевлению производства ЭП и расширению доступности рынка.

Сегодня ЭП широко применяется:

  • в переносных охладителях, для охлаждения небольших приборов и электронных компонентов;
  • в осушителях для извлечения воды из воздуха;
  • в космических аппаратах для уравновешивания воздействия прямого солнечного света на одну сторону корабля, рассеивая тепло на другую сторону;
  • для охлаждения фотонных детекторов астрономических телескопов и высококачественных цифровых камер, чтобы минимизировать погрешности наблюдения, возникающих из-за перегрева;
  • для охлаждения компьютерных компонентов.

В последнее время широкое применение он получил и для бытовых целей:

  • в устройствах кулеров, питающихся через USB-порт для охлаждения или нагрева напитков;
  • в виде дополнительной ступени охлаждения компрессионных холодильников с понижением температуры до -80 градусов для одноступенчатого охлаждения и до -120 для двухступенчатого;
  • в легковых автомобилях для создания автономных холодильников или обогревателей.
Элементов Пельтье TEC1-12706

Китай наладил производство элементов Пельтье модификаций TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 стоимостью до 7 евро, которые могут обеспечить по схемам «тепло-холод» мощность до 200 Вт, сроком службы до 200 000 часов, работающих в температурной зоне от -30 до 138 градусов Цельсия.

Ядерные батарейки РИТЭГ

Ядерные батарейки РИТЭГ

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) представляет собой устройство использующее термопары для преобразования тепла, выделяемое при распаде радиоактивного материала, в электричество. Этот генератор не имеет движущихся частей. РИТЭГ использовался в качестве источника энергии на спутниках, космических аппаратах, удаленных объектах маяков, построенных СССР для Полярного круга.

РИТЭГы, как правило, являются наиболее предпочтительным источником энергии для устройств, которым требуется несколько сотен Ватт мощности. В топливных элементах, батареях или генераторах установленных в местах, где солнечные элементы являются неэффективными. Радиоизотопный термоэлектрический генератор требует соблюдения строгих мер осторожного обращения с радиоизотопами в течение долгого времени после окончания его срока службы.

В России насчитывается порядка 1 000 РИТЭГов, которые использовались в основном для источников питания на средствах дальнего действия: маяках, радиомаяках и других специальных радиотехнических средствах. Первым космическим РИТЭГом на полонии-210 стал «Лимон-1» в 1962 году, затем «Орион-1» мощностью 20 Вт. Последняя модификация была установлена на спутниках «Стрела-1» и «Космос-84/90». «Луноходы»-1,2 и «Марс-96» использовали РИТЭГ в системах обогрева.

Устройство термоэлектрогенератора своими руками

ТЭГ своими руками

Столь сложные процессы, которые протекают в ТЭГ, никак не останавливают местных «кулибиных» в стремлении присоединится к мировому научно-техническому процессу по созданию ТЭГ. Использование самодельных ТЭГ применяется уже давно. Во время Великой Отечественной войны партизаны делали универсальный термоэлектрогенератор. Он вырабатывал электрический ток для зарядки рации.

С появлением на рынке элементов Пельтье по доступными для бытового потребителя ценам возможно сделать ТЭГ самому, выполнив следующие шаги.

  1. Приобрести два радиатора в магазине IT и применить термопасту. Последняя облегчит соединение элемента Пельтье.
  2. Разделить радиаторы любым теплоизолятором.
  3. Сделать отверстие в изоляторе для размещения элемента Пельтье и проводов.
  4. Собрать конструкцию, и поднести источник тепла (свеча) к одному из радиаторов. Чем дольше нагрев, тем больше тока будет вырабатываться из домашнего термоэлектрического генератора.

Работает такой прибор бесшумно, и имеет небольшой вес. Термоэлектрический генератор ic2 в зависимости от размера, может подключить зарядку мобильного телефона, включить небольшой радиоприемник и светодиодное освещение.

В настоящее время многие известные мировые производители начали выпуск различных доступных гаджетов с применением ТЭГ для автолюбителей и путешественников.

Мобильный бытовой современный ТЭГ

Перспективы развития термоэлектрической генерации

Ожидается, что спрос на бытовое потребление ТЭГ вырастет на 14 %. Перспективы развития термоэлектрической генерации опубликовал Market Research Future, издав документ «Глобальный отчет по исследованию рынка термоэлектрических генераторов — прогноз до 2022 года» — анализ рынка, объем, доля, ход, тенденции и прогнозы. Доклад подтверждает перспективу ТЭГ в утилизации автомобильных отходов и системах совместного производства электроэнергии и тепла для бытовых и промышленных объектов.

Географически глобальный рынок термоэлектрических генераторов был разделен на Америку, Европу, Азиатско-Тихоокеанский регион, Индию и Африку. АТР считается самым быстрорастущим сегментом в области внедрения рынка ТЭГ.

Среди этих регионов Америка, по оценкам экспертов, является основным источником доходов на глобальном рынке ТЭГ. Ожидается, что увеличение спроса на экологически чистую энергию повысит спрос на него в Америке.

Европа также будет демонстрировать относительно быстрый рост в течение прогнозируемого периода. Индия и Китай будут наращивать потребление значительными темпами из-за увеличения спроса на транспортные средства, что приведет к росту рынка генераторов.

Компании по производству автомобилей такие, как Volkswagen, Ford, BMW и Volvo в сотрудничестве с NASA, уже приступили к разработке мини-ТЭГ для системы регенерации тепла и экономии топлива в автомобиле.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор — Википедия

РИТЭ́Г (радиоизотопный термоэлектрический генератор) — радиоизотопный источник электроэнергии, использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующий её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.

По сравнению с ядерными реакторами, использующими цепную реакцию, РИТЭГи значительно меньше и конструктивно проще. Выходная мощность РИТЭГа весьма невелика (до нескольких сотен ватт) при небольшом КПД. Зато в них нет движущихся частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями.

Применение

РИТЭГ космического аппарата «New Horizons»

РИТЭГи применимы как источники энергии для автономных систем, удалённых от традиционных источников электроснабжения и нуждающихся в нескольких десятках-сотнях ватт при очень длительном времени работы, слишком долгом для топливных элементов или аккумуляторов.

В космосе

РИТЭГи являются основным источником электропитания на космических аппаратах, выполняющих продолжительное задание и сильно удаляющихся от Солнца (например «Вояджер-2» или «Кассини-Гюйгенс»), где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно.

Плутоний-238 в 2006 г. при запуске зонда «Новые горизонты» к Плутону нашёл своё применение в качестве источника питания для аппаратуры космического аппарата[1]. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида 238Pu, производящего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и, по расчётам, 200 Вт к концу)[2][3].

Зонды «Галилео» и «Кассини» были также оборудованы источниками энергии, в качестве топлива для которых служил плутоний[4]. Марсоход «Curiosity» получает энергию благодаря плутонию-238[5]. Марсоход использует последнее поколение РИТЭГов, называемое Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Это устройство производит 125 Вт электрической мощности, а по истечении 14 лет — 100 Вт[6].

РИТЭГ SNAP-27, применявшийся в полёте «Аполлона-14» (в центре)

Несколько килограммов 238PuO2 использовались на некоторых полётах «Аполлонов» для электропитания приборов ALSEP. Генератор электроэнергии SNAP-27 (англ. Systems for Nuclear Auxiliary Power), тепловая и электрическая мощность которого составляла 1480 Вт и 63,5 Вт соответственно, содержал 3,735 кг диоксида плутония-238.

На Земле

РИТЭГи применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В частности, в СССР их использовали в качестве источников питания навигационного оборудования, установленного на побережье Северного Ледовитого океана вдоль трассы Северного морского пути. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГов в малодоступных местах прекратили.

В США РИТЭГи использовались не только для наземных источников питания, но и для морских буев и подводных установок. Например, в 1988 году СССР обнаружил два американских РИТЭГа рядом с советскими кабелями связи в Охотском море. Точное количество установленных США РИТЭГов неизвестно, оценки независимых организаций указывали 100—150 установок на 1992 год[7].

Плутоний-236 и плутоний-238 применялся для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца (кардиостимулятор)[8][9]. По состоянию на 2003 г. в США было 50—100 человек, имеющих плутониевый кардиостимулятор[10]. До запрета на производство[источник не указан 1194 дня]плутония-238 в США, ожидалось, что его применение может распространиться на костюмы водолазов и космонавтов[11].

Топливо

Радиоактивные материалы, используемые в РИТЭГах, должны соответствовать следующим характеристикам:

  • Достаточно высокая объёмная активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки. Минимальный объём ограничен тепловой и радиационной стойкостью материалов, слабоактивные изотопы ухудшают энергомассовое совершенство установки. Обычно это значит что период полураспада изотопа должен быть достаточно мал для высокой интенсивности распадов и распад должен давать достаточно много легкоутилизируемой энергии.
  • Достаточно длительное время поддержания мощности для выполнения задачи. Обычно это значит, что период полураспада изотопа должен быть достаточно велик для заданной скорости падения энерговыделения. Типичные времена полураспада изотопов, используемых в РИТЭГах, составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с коротким периодом полураспада могут быть использованы для специализированных применений.
  • Удобный для утилизации энергии вид ионизирующего излучения. Гамма-излучение легко вылетает из конструкции, унося с собой энергию распада. Относительно легко могут улетать также нейтроны. Образующиеся при β-распаде высокоэнергетичные электроны неплохо задерживаются, однако при этом образуется тормозное рентгеновское излучение, уносящее часть энергии. При α-распаде образуются массивные α-частицы, эффективно отдающие свою энергию практически в точке образования.
  • Безопасный для окружающей среды и аппаратуры вид ионизирующего излучения. Значительные гамма-, рентгеновское и нейтронное излучения зачастую требуют специальных конструктивных мер по защите персонала и близкорасположенной аппаратуры.
  • Относительная дешевизна изотопа и простота его получения в рамках имеющихся ядерных технологий.

Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами. Другие изотопы, такие как полоний-210, прометий-147, цезий-137, церий-144, рутений-106, кобальт-60, кюрий-242 и изотопы тулия были также изучены. Например, полоний-210 имеет период полураспада всего 138 дней при огромном начальном тепловыделении в 140 Вт на грамм. Америций-241 с периодом полураспада 433 года и тепловыделением 0,1 Вт/грамм[12].

Плутоний-238 чаще всего применяется в космических аппаратах. Альфа-распад с энергией 5,5 МэВ (один грамм даёт ~0,54 Вт). Период полураспада 88 лет (потеря мощности 0,78 % в год) с образованием высокостабильного изотопа 234U. Плутоний-238 является почти чистым альфа-излучателем, что делает его одним из самых безопасных радиоактивных изотопов с минимальными требованиями к биологической защите. Однако получение относительно чистого 238-го изотопа требует эксплуатации специальных реакторов, что делает его дорогим[13][14].

Стронций-90 широко применялся в наземных РИТЭГах советского и американского производства. Цепочка из двух β-распадов даёт суммарную энергию 2,8 МэВ (один грамм дает ~0,46 Вт). Период полураспада 29 лет с образованием стабильного 90Zr. Стронций-90 получают из отработавшего топлива ядерных реакторов в больших количествах. Дешевизна и обилие этого изотопа определяет его широкое использование в наземном оборудовании. В отличие от плутония-238, стронций-90 создаёт значительный уровень ионизирующего излучения высокой проницаемости, что предъявляет относительно высокие требования к биологической защите[14].

Существует концепция подкритических РИТЭГов[15][16]. Подкритический генератор состоит из источника нейтронов и делящегося вещества. Нейтроны источника захватываются ядрами делящегося вещества и вызывают их деление. Основное преимущество такого генератора в том, что энергия, выделяемая при реакции деления, гораздо выше энергии альфа-распада. Например, для плутония-238 это примерно 200 МэВ против 5,6 МэВ, выделяемых этим нуклидом при альфа-распаде. Соответственно, потребное количество вещества гораздо ниже. Количество распадов и радиационная активность в пересчёте на тепловыделение также ниже. Это снижает вес и размеры генератора.

Выведенные из эксплуатации РИТЭГи

Наземные РИТЭГ в России

Во времена СССР было изготовлено 1007 РИТЭГов для наземной эксплуатации. Почти все они делались на базе радиоактивного тепловыделяющего элемента с изотопом стронций-90 (РИТ-90). Тепловыделяющий элемент представляет собой прочную герметичную сварную капсулу, внутри которой находится изотоп. Выпускалось несколько вариантов РИТ-90 с разным количеством изотопа[17]. РИТЭГ оснащался одной или несколькими капсулами РИТ, радиационной защитой (зачастую на основе обеднённого урана), термоэлектрическим генератором, радиатором охлаждения, герметичным корпусом, электроцепями. Типы выпускавшихся в Советском Союзе РИТЭГов:[17][18]

Тип Начальная активность, кКи Тепловая мощность, Вт Электрическая мощность, Вт КПД, % Масса, кг Год начала выпуска
Эфир-МА 104 720 30 4,167 1250 1976
ИЭУ-1 465 2200 80 3,64 2500 1976
ИЭУ-2 100 580 14 2,41 600 1977
Бета-М (англ.)русск. 36 230 10 4,35 560 1978
Гонг 47 315 18 5,714 600 1983
Горн 185 1100 60 5,455 1050 1983
ИЭУ-2М 116 690 20 2,899 600 1985
Сеностав 288 1870 1250 1989
ИЭУ-1М 340 2200 120 5,455 2100 1990

Срок службы установок может составлять 10—30 лет, у большинства из них он закончился. РИТЭГ представляет собой потенциальную опасность, так как размещается в безлюдной местности и может быть похищен, а затем использован в качестве грязной бомбы. Были зафиксированы случаи разукомплектации РИТЭГов охотниками за цветными металлами[19], при этом сами похитители получили смертельную дозу облучения[20].

В настоящее время проходит процесс их демонтажа и утилизации под надзором Международного агентства по атомной энергии и при финансировании США, Норвегии и других стран[17]. К началу 2011 года демонтировано 539 РИТЭГ[21]. По состоянию на 2012 год 72 РИТЭГ эксплуатируются, 2 утеряны, 222 на хранении, 32 в процессе утилизации[22][23]. Четыре установки эксплуатировались в Антарктиде[24].

Новые РИТЭГи для навигационных нужд больше не производятся, вместо них устанавливаются ветроэнергетические установки и фотоэлектрические преобразователи[20], в некоторых случаях дизель‑генераторы. Эти устройства получили название АИП (альтернативные источники питания). Состоят из панели солнечных батарей (или ветрогенератора), набора необслуживаемых аккумуляторных батарей, светодиодного маяка (кругового или створного), программируемого электронного блока, который задает алгоритм работы маяка.

Требования к конструкции РИТЭГ

В СССР требования к РИТЭГ устанавливались ГОСТ 18696-90 «Генераторы радионуклидные термоэлектрические. Типы и общие технические требования». и ГОСТ 20250-83 «Генераторы радионуклидные термоэлектрические. Правила приёмки и методы испытаний».

  • Мощность эквивалентной дозы ионизирующего излучения на внешней поверхности РИТЭГ не должна превышать 2,0 мЗв/ч, а на расстоянии 1 м от неё — 0,1 мЗв/ч.
  • Конструкция РИТЭГ должна обеспечивать отсутствие выхода из него радионуклидов и сохранение защитных характеристик радиационной защиты при падении РИТЭГ на твёрдое основание с высоты 9 м, а также после воздействия на него температуры в 800 °C в течение 30 мин.
  • Температура всех доступных поверхностей РИТЭГ не должна превышать 80 °С[25].

Инциденты с РИТЭГ на территории СНГ

Источники данных — НКО «Беллона»[26] и МАГАТЭ[17]

Дата Место
1983, март Мыс Нутэвги, Чукотка Сильное повреждение РИТЭГа по пути к месту установки. Факт аварии был скрыт персоналом, обнаружен комиссией Госатомнадзора в 1997 году. По состоянию на 2005 год данный РИТЭГ был заброшен и оставался на мысе Нутэвги. По состоянию на 2012 год все РИТЭГи вывезены из Чукотского автономного округа[27].
1987 Мыс Низкий, Сахалинская обл. При транспортировке вертолёт уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1, который принадлежал Министерству обороны СССР. По состоянию на 2013 поисковые работы, с перерывами, продолжаются[28].
1997 Таджикистан, Душанбе Три отслуживших свой срок РИТЭГа хранились в разобранном неизвестными лицами виде на угольном складе в центре Душанбе, вблизи был зарегистрирован повышенный гамма-фон[29].
1997, август Мыс Марии, Сахалинская обл. При транспортировке вертолёт уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1, который оставался на дне на глубине 25—30 м. Спустя 10 лет был поднят и отправлен на утилизацию[30][31].
1998, июль Корсаковский порт, Сахалинская обл. В пункте приема металлолома обнаружен в разобранном виде РИТЭГ, принадлежащий Минобороны РФ.
1999 Ленинградская обл. РИТЭГ разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент (фон вблизи — 1000 Р/ч) был найден на автобусной остановке в Кингисеппе.
2000 Мыс Бараниха, Чукотка Естественный фон близ аппарата был превышен в несколько раз вследствие неисправности РИТЭГ.
2001, май Кандалакшский залив, Мурманская обл. С маяков на острове похищены 3 радиоизотопных источника, которые были обнаружены и отправлены в Москву.
2002, февраль Западная Грузия В районе села Лия Цаленджихского района местными жителями найдено два РИТЭГа, которые были ими использованы как источники тепла, а затем разобраны. В результате несколько человек получили высокие дозы облучения[32].
2003 о. Нунэанган, Чукотка Установлено, что внешнее излучение аппарата превышало допустимые пределы в 5 раз по причине недостатков в его конструкции.
2003 о. Врангеля, Чукотка Вследствие размыва берега установленный здесь РИТЭГ упал в море, где был замыт грунтом. В 2011 г. штормом выброшен на побережье. Радиационная защита аппарата не повреждена[33]. В 2012 вывезен с территории Чукотского автономного округа[27].
2003 мыс Шалаурова Изба, Чукотка Радиационный фон вблизи установки был превышен в 30 раз по причине недостатка в конструкции РИТЭГ[34].
2003, март Пихлисаар, Ленинградская обл. РИТЭГ разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент был выброшен на ледовое покрытие. Горячая капсула со стронцием, проплавив лёд, ушла на дно, фон вблизи составил 1000 Р/ч. Капсула была вскоре найдена в 200 м от маяка.
2003, август Шмидтовский район, Чукотка Инспекция не обнаружила РИТЭГ типа «Бета-М» № 57 в месте установки у реки Кывэквын; по официальной версии предполагалось, что РИТЭГ был замыт в песок в результате сильного шторма или что он был похищен.
2003, сентябрь Остров Голец, Белое море Персонал Северного флота обнаружил хищение металла биологической защиты РИТЭГа на острове Голец. Была также взломана дверь в помещение маяка, где хранился один из наиболее мощных РИТЭГов с шестью элементами РИТ-90, которые украдены не были.
2003, ноябрь Кольский залив, губа Оленья и остров Южный Горячинский Два РИТЭГа, принадлежащие Северному флоту, разграблены охотниками за цветными металлами, а их элементы РИТ-90 найдены неподалеку.
2004 Приозерск, Казахстан Чрезвычайная ситуация, произошедшая вследствие несанкционированной разборки шести РИТЭГов.
2004, март п. Валентин, Приморский край РИТЭГ, принадлежащий Тихоокеанскому флоту, найден разобранным, по-видимому, охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент РИТ-90 обнаружен неподалеку.
Июль, 2004 Норильск На территории воинской части было обнаружено три РИТЭГа, мощность дозы на расстоянии 1 м от которых в 155 раз превышала естественный фон.
Июль, 2004 Мыс Наварин, Чукотка Механические повреждения корпуса РИТЭГа неизвестного происхождения, в результате чего произошла разгерметизация и часть радиоактивного топлива выпала наружу. Аварийный РИТЭГ вывезен на утилизацию в 2007 году, поражённые участки прилегающей территории были дезактивированы[35].
Сентябрь, 2004 Земля Бунге, Якутия Аварийный сброс двух перевозимых РИТЭГов с вертолёта. В результате удара о землю целостность радиационной защиты корпусов была нарушена, мощность дозы гамма-излучения вблизи места падения составляла 4 мЗв/ч.
Август, 2007 Мыс Марии, Сахалинская обл. 2 августа у мыса Марии о. Сахалин обнаружен и поднят РИТЭГ ИЭУ-1 № 11 1995 года выпуска. Произведен внешний осмотр и замеры радиоактивного излучения. Результаты внешнего осмотра показали, что защитный корпус не поврежден, специалисты РХБЗ СГ ВМР сделали заключение: мощность гамма-излучения и отсутствие радиоактивного загрязнения соответствуют нормальной радиационной обстановке[36].
2012 о. Лишний, Таймыр В месте установки РИТЭГа проекта «Гонг» обнаружены его обломки. Предполагается, что аппарат был смыт в море[24].

См. также

Примечания

  1. Константин Лантратов. Плутон стал ближе (рус.) // Газета Коммерсантъ : статья. — Коммерсантъ, 2006. — Вып. 3341. — № 10.
  2. Александр Сергеев. Зонд к Плутону: безупречный старт большого путешествия (рус.). — Элементы.Ру, 2006.
  3. Тимошенко, Алексей Космическая эра — человек оказался не нужен (рус.) (недоступная ссылка — история). gzt.ru (16 сентября 2010). Проверено 22 октября 2010. Архивировано 19 апреля 2010 года.
  4. ↑ Энергия чистой науки: Ток из коллайдера (рус.) // physics arXiv blog Популярная механика : статья. — 12.08.10.
  5. ↑ В NASA провели первый тест-драйв нового марсохода (рус.). Lenta.ru (26 июля 2010). Проверено 8 ноября 2010. Архивировано 3 февраля 2012 года.
  6. Ajay K. Misra. Overview of NASA Program on Development of Radioisotope Power Systems with High Specific Power (англ.) // NASA/JPL : обзор. — San Diego, California, июнь 2006.
  7. ↑ World Information Service on Energy. Alaska fire threatens air force nukes.
  8. Дриц М. Е. и др. Свойства элементов. — Справочник. — М.: Металлургия, 1985. — 672 с. — 6500 экз.
  9. Venkateswara Sarma Mallela, V Ilankumaran, N.Srinivasa Rao. Trends in Cardiac Pacemaker Batteries (англ.) // Indian Pacing Electrophysiol J : статья. — 1 октября 2004. — Iss. 4. — No. 4.
  10. ↑ Plutonium Powered Pacemaker (1974) (англ.). Oak Ridge Associated Universities (23 марта 2009). Проверено 15 января 2011. Архивировано 23 августа 2011 года.
  11. Bayles, John J.; Taylor, Douglas. SEALAB III – Diver’s Isotopic Swimsuit-Heater System (англ.). Department of Defense (1970). Проверено 15 января 2011. Архивировано 23 августа 2011 года.
  12. ↑ Nuclear and Emerging Technologies for Space (2012). Development and testing of Americium-241 radioisotope thermoelectric generator.
  13. ↑ Nuclear power: Desperately seeking plutonium
  14. 1 2 Atomic Insights, Sept 1996, RTG Heat Sources: Two Proven Materials
  15. ↑ Center of Space Nuclear Research
  16. ↑ Journal of the British Interplanetary Society. Advanced Subcritical Assistance Radioisotope Thermoelectric Generator
  17. 1 2 3 4 Перспективы завершения программы утилизации российских РИТЭГов // МАГАТЭ. — 2013 (текст, схемы и фотоснимки)
  18. ↑ Радиоизотопные термоэлектрические генераторы — Bellona
  19. Чернобыльское разгильдяйство сегодня: под Норильском раскурочены бесхозные ритэги — НКО «Беллона», 12 апреля 2006
  20. 1 2 Опыт военных гидрографов РФ может ускорить очистку Севпорпути от РИТЭГов— Российское атомное сообщество, 18 января 2012
  21. ↑ Международное сотрудничество по решению проблем наследия «холодной войны»
  22. ↑ Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ, 2012
  23. ↑ Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ, 2011
  24. 1 2 А. Криворучек. Две энергоустановки для питания автономных маяков на Севморпути бесследно исчезли. Известия (23 августа 2013). Проверено 15 сентября 2013.
  25. ↑ СанПиН 2.6.1.2749-10 «Гигиенические требования по обеспечению радиационной безопасности при обращении с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами»
  26. Р. Алимов. Рабочие материалы «Беллоны». НКО «Беллона» (2 апреля 2005). Проверено 5 июля 2013. Архивировано 6 июля 2013 года.
  27. 1 2 С Чукотки вывезен последний радиоизотопный термоэлектрический генератор.
  28. ↑ ИА «Сахалин-Курилы», 11.06.2013
  29. В.Касымбекова. Радиация в таджикском Файзабаде — угрозы нет? — ЦентрАзия, 11.04.2011
  30. ↑ Со дна Охотского моря подняли аварийно затопленный РИТЭГ. Regnum (13 сентября 2007). Проверено 25 мая 2013. Архивировано 25 мая 2013 года.
  31. ↑ Фото поднятого РИТЭГа
  32. ↑ IAEA Annual Report 2003
  33. ↑ Последний РИТЭГ. Администрация Чаунского муниципального района (28 мая 2012). Проверено 8 июля 2013. Архивировано 9 июля 2013 года.
  34. В. Литовка. Перманентная вялотекущая радиационная авария. информационный бюллетень «Кайра-вестник» (№4, сентябрь 2002). Проверено 15 сентября 2013.
  35. Ликвидирована авария на мысе Наварин Беринговского района Чукотки — chukotken.ru, 11 Сентября 2003
  36. ↑ Радиоизотопная энергетическая установка поднята со дна моря у мыса Марии, sakhalin.info. Проверено 11 августа 2017.

Ссылки

РИТЭГ | Термоэлектричество

Применение, устройство и характеристики радионуклидных термоэлектрических генераторов – РИТЭГ

Радионуклидный термоэлектрический генератор – РИТЭГ основан на преобразовании тепла, выделяемого при радиоактивном распаде радионуклида, в электрическую энергию постоянного тока с помощью полупроводниковой термоэлектрической батареи (далее ПТЭБ).

Основными областями сегодняшнего и перспективного применения РИТЭГ являются:

  1. Использование их в качестве источников электропитания навигационных объектов (световых маяков, радиомаяков, радиомаяков-ответчиков, навигационных и створных знаков), расположенных в удаленных и труднодоступных участках побережья и островов морей, омывающих территорию России, в том числе вдоль трассы Северного морского пути.
  2. Использование их для электропитания сейсмической аппаратуры непрерывного контроля сейсмической активности в целях обнаружения ядерных испытаний.
  3. Использование их для электропитания автономных пунктов радиорелейных линий связи и автономных пунктов метеонаблюдения..
  4. Использование их в качестве источников питания научной аппаратуры космического и подводного назначения, аппаратуры охранной сигнализации особо важных объектов.

Радионуклидные термоэлектрические генераторы по своему принципу действия являются наиболее надежными автономными источниками электрической энергии постоянного тока. Они работают при глубоких отрицательных и высоких положительных температурах окружающей среды, в космосе, на земле, под землей и под водой. Радионуклидные термоэлектрические генераторы характеризуются выходной электрической мощностью от долей Ватт до десятков Ватт и выходным электрическим напряжением от единиц вольт до десятков вольт, необслуживаемым сроком службы более десяти лет.

Нашедший наиболее широкое применение в народном хозяйстве РИТЭГ типа Бета-М показан на рис. 1. Всего было изготовлено и эксплуатировалось свыше 800 штук.

РИТЭГ характеризуется следующими параметрами:

— необслуживаемым сроком службы по фактическим по результатам эксплуатации до 20 лет;

— выходной электрической мощностью в начале срока службы – не менее 9,0 Вт;

— рабочим выходным электрическим напряжением –14 В;

— массой – 550 кг;

-диапазоном рабочих температур – от минус 60 до + 50 ºС.

В данном РИТЭГ в качестве источника тепла использован радионуклидный источник тепла РИТ-90-230, на основе радионуклида стронция-90, тепловой мощностью 230 Вт.

Конструктивная схема РИТЭГ типа Бета-М, которая характерна и для РИТЭГ других типов.

Основными элементами РИТЭГ являются:

— радионуклидный источник тепла РИТ-90;

— полупроводниковая термоэлектрическая батарея ПТЭБ;

— радиационная (биологическая) защита;

— радиатор для сброса тепла.

Основные характеристики разработанных РИТЭГ ваттного диапазона электрической мощности с использованием радионуклидных источников тепла на основе Стронция-90 приведены в таблицах 1 и 2, а фотографии некоторых из них – на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1.

Основные характеристики низкотемпературных РИТЭГ на стронции-90:

Таблица 1

П/п Параметр Тип РИТЭГ
Бета-М Эфир ИЭУ-1 ИЭУ-2 ИЭУ-2М Пингвин 57 ИК
1 Выходная электрическая

мощность в начале

срока службы, Вт

9,0 30 80* 14* 20* 2,0 0,5
2 Напряжение на

номинальной нагрузке, В

6 или 14   35     24     6     14      3,0   1,3
3 Тепловая

мощность РИТ, Вт

   230  680   2130   580   650     60   29
4 Габаритные размеры, мм

— диаметр (длина)

— высота

— ширина

600

655

805

1275

(1510)

1350

760

900

720

(900)

870

750

400

300

400

360

5 Масса, кг    565 1200 2300   746   600     300    80
6 Срок службы, лет    20   20   20   20    20      20  20
7 КПД, %    3,9   4,4   3,7    2,4    3,1    3,35    1,7

* — в течение всего срока службы

Основные характеристики среднетемпературных РИТЭГ на стронции -90

Таблица 2

П/п Параметр Тип РИТЭГ
Граб Гонг Горн Сеностав
1 Выходная электрическая

мощность в начале

срока службы, Вт

120 18 60 80*
2 Напряжение на

номинальной нагрузке, В

28 или 14

или 7

  14 28 или 14

или 7

    28
3 Тепловая

мощность РИТ, Вт

  1698  300   1091   1794
4 Габаритные размеры, мм

— диаметр (длина)

— высота

— ширина

850

990

680

945

850

1230

(920)

1450

760

5 Масса, кг    850   600 1050   1250
6 Срок службы, лет   20   20   20  20
7 КПД, %     7,0    6,0    5,5    4.5

РИТЭГ Сеностав

Рисунок 2.

Используемый радионуклиды

Стронций -90

Продукт работы ядерных реакторов, относится к радиоактивным отходам.

Период полураспада 28 лет.

Требует массивной радиационной защиты

(удельная эл. мощность генераторов 0,06 Вт/кг).

Масса РИТЭГ на Стронции-90- 500 -2000 кг.

Используются исключительно в стационарных устройствах.

Себестоимость изготовления низкая.

  

Другой класс РИТЭГ — это генераторы ваттной мощности с использованием радионуклидных источников тепла на основе плутония-238 для специальных целей или изготовленных по специальному заказу.

Основные технические характеристики некоторых РИТЭГ этого класса приведены в табл. 3.

Таблица 3

П/п Параметр Тип РИТЭГ (условный номер)
      1         2        3     4
1 Выходная электрическая

мощность в начале

срока службы, Вт

   0,02     2,9       12,0      9,0
2 Напряжение на

номинальной нагрузке, В

    3,0      3,5       3,5       3,5
3 Тепловая

мощность РИТ, Вт

    1,5      85       200      170
4 Габаритные размеры, мм

— диаметр

— высота

60

70

200

234

300

300

250

255

5 Масса, кг     0,2       9         22       15
6 Срок службы, лет     50      20         20       20
7 КПД, %     1,3      3,4         5,9       5,1

РИТЭГ электрической мощностью 12 Вт показан на Рисунке 3

Рис. 3

Используемые радионуклиды

Плутоний – 238

Период полураспада 87 лет.

Удельное тепловыделение 0,49 Вт/г (оксид PuO2)

Радиационная защита не требуется

Изотоп нарабатывается целенаправленно. Производство прекращено. Запасы крайне ограничены. Изготавливаются изделия в единичных экземплярах космического и специального применения.

Наработка остановлена по международным соглашениям.

При необходимости наработка может быть возобновлена на уровне до 5000 тепловых Ватт в год.

Себестоимость производства высокая.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) – Журнал «Все о Космосе»

1280px-Peltierelement_16x16[1]

РИТЭГ

РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор) — радиоизотопный источник электроэнергии, использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующий её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.

По сравнению с ядерными реакторами, использующими цепную реакцию, РИТЭГи значительно компактнее и проще конструктивно. Выходная мощность РИТЭГ весьма невелика (до нескольких сотен ватт) при небольшом КПД. Зато в них нет движущихся частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями.

Применение

1024px-New_Horizons_RTG_in_PHSF[1]

РИТЭГ космического аппарата «New Horizons»

РИТЭГи, как правило, являются наиболее приемлемым источником энергии для автономных систем, нуждающихся в нескольких десятках-сотнях ватт при очень длительном времени работы, слишком долгим для топливных элементов или аккумуляторов.

В космосе

Cutdrawing_of_an_GPHS-RTG[1]

Схема РИТЭГа, используемого на космическом аппарате Кассини-Гюйгенс

РИТЭГи являются основным источником электропитания на космических аппаратах, имеющих продолжительную миссию и сильно удаляющихся от Солнца (например Вояджер-2 или Кассини-Гюйгенс), где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно.

Плутоний-238 в 2006 г. при запуске зонда New Horizons к Плутону нашёл свое применение в качестве источника питания для аппаратуры космического аппарата. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида 238Pu, производящего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и, по расчётам, 200 Вт к концу).

Зонды Галилео и Кассини были также оборудованы источниками энергии, в качестве топлива для которых служил плутоний. Марсоход Curiosity получает энергию благодаря плутонию-238. Марсоход использует последнее поколение РИТЭГов, называемое Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Это устройство производит 125 Вт электрической мощности, а по истечении 14 лет — 100 Вт.

800px-ALSEP_Apollo_14_RTG[1]

РИТЭГ SNAP-27, применявшийся в миссии Аполлон-14 (в центре).

Несколько килограммов 238PuO2 использовались на некоторых миссиях Аполлонов для электропитания приборов ALSEP. Генератор электроэнергии SNAP-27 ( Systems for Nuclear Auxiliary Power), тепловая и электрическая мощность которого составляла 1480 Вт и 63,5 Вт соответственно, содержал 3,735 кг диоксида плутония-238.

На Земле

РИТЭГ применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В частности, в СССР их использовали в качестве источников питания навигационного оборудования, установленного на побережье Северного Ледовитого океана вдоль трассы Северного морского пути. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГ в малодоступных местах прекратили.

В США РИТЭГ использовались не только для наземных источников питания, но и для морских буев и подводных установок. Например, в 1988 году СССР обнаружил два американских РИТЭГа рядом с советскими кабелями связи в Охотском море. Точное количество установленных США РИТЭГ неизвестно, оценки независимых организаций указывали 100—150 установок на 1992 год.

Плутоний-236 и плутоний-238 применялся для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца (кардиостимулятор). По состоянию на 2003 г. в США было 50—100 человек, имеющих плутониевый кардиостимулятор. До запрета на производство плутония-238 в США, ожидалось, что его применение может распространиться на костюмы водолазов и космонавтов.

Топливо

Радиоактивные материалы, используемые в РИТЭГах, должны соответствовать следующим характеристикам:

  • Достаточно высокая объёмная активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки. Минимальный объём ограничен тепловой и радиационной стойкостью материалов, слабоактивные изотопы ухудшают энергомассовое совершенство установки. Обычно это значит что период полураспада изотопа должен быть достаточно мал для высокой интенсивности распадов и распад должен давать достаточно много легкоутилизируемой энергии.
  • Достаточно длительный период поддержания мощности для выполнения задачи. Обычно это значит что период полураспада изотопа должен быть достаточно велик для заданной скорости падения энерговыделения. Типичные времена полураспада изотопов, используемых в РИТЭГах, составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с коротким периодом полураспада могут быть использованы для специализированных применений.
  • Удобный для утилизации энергии вид ионизирующего излучения. Гамма-излучение легко вылетает из конструкции, унося с собой энергию распада. Относительно легко могут улетать также нейтроны. Образующиеся при β-распаде высокоэнергетичные электроны неплохо задерживаются, однако при этом образуется тормозное рентгеновское излучение, уносящее часть энергии. При α-распаде образуются массивные α-частицы, эффективно отдающие свою энергию практически в точке образования.
  • Безопасный для экологии и аппаратуры вид ионизирующего излучения. Значительные гамма-, рентгеновское и нейтронное излучения зачастую требуют специальных конструктивных мер по защите персонала и близкорасположенной аппаратуры.
  • Относительная дешевизна изотопа и простота его получения в рамках имеющихся ядерных технологий.

Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами. Другие изотопы, такие как полоний-210, прометий-147, цезий-137, церий-144,рутений-106, кобальт-60, кюрий-242 и изотопы тулия были также изучены. Например, полоний-210 имеет период полураспада всего 138 дней при огромном начальном тепловыделении в 140 Вт на грамм. Америций-241 с периодом полураспада 433 года и тепловыделением 0,1 Вт/грамм.

Плутоний-238 чаще всего применяется в космических аппаратах. α-распад с энергией 5,5 МЭв (один грамм дает ~0,54 Вт). Период полураспада 88 лет (потеря мощности 0,78 % в год) с образованием высокостабильного изотопа 234U. Плутоний-238 является почти чистым альфа-излучателем, что делает его одним из самых безопасных радиоактивных изотопов с минимальными требованиями к биологической защите. Однако получение относительно чистого 238-го изотопа требует эксплуатации специальных реакторов, что делает его дорогим.

Стронций-90 широко применялся в наземных РИТЭГ советского и американского производства. Цепочка из двух β-распадов дает суммарную энергию 2.8 МЭв (один грамм дает ~0,46 Вт). Период полураспада 29 лет с образованием стабильного 90Zr. Стронций-90 получают из отработавшего топлива ядерных реакторов в больших количествах. Дешевизна и обилие этого изотопа определяет его широкое использование в наземном оборудовании. В отличие от плутония, стронций имеет значительный уровень ионизирующего излучения высокой проницаемости, что предъявляет относительно высокие требования к биологической защите.

Существует концепция подкритических РИТЭГ. Подкритический генератор состоит из источника нейтронов и делящегося вещества. Нейтроны источника захватываются атомами делящегося вещества и вызывают их деление. Основное преимущество такого генератора в том что энергия распада реакции с захватом нейтрона может быть гораздо выше энергии самопроизвольного деления. Например, для плутония это 200 МЭв против 6 МЭв спонтанного деления. Соответственно, потребное количество вещества гораздо ниже. Количество распадов и радиационная активность в пересчете на тепловыделение также ниже. Это снижает вес и размеры генератора.

По материалам Wikipedia

Радиоизотопный термоэлектрический генератор Википедия

.ts-Боковая_навигационная_таблица-preTitle{padding-top:0}.mw-parser-output .ts-Боковая_навигационная_таблица-image{padding:0.4em 0 0.4em}.mw-parser-output .ts-Боковая_навигационная_таблица-title{padding:0.2em 0.4em 0.2em;font-size:125%;line-height:1.15em;font-weight:bold;background:#cfe3ff}.mw-parser-output .ts-Боковая_навигационная_таблица-above,.mw-parser-output .ts-Боковая_навигационная_таблица-below{padding:0.2em 0.4em 0.2em;font-weight:bold}.mw-parser-output .ts-Боковая_навигационная_таблица-heading{padding:0.2em 0;font-weight:bold;background:#eaf3ff}.mw-parser-output .ts-Боковая_навигационная_таблица-list{padding:0.2em 0}]]>

РИТЭ́Г (радиоизотопный термоэлектрический генератор) — радиоизотопный источник электроэнергии, использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующий её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.

По сравнению с ядерными реакторами, использующими цепную реакцию, РИТЭГ и значительно меньше, и конструктивно проще. Выходная мощность РИТЭГа весьма невелика (до нескольких сотен ватт) при небольшом КПД. Зато в них нет движущихся частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями.

Применение[ | ]

РИТЭГ космического аппарата «New Horizons»

РИТЭГи применимы как источники энергии для автономных систем, удалённых от традиционных источников электроснабжения и нуждающихся в нескольких десятках-сотнях ватт при очень длительном времени работы, слишком долгом для то

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *