Принцип работы ритэг: Радиоизотопные источники электрической энергии и тепла

Содержание

прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов / Хабр

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

59

Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к

59

Co один нейтрон (например, поместив «обычный» кобальт в атомный реактор), то получится

60

Co, 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
238
Pu (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

144

Ce 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:


Радиоизотопный термоэлектрический генератор — что за зверь такой ? | Alternative 21

Продолжу свой рассказ о полезных технологиях , открывших или еще только открывающих перед человечеством новые горизонты.

Сегодня я хотел бы рассказать вам о Радиоизотопном термоэлектрическом генераторе — далее в тексте сокращенно РИТЭГ. Постараюсь кратко и без лишней научной нагрузки обьяснить его значение для науки и принцип работы. Поехали !)

Дамы и господа , поддержите мой скромный труд лайками и подпиской — буду очень признателен !)

С открытием ядерного распада и делящихся материалов мир вступил в новую технологическую эру. Создание мощнейшего оружия , ядерных реакторов , новых элементов таблицы Менделеева , лучевой терапии итд — разделило мир на до и после .

Многие исследования были бы невозможны без плодов тех открытий , одним из которых и является РИТЭГ.

Все полеты космических аппаратов дальше Марса в принципе стали возможны только благодаря ему — электронную начинку надо чем то питать , но ни одна мощная батарея не проработает годы , ядерный реактор череcчур громозок и дорог а эффективность солнечных батарей практически никакая уже на подлете к Юпитеру.

Вояджер-1 , его «левая рука» как раз и есть РИТЭГ

Вояджер-1 , его «левая рука» как раз и есть РИТЭГ

Запущенные в 1977 году Вояджер-1 и Вояджер-2 , два наиболее далеко улетевших от Земли рукотворных объекта . С ними все еще возможно поддерживать связь с Земли и корректировать их курс. Уже 41 год работы !

На сегодняшний день альтернативы РИТЭГам в исследованиях дальнего космоса и долговременной без эксплуатационной работе приборов в отдаленных уголках земли (например маяков в Арктике) — просто не существует.

Сердце РИТЭГа — это короткоживущие радиоактивные изотопы различных химических элементов. Находясь в процессе распада они выделяют энергию ,в том числе и тепловую , которую получается преобразовывать с помощью Термоэлектрического генератора (с КПД не превышающем 6-7%) в электрический ток. Работа этого генератора была бы достойна отдельной статьи , но если вкратце — то в определенных материалах при разнице температур возникает поляризация электронов — на «горячем» конце они более активны , чем на «холодном» , от этого возникает их движение ,и как следствие ток.

Помимо собственно электричества , РИТЭГ полезен тем, что используется для поддержания стабильной температуры внутри космического аппарата , ведь не все его тепло используется для выработки энергии.

Да простят меня физики за столь вольное толкование серьезных вещей и процессов , но лучше иметь хоть какое то представление о серьезных вещах, чем никакого ^__^

Со временем такое устройство ухудшается в характеристиках , радиоактивный изотоп выделяет все меньше тепла ,приближаясь к периоду полураспада , материалы генератора деградируют под воздействием излучения.

Впрочем, ничто не вечно , но на фоне зарядки нашего телефона 41 год работы ,конечно, впечатляет, согласитесь 🙂

РИТЭГ это однозначно полезная технология , открывшая нам для изучения всю Солнечную систему , и давшая возможность увидеть Сатурн , Юпитер , Уран , Нептун и Плутон .

<— Подписывайтесь на мой канал и кидайте лайки , будет много интересного 🙂 —>

Чем занимается наш канал -подробнее тут ( ->клик<- )

Откуда будут брать энергию космические аппараты будущего?

  • Питер Рэй Эллисон
  • BBC Future

Автор фото, SPL

Для космических полетов продолжительностью в несколько десятилетий — или даже дольше — потребуется новое поколение источников питания. Обозреватель BBC Future решил разобраться, какие варианты есть у конструкторов.

Система питания — жизненно важная составляющая космического корабля. Эти системы должны быть предельно надежными и рассчитанными на работу в жестких условиях.

Современные сложные аппараты требуют все больше энергии — каким же видится будущее их источников питания?

Среднестатистический современный смартфон едва может проработать сутки на одной зарядке. А зонд «Вояджер», запущенный 38 лет назад, по-прежнему передает на Землю сигналы, уже покинув пределы Солнечной системы.

Компьютеры «Вояджеров» способны совершать 81 тысячу операций в секунду — но процессор смартфона работает в семь тысяч раз быстрее.

При конструировании телефона, конечно, подразумевается, что он будет регулярно подзаряжаться и вряд ли окажется в нескольких миллионах километров от ближайшей розетки.

Зарядить аккумулятор космического корабля, который как раз-таки по замыслу должен находиться в ста миллионах километров от источника тока, не получится — нужно, чтобы он был способен либо нести на борту батареи достаточной емкости для того, чтобы работать десятилетиями, либо генерировать электроэнергию самостоятельно.

Решить такую конструкторскую задачу, оказывается, довольно непросто.

Некоторым бортовым устройствам электричество нужно лишь время от времени, но другие должны работать постоянно.

Всегда должны быть включены приемники и передатчики, а в пилотируемом полете или на обитаемой космической станции — также системы жизнеобеспечения и освещения.

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

Двигатели у «Вояджеров» не самые современные, но они успешно прослужили уже 38 лет

Доктор Рао Сурампуди возглавляет программу энергетических технологий в лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте в США. Уже более 30 лет он занимается разработкой систем электропитания для различных аппаратов НАСА.

По его словам, на энергетическую систему обычно приходится примерно 30% всей массы космического аппарата. Она решает три основных задачи:

  • выработка электроэнергии
  • хранение электроэнергии
  • распределение электроэнергии

Все эти части системы жизненно важны для работы аппарата. Они должны мало весить, быть долговечными и иметь высокую «энергетическую плотность» — то есть вырабатывать много энергии при довольно небольшом объеме.

Кроме того, они должны быть надежными, так как отправлять человека в космос для починки поломок весьма непрактично.

Система должна не только вырабатывать достаточно энергии для всех потребностей, но и делать это в течение всего полета — а он может продолжаться десятилетиями, а в будущем, возможно, и столетиями.

«Расчетный срок эксплуатации должен быть длительным — если что-либо поломается, чинить будет некому, — говорит Сурампуди. — Полет к Юпитеру занимает от пяти до семи лет, к Плутону — более 10 лет, а чтобы покинуть пределы Солнечной системы, нужно от 20 до 30 лет».

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

В миссии НАСА по отклонению астероидов будет использован новый тип питания от солнечной энергии — более эффективный и долговечный, чем у предшественников

Энергетические системы космического корабля находятся в очень специфических условиях — они должны сохранять работоспособность при отсутствии гравитации, в вакууме, под воздействием очень интенсивной радиации (которая вывела бы из строя большинство обычных электронных приборов) и экстремальных температур.

«Если сесть на Венеру, то за бортом будет 460 градусов, — рассказывает специалист. — А при посадке на Юпитер температура будет минус 150».

Аппараты, направляющиеся к центру Солнечной системы, не имеют недостатка в энергии, собираемой их фотоэлектрическими панелями.

Эти панели на вид мало чем отличаются от солнечных панелей, устанавливающихся на крышах жилых домов, но при этом они работают с куда более высокой эффективностью.

Рядом с Солнцем очень жарко, и фотоэлектрические панели могут перегреться. Чтобы этого избежать, панели отворачивают от Солнца.

На планетарной орбите фотоэлектрические панели менее эффективны: они вырабатывают меньше энергии, так как время от времени оказываются отгороженными от Солнца самой планетой. В подобных ситуациях необходима надежная система накопления энергии.

Атомное решение

Такая система может быть построена на основе никель-водородных аккумуляторов, которые выдерживают более 50 тысяч циклов зарядки и работают более 15 лет.

В отличие от обычных батарей, которые в космосе не работают, эти батареи герметичны и могут нормально функционировать в вакууме.

По мере удаления от Солнца уровень солнечной радиации естественным образом понижается: у Земли он составляет 1374 ватта на квадратный метр, у Юпитера — 50, а у Плутона — всего один ватт на квадратный метр.

Поэтому если аппарат вылетает за орбиту Юпитера, то на нем применяются атомные системы питания.

Самая распространенная из них — это радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), применявшийся на зондах «Вояджер», «Кассини» и на марсоходе «Кьюриосити».

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

В качестве одного из возможных источников питания для продолжительных миссий рассматривается улучшенный радиоизотопный генератор Стирлинга

В этих источниках питания нет движущихся частей. Они вырабатывают энергию за счет распада радиоактивных изотопов, таких как плутоний. Срок их службы превышает 30 лет.

Если использовать РИТЭГ нельзя (к примеру, если для защиты экипажа от радиации понадобится слишком массивный для полета экран), а фотоэлектрические панели не подходят по причине слишком большого расстояния от Солнца, тогда можно применить топливные ячейки.

Водородно-кислородные топливные ячейки были использованы в американских космических программах «Джемини» и «Аполлон». Такие ячейки нельзя перезарядить, но они выделяют много энергии, а побочным продуктом этого процесса является вода, которую потом может пить экипаж.

НАСА и лаборатория реактивного движения ведут работы по созданию более мощных, энергоемких и компактных систем с высоким рабочим ресурсом.

Но новым космическим аппаратам нужно все больше энергии: их бортовые системы постоянно усложняются и расходуют много электричества.

Особенно это касается кораблей, которые используют электрический привод — к примеру, ионный движитель, впервые примененный на зонде Deep Space 1 в 1998 году и с тех пор широко прижившийся.

Электрические двигатели как правило работают за счет электрического выброса топлива на высокой скорости, но есть и такие, которые разгоняют аппарат посредством электродинамического взаимодействия с магнитными полями планет.

Большинство земных энергетических систем не способно работать в космосе. Поэтому любая новая схема перед установкой на космический аппарат проходит серию серьезных испытаний.

В лабораториях НАСА воссоздаются жесткие условия, в которых должно будет функционировать новое устройство: его облучают радиацией и подвергают экстремальным перепадам температур.

К новым рубежам

Не исключено, что в будущих полетах будут применяться улучшенные радиоизотопные генераторы Стирлинга. Они работают по схожему с РИТЭГ принципу, но гораздо более эффективны.

Кроме того, их можно сделать весьма малогабаритными — хотя при этом конструкция дополнительно усложняется.

Для планируемого полета НАСА к Европе, одному из спутников Юпитера, создаются и новые батареи. Они будут способны работать при температурах от -80 до -100 градусов.

А новые литий-ионные аккумуляторы, над которыми сейчас трудятся конструкторы, будут иметь вдвое большую емкость, чем нынешние. С их помощью астронавты смогут, к примеру, провести вдвое больше времени на лунной поверхности, прежде чем возвращаться в корабль для подзарядки.

Автор фото, SPL

Подпись к фото,

Для обеспечения энергией таких поселений, скорее всего, потребуются новые типы горючего

Конструируются и новые солнечные батареи, которые могли бы эффективно собирать энергию в условиях низкой освещенности и низких температур — это позволит аппаратам на фотоэлектрических панелях улетать дальше от Солнца.

На каком-то этапе НАСА намеревается создать постоянную базу на Марсе — а возможно, и на более удаленных планетах.

Энергетические системы таких поселений должны быть намного более мощными, чем используемые в космосе сейчас, и рассчитанными на гораздо более длительную эксплуатацию.

На Луне много гелия-3 — этот изотоп редко встречается на Земле и является идеальным топливом для термоядерных электростанций. Однако пока не удалось добиться достаточной стабильности термоядерного синтеза для того, чтобы применять этот источник энергии в космических кораблях.

Кроме того, существующие на сегодняшний термоядерные реакторы занимают площадь самолетного ангара, и в таком виде использовать их для космических полетов невозможно.

А можно ли применять обычные ядерные реакторы — особенно в аппаратах с электрическими движителями и в планируемых миссиях к Луне и к Марсу?

Для колонии в таком случае не придется вести отдельный источник электричества — в его роли сможет выступить корабельный реактор.

Для длительных полетов, возможно, будут применяться атомно-электрические движители.

«Аппарату Миссии по отклонению астероидов нужны большие солнечные панели, чтобы он обладал достаточным запасом электрической энергии для маневров вокруг астероида, — говорит Сурампуди. — В настоящее время мы рассматриваем вариант солнечно-электрического движителя, но атомно-электрический обошелся бы дешевле».

Однако в ближайшее время мы вряд ли увидим космические корабли на ядерной энергии.

«Эта технология пока недостаточно отработанная. Мы должны быть абсолютно уверены в ее безопасности, прежде чем запускать такой аппарат в космос», — объясняет специалист.

Чтобы удостовериться в том, что реактор способен выдержать жесткие нагрузки космического полета, нужны дополнительные тщательные испытания.

Все эти перспективные энергетические системы позволят космическим аппаратам работать дольше и улетать на большие расстояния — но пока они находятся на ранних стадиях разработки.

Когда испытания будут успешно закончены, такие системы станут обязательной составляющей полетов на Марс — и еще дальше.

Термоэлектрический генератор: принцип работы

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.

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 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

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.

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.

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 (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.

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

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

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.

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.

Термоэлектрические генераторы (Доклад) — TopRef.ru

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) представляют собой полупроводниковые термопары и предназначены для прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию. они используются в передвижных АЭУ , питающих труднодоступные объекты, которые монтируются в отдаленных районах Земли (автоматические метеостанции, морские маяки и т.п.). В перспективе такие объекты могут монтироваться на Луне или на других планетах. В качестве источников тепла для подвода к горячим спаям ТЭГ : радиоактивные изотопы (РИТЭГ), ядерные реакторы (ЯРТЭГ), солнечные концентраторы различного исполнения (СТЭГ). Ориентировочно принимают, что при электрических мощностях от 1 до 10 кВт на КЛА целесообразны РИТЭГ и СТЭГ, а при повышенных уровнях мощности — ЯРТЭГ. Последние наиболее перспективны для АЭУ КЛА.

Достоинства ТЭГ: большой срок службы, высокая надежность, стабильность параметров, вибростойкость. Недостатки ТЭГ: невысокие относительные энергетические показатели: удельная масса 10-15 кг/кВт, поверхностная плотность мощности 10 кВт/м?? (на единицу поперечного сечения элемента ), объемная плотность мощности 200-400 кВт/м3 и сравнительно низкий КПД преобразования энергии (5-8%). Применительно к ЛА ТЭГ представляют собой батареи кремне-германиевых термоэлектрических элементов (ТЭЭ), которые по матричному принципу соединены в ветвях последовательно, а ветви могут иметь между собой параллельные соединения. Батареи ТЭЭ заключены с герметичные контейнеры, заполненные инертным газом во избежание окисления и старения полупроводников. Плоские или цилиндрические конструкции ТЭГ снабжаются устройствами для подвода тепла на горячих спаях и для его отвода на «холодных» спаях полупроводниковых термостолбиков. Конструкция силовых электровыводов ТЭГ должна обеспечивать одновременно термоплотность и электрическую изоляцию от корпуса (контейнера), что представляет достаточно сложную техническую задачу.

2) Физические основы работы термоэлектрических генераторов.

В основе действия любого ТЭЭ лежат обратимые термоэлектрические эффекты Пельтье, Томсона (Кельвина) и Зебека. Определяющая роль в ТЭГ принадлежит эффекту термо-ЭДС (Зебека). Преобразование энергии сопровождается необратимыми (диссипативными) эффектами: передачей тепла за счет теплопроводности материала ТЭЭ и протекании тока. Материалы ТЭЭ с приместной электронной и дырочной проводимостью получают введением легирующих добавок в кристаллы основного полупроводника.

Рис. 1. Принципиальная схема элементарного полупроводникового ТЭГ

При рабочих температурах Т = 90-100 К целесообразны сплавы 20-30% Ge-Si, а при Т = 600-800 К — материалы на основе теллуридов и селенидов свинца, висмута и сурьмы. Схема кремниевого ТЭЭ показана на рис. 1. Тепло Q1 подводится к ТЭЭ (ТЭГ) через стенку нагревателя 1 с помощью теплоносителя ( например жидкометаллического), тепловой трубы или при непосредственном контакте с зоной тепловыделения реактора. Через стенку 7 холодильника тепло Q2 отводится от ТЭГ (излучением, теплоносителем или тепловой трубой). Спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков 4 и 9 образованы металлическими шинами 3 и 5, 8, которые электрически изолированы от стенок 1 и 7 слоями диэлектрика 2, 6 на основе оксидов температур Т = Т1-Т2.

Эффективность ТЭГ обеспечивается существенной разнородностью структуры ветвей 4 и 9. Ветвь р-типа с дырочной проводимостью получается введением в сплав Si-Ge акцепторных примесей атомарного бора В. Ветвь п-типа с электронной проводимостью образуется при легировании Si-Ge донорными атомами фосфора Р. Из-за повышенной химической активности и малой механической прочности полупроводниковых материалов соединение их с шинами 3, 5, 8 выполняется прослойками из сплава кремний-бор. Для достижения стабильной работы батарея ТЭЭ герметизирована металлической кассетой, заполненной аргоном.

Эффект Пельтье. В пограничной плоскости — спае разнородных полупроводников (или металлов) — при протекании тока I поглощается тепло Qп, если направление тока I совпадают с направлением результирующего теплового потока ( который возник бы при подогреве спая). Если же направления тока I и этого потока противоположны, Qп происходит от внешнего источника тепла (из нагревателя потребляется дополнительная энергия) либо из внутренних запасов энергии, если внешний источник отсутствует ( в этом случае наблюдается охлаждение спая). В замкнутой на сопротивлении Rп термоэлектрической цепи ТЭГ на горячих спаях столбиков ТЭ тепло Qп поглощается (эндотермический эффект). Это охлаждение Пельтье надо компенсировать дополнительным подводом тепла Qп извне. На холодных спаях тепло Пельтье выделяется (экзотермический эффект). Выделившееся тепло Qп необходимо отводить с помощью внешнего охлаждающего устройства. Указанные явления обуславливаются перераспределением носителей зарядов (электронов) по уровням энергии: при повышении средней энергии электронов ее избыток выделяется в спае.

Электрический ток I=dq/dt, следовательно, энергия (за время t )

Обратимость эффекта Пельтье состоит в том, что при питании цепи током I от внешнего источника характер теплового действия I на спай можно изменять реверсированием направления тока . На этом основано создание термоэлектрических нагревателей и холодильников. Последние имеют больше практическое значение.

Эффект Томсона (Кельвина) . Эффект Томсона относится к объемным (линейным) эффектам в отличие от плоскостного (точечного) эффекта Пельтье. при протекании тока I по термически неоднородному полупроводнику (или проводнику) на его отрезке (х1,х2) с перепадом Т1-Т20 в случае совпадения направлений тока и градиента

выделяется тепло Томсона Qт (нагрев отрезка). При встречных направлениях I и Т тепло Qт поглощается (охлаждение отрезка). Эффект объясняется изменением энергии движущихся электронов при перемещении в область с иным температурным уровнем. При реверсе направления I наблюдается обратимость эффекта Томсона, т.е. перемена экзо- или эндотермического характера теплового действия. Теп ловя энергия пропорциональна току I и перепаду Т т.е. причем dT=|T|dx.

Принцип работы ТЭЭ. (рис. 1). Кинетическая энергия электронов на конце цепи с выше, чем на «холодных» концах с Т=Т2 , следовательно, преобладает диффузия электронов от горячего спая к холодным концам. концентрация электронов в р- и п-ветвях различна, поэтому более отрицательный потенциал получает конец термостолбика п-типа, по отношения к которому конец столбика р-типа имеет положительный потенциал. Разность потенциалов Е=Z(T1-T2) обуславливает ток I ( при замыкании цепи на сопротивление Rн нагрузки) и полезную электрическую мощность Работе ТЭГ сопутствуют обратимые эффекты.

Почему ядерные батарейки так и не стали популярны? История почти забытой технологии

В прошлом футуристы видели транспорт будущего движимым за счет энергии от атомных источников питания. Маленькая батарейка (обычно светящаяся — так передавали образ художники) заменила бы тысячи литров бензина или дизельного топлива. Почти бесконечную энергию могли бы использовать не только машины, но и корабли, отправленные бороздить бескрайние просторы Вселенной.

Новость «Ученые разработали атомную батарейку для космических кораблей» вызвала бы определенный интерес. «Ну наконец-то», «Теперь заживем!» и «Сириус, держись!» — последовала бы примерно такая реакция. Но на деле «атомные батарейки» используются давно — аж с шестидесятых годов прошлого века. Каждая из них заслуживает отдельной истории.

Речь идет о так называемых радиоизотопных термоэлектрических генераторах — РИТЭГ (RTG). В качестве «движущей» силы они используют нагрев, то есть тепловую энергию. Это одно из основных отличий от атомных реакторов, в которых происходит цепная ядерная реакция. Реакторы используются давно, однако они имеют большие габариты и вес, а ведь мы говорим о «космических батарейках».

РИТЭГи планировалось использовать для космических аппаратов, но позже сферу применения расширили (в том числе на медицинскую технику, например электрокардиостимуляторы). Первыми новую технологию, по крайней мере официально, внедрили американские военные в спутниках Transit 4A и 4B. Батарею для них разработали в рамках программы SNAP-3.

Ей предшествовало появление SNAP-1 — тестовой платформы, в которой применяли цикл Ренкина (цикл преобразования тепла в работу) с использованием изотопа церия и ртути в качестве теплоносителя. Инженеры продолжили работу над проектом, пытаясь решить вопрос с защитой будущих астронавтов и груза от радиации, удержав вес системы в определенных рамках: иначе ракета не взлетит.

В итоге «щитом» в SNAP-2 стал усеченный конус, заполненный гидридом лития. Реактор разместили вверху, капсулу с условной командой и грузом — за нижней частью. Последовавшие испытания показали, что идея хороша, да только не работает: в определенных условиях, вероятность появления которых высока, смертельная доза радиации пройдет сквозь защиту. Кроме того, конструкция оказалась весьма взрывоопасной.

Ее изменяли, искали компромисс, нашли его — и вскоре появился SNAP-3, который стал первым РИТЭГом, примененным в космической программе. Атомные батарейки на плутонии-238, которого потратили 96 граммов, установили в навигационные спутники военных Transit 4A и 4B. Они выдавали 2,5 Вт электрической энергии (тепловая была намного больше). Это был 1961 год.

Спустя еще примерно год Transit 4B и некоторые другие спутники были повреждены из-за проведенных США ядерных испытаний в рамках программы Starfish Prime. Тогда на высоте 400 километров взорвали 1,44-мегатонный заряд, устроив небесный фейерверк, а заодно повредив собственную технику. Ведь ядерную энергию воспринимали как-то не всерьез.

Ну а первым советским спутником с РИТЭГом стал «Космос-84» (его движение можно отследить и сейчас), получивший систему «Орион-1» в 1965-м.

Ошибок случалось немало, в том числе после того, как в гонку «радиоактивных» спутников включился СССР, который вначале использовал полоний-210, а затем перешел на уран-235. Иногда атомные батарейки падали в океан (упоминается несколько случаев), другие горели в атмосфере или были уничтожены при запуске. Были вопросы и к конструкции советских космических аппаратов: ситуацию можно сравнить с водителем, выбрасывающим весь мусор (которого тонны) из машины в окно — чего только не оказалось на мусорной орбите вокруг Земли!

Собственный опыт и опыт «коллег» подтолкнул американских инженеров к тому, чтобы разработать системы, которые активируются лишь после удаления от Земли.

Это было важно, так как мощность батареек планировали нарастить. Однако особенно преуспели в этом Советы, которые быстро перешли на киловаттные установки, но уже в 1970-е. Американцы также запустили экспериментальный вариант на 500 Вт (и 30—40 кВт тепловой энергии) в 1975 году. Это была миссия SNAPSHOT и аппарат SNAP-10A с компактным ядерным реактором: он был менее 40 сантиметров в длину и чуть более 22 сантиметров в диаметре, при этом его вес составлял 290 килограммов.

Здесь стоит упомянуть, что в 1970-х годах и ранее NASA, как и СССР, изучало возможность создания действительно мощной ядерной установки для космических аппаратов, которую можно было бы устанавливать именно на корабли, а не использовать лишь в относительно небольших спутниках.

В рамках проекта NERVA, например, были испытаны ЯРДы (ядерные ракетные двигатели, относятся к радиоизотопным источникам энергии, как и РИТЭГ), способные произвести до 4500 мегаватт тепловой энергии и 1,1 млн ньютонов реактивной тяги (половина тяги маршевого двигателя шаттла), работая до 90 минут. Плюс таких двигателей — в значительном сокращении времени полета. Но это другая история, которая пока не закончилась.

За пределы околоземной «кольцевой дороги» американские РИТЭГи отправились в 1969 году. Модификация одного из них обогревала измерительный инструмент, который взяли с собой участники миссии «Аполлон-11». Другой установили в комплект научных инструментов ALSEP в «Аполлоне-12» для изучения Луны, а также последующих миссиях.

Советы сыграли в «догонялки», и в 1970-м появился «Луноход-1» с радиоизотопным нагревателем (RHU) — и США, и СССР использовали технологию не только для выработки энергии, но и для обогрева электроники.

Часто высказывается идея, что высокоэффективного источника энергии из РИТЭГа не получится. И пока это так. Однако подобные системы практически незаменимы при отправке зондов на сверхдальние расстояния — туда, где солнечные батареи бесполезны. Первопроходцем в этом деле стала межпланетная станция «Пионер-10», отправленная в космос 3 марта 1972 года.

На нее установили четыре РИТЭГа SNAP-19s (для питания и обогрева). Перед запуском они выдавали 155 Вт электроэнергии, но при подлете к Юпитеру показатель снизился до 140 Вт. Этого было более чем достаточно для работы систем, потреблявших 100 Вт, но к 2001 году энергии уже едва хватало на поддержание функционирования лишь некоторых модулей.

Очередной вехой в развитии технологии стала разработка MHW-RTG для «Вояджеров», отправленных в дальнее путешествие в 1977 году. До этого новые системы прошли обкатку в спутниках на околоземной орбите. Каждый из космических аппаратов получил по три РИТЭГа общей электрической мощностью 470 Вт на момент запуска с перспективой снижения электрической мощности в два раза примерно через 88 лет. Источниками энергии стали 24 спрессованные сферы из оксида плутония. Плюс на борту имелось по девять нагревателей RHU (их может быть и больше, они устанавливаются точечно в рассчитанных местах).

Спустя пару лет после запуска «Вояджеров» США временно вышли из гонки, а СССР, напротив, наращивал количество запущенных спутников — это были аппараты серии УС-А. Но на них устанавливали ядерные энергетические установки БЭС-5 «Бук», работавшие на уране. Их электрическая мощность составляла 3 кВт при тепловой мощности 100 кВт, что заметно превосходило показатели американских систем, работавших по несколько иному принципу.

Срок работы спутников с «Буками» был заметно меньше: он составлял около полугода (потом аппарат становился мусором, который летает вокруг Земли до сих пор), и это при более высоком весе ядерного топлива. Поэтому требовались регулярные запуски, с которыми то и дело не ладилось. На смену БЭС-5 пришли ядерные установки «Топаз», которые были мощнее предшественников более чем в два раза. Однако новые системы получили лишь два спутника, и один из них был уничтожен.

В дальнейшем страны вновь поменялись местами (одна попросту перестала существовать), и успеха добивались лишь США, осваивая очередную технологию — GPHS-RTG (это модернизированные РИТЭГи). Однако какого-то значительного шага вперед с точки зрения эффективности сделано не было.

Новые «атомные батарейки» устанавливали в автоматическую межпланетную станцию (АМС) «Улисс», изучавшую Солнце и Юпитер; в спускаемый зонд «Галилео» для исследования атмосферы Юпитера; в станцию «Кассини-Гюйгенс», которая исследовала Сатурн, его кольца и спутники; в АМС «Новые горизонты», выполняющую программу исследования объектов Солнечной системы.

Наконец, на базе старого SNAP-19 была разработана система MMRTG, которая помогла роверу Curiosity исследовать Марс (и помогает до сих пор).

Китай также предпринял попытки использовать технологию — в АМС «Чанъэ-3» и вездеходе «Юйту», прибывшем на Луну тем же «рейсом». Точно не известно, были это источники питания или обогреватели, так как данные разнятся. Не исключено, что РИТЭГ был дублирующей системой в дополнение к солнечным батареям.

Что дальше?

NASA и министерство энергетики США ведут экспериментальный проект Kilopower. В рамках него планируется разработать систему, которая позволит активнее путешествовать по Солнечной системе. Правда, это уже не «атомные батарейки», а стационарная система на обогащенном уране. Плюс ее состоит в том, что инженерам, судя по всему, удалось достичь неплохих показателей КПД в 30%. Для сравнения: у РИТЭГа он составляет 3—7% и даже в экспериментах не превышал 10%.

Не исключено, что развитие получит и проект NERVA по разработке ядерного ракетного двигателя для межпланетных полетов. В 2019 году сообщалось о выделении средств — может, в 2024-м появится демонстрационная модель.

Что касается «атомных батареек», то самые эффективные их образцы пока можно найти лишь в научной фантастике. В последнее время плутоний, уран и другие элементы таблицы Менделеева в качестве источников питания практически не рассматриваются.

Судя по всему, очередной MMRTG получит марсоход Perseverance («Настойчивость»), который окажется на Красной планете в начале 2021 года. Там он займется поисками признаков древней жизни, будет изучать грунт и искать лед. А вот дальнейшее применение технологии под вопросом — в том числе из-за недостатка плутония, которого было много благодаря холодной войне. Сейчас производить нужный элемент дорого, так как подходит не все сырье и объемы мизерные — сотни граммов в год.

Однако не только цена и технологические сложности стали преградой для развития этого источника энергии.

Список источников: SpaceNews, New York Times, NASA, Quartz, Space, Popular Science, World Nuclear Association, US Department of Energy, Aerospace America, Wikipedia.

Читайте также:

Библиотека Onliner: лучшие материалы и циклы статей

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!

Перепечатка текста и фотографий Onliner без разрешения редакции запрещена. [email protected]

Теплоэнергетические генераторы и радиоизотопные источники энергии

 Другие рефераты


Министерство высшего образовани Россиской Федерации


                                    КГТУ


                                                             Кафедра: ЭС и С



                                   РЕФЕРАТ

  Тема: теплоэнергитические  генераторы и радиоизотопные источники энергии



                                   Разработал: ст-т гр. ЭМ13-2 Семенюка А. В

                                     Проверил:  преподаватель Таюрский В. М.



                           г. Красноярск, 2003 г.



                                    План

     1.      Термоэлектрические генераторы
      1.1.    Общие сведения о термоэлектрических генераторах
        2. Физические основы работы термоэлектрических генераторов
        3. Батареи термоэлектрических элементов
      2        Радиоизотопные источники энергии
     1.      Общие сведения
       2.2     Облости применения
       2.3     Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (ритэги)



                      1. Термоэлектрические генераторы

      1.1  Общие сведения о термоэлектрических генераторах

Термоэлектрические генераторы  (ТЭГ)  представляют  собой  полупроводниковые
термопары и предназначены для  прямого  преобразования  тепловой  энергии  в
электроэнергию.   они   используются   в   передвижных   АЭУ   ,    питающих
труднодоступные объекты, которые  монтируются  в  отдаленных  районах  Земли
(автоматические метеостанции, морские маяки и  т.п.).  В  перспективе  такие
объекты могут монтироваться на Луне  или  на  других  планетах.  В  качестве
источников тепла для подвода к горячим спаям  ТЭГ  :  радиоактивные  изотопы
(РИТЭГ),  ядерные  реакторы  (ЯРТЭГ),  солнечные  концентраторы   различного
исполнения  (СТЭГ).  Ориентировочно   принимают,   что   при   электрических
мощностях от 1  до  10  кВт  на  КЛА  целесообразны  РИТЭГ  и  СТЭГ,  а  при
повышенных уровнях мощности - ЯРТЭГ.  Последние  наиболее  перспективны  для
АЭУ КЛА.
       Достоинства   ТЭГ:   большой   срок   службы,   высокая   надежность,
стабильность   параметров,   вибростойкость.   Недостатки   ТЭГ:   невысокие
относительные  энергетические  показатели:  удельная  масса  10-15   кг/кВт,
поверхностная плотность мощности 10 кВт/м2  (на единицу поперечного  сечения
элемента ),  объемная  плотность  мощности  200-400  кВт/м3  и  сравнительно
низкий  КПД  преобразования  энергии  (5-8%).  Применительно   к   ЛА    ТЭГ
представляют собой батареи кремне-германиевых  термоэлектрических  элементов
(ТЭЭ), которые по матричному принципу соединены в ветвях последовательно,  а
ветви  могут  иметь  между  собой  параллельные  соединения.   Батареи   ТЭЭ
заключены с герметичные контейнеры, заполненные инертным газом во  избежание
окисления   и   старения   полупроводников.   Плоские   или   цилиндрические
конструкции ТЭГ снабжаются устройствами для подвода тепла на  горячих  спаях
и для его отвода  на  "холодных"   спаях  полупроводниковых  термостолбиков.
Конструкция силовых  электровыводов  ТЭГ  должна  обеспечивать  одновременно
термоплотность  и  электрическую  изоляцию  от  корпуса  (контейнера),   что
представляет достаточно сложную техническую задачу.


      1.2  Физические основы работы термоэлектрических генераторов

      В  основе  действия  любого  ТЭЭ  лежат  обратимые  термоэлектрические
эффекты Пельтье, Томсона  (Кельвина)  и  Зебека.  Определяющая  роль  в  ТЭГ
принадлежит   эффекту    термо-ЭДС    (Зебека).    Преобразование    энергии
сопровождается необратимыми (диссипативными) эффектами: передачей  тепла  за
счет теплопроводности материала ТЭЭ  и  протекании  тока.  Материалы  ТЭЭ  с
приместной  электронной  и   дырочной   проводимостью   получают   введением
легирующих добавок в кристаллы основного полупроводника.
[pic]
Рис. 1. Принципиальная схема элементарного полупроводникового ТЭГ
      При рабочих температурах Т  900  100 К целесообразны сплавы 20-30% Ge-
Si, а при Т  600  800  К  -  материалы  на  основе  теллуридов  и  селенидов
свинца, висмута и сурьмы. Схема кремниевого ТЭЭ показана на  рис.  1.  Тепло
Q1  подводится  к  ТЭЭ  (ТЭГ)  через  стенку   нагревателя   1   с   помощью
теплоносителя  (  например  жидкометаллического),  тепловой  трубы  или  при
непосредственном контакте с зоной тепловыделения реактора.  Через  стенку  7
холодильника тепло Q2  отводится  от  ТЭГ  (излучением,  теплоносителем  или
тепловой трубой). Спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков 4  и
9  образованы  металлическими  шинами  3  и  5,  8,   которые   электрически
изолированы от стенок 1 и 7  слоями  диэлектрика  2,  6  на  основе  оксидов
температур Т = Т1-Т2.
        Эффективность   ТЭГ   обеспечивается   существенной   разнородностью
структуры ветвей 4 и 9. Ветвь р-типа  с  дырочной  проводимостью  получается
введением в сплав Si-Ge акцепторных примесей атомарного  бора  В.  Ветвь  п-
типа с электронной проводимостью образуется при легировании Si-Ge  донорными
атомами  фосфора  Р.  Из-за  повышенной  химической   активности   и   малой
механической прочности полупроводниковых материалов соединение их  с  шинами
3, 5, 8  выполняется  прослойками  из  сплава  кремний-бор.  Для  достижения
стабильной  работы  батарея  ТЭЭ  герметизирована  металлической   кассетой,
заполненной аргоном.
       Эффект  Пельтье.  В  пограничной   плоскости   -   спае   разнородных
полупроводников (или металлов) - при протекании  тока  I  поглощается  тепло
Qп,  если  направление  тока  I  совпадают  с  направлением  результирующего
теплового  потока  (  который  возник  бы  при  подогреве  спая).  Если   же
направления  тока  I  и  этого  потока  противоположны,  Qп   происходит  от
внешнего  источника  тепла  (из  нагревателя   потребляется   дополнительная
энергия)  либо  из  внутренних  запасов  энергии,  если   внешний   источник
отсутствует ( в этом случае наблюдается охлаждение  спая).  В  замкнутой  на
сопротивлении Rп термоэлектрической цепи ТЭГ на горячих спаях  столбиков  ТЭ
тепло Qп поглощается (эндотермический эффект). Это охлаждение  Пельтье  надо
компенсировать дополнительным подводом тепла Qп  извне.  На  холодных  спаях
тепло Пельтье выделяется (экзотермический  эффект).  Выделившееся  тепло  Qп
необходимо отводить с помощью внешнего  охлаждающего  устройства.  Указанные
явления обуславливаются перераспределением  носителей  зарядов  (электронов)
по уровням энергии: при повышении  средней  энергии  электронов  ее  избыток
выделяется в спае. Тепло Пельтье пропорционально переносимому заряду:  [pic]
где  =(Т) - коэффициент Пельтье [pic]
      Электрический ток I=dq/dt, следовательно, энергия (за время t )
                                    [pic]
а тепловая мощность
                                    [pic]
Обратимость эффекта Пельтье состоит в том, что при питании цепи током  I  от
внешнего источника характер теплового действия  I  на  спай  можно  изменять
реверсированием   направления   тока   .   На   этом    основано    создание
термоэлектрических нагревателей  и  холодильников.  Последние  имеют  больше
практическое значение.
      Эффект Томсона  (Кельвина)  .  Эффект  Томсона  относится  к  объемным
(линейным) эффектам в отличие от плоскостного (точечного)  эффекта  Пельтье.
при протекании  тока  I  по  термически  неоднородному  полупроводнику  (или
проводнику) на его отрезке (х1,х2) с перепадом Т1-Т20  в  случае  совпадения
направлений тока и градиента [pic]
выделяется тепло Томсона Qт (нагрев отрезка). При встречных  направлениях  I
и  Т  тепло  Qт  поглощается  (охлаждение   отрезка).   Эффект   объясняется
изменением энергии движущихся электронов при перемещении в  область  с  иным
температурным уровнем. При реверсе  направления  I  наблюдается  обратимость
эффекта  Томсона,  т.е.  перемена  экзо-  или   эндотермического   характера
теплового действия. Теп ловя энергия пропорциональна току  I  и  перепаду  Т
т.е. [pic] причем dT=|T|dx. Следовательно (для [pic]                на р-  и
п-участках),
                                    [pic]
Здесь [pic]  - среднее значение коэффициента Томсона для данного  материала.
В  одномерном  случае               |T|=dT/dx.   Тепловая   мощность   [pic]
Количественное значение эффекта Томсона второстепенно.
        Эффект   Зебека.   В   цепи   двух   разнородных   проводников   или
полупроводников, спай и концы которых имеют  перепад  температур,  возникает
элементарная термо-ЭДС dE=Z(T)dT или ЭДС
                                    [pic]
причем среднее значение коэффициента Зебека
                                    [pic]
Эффект обратим: если  соотношение [pic]  заменить на [pic],  то  направление
действия Е меняется, т.е.  происходит  реверс  полярности  ТЭЭ.  Обратимость
эффекта Зебека сопровождается обратимостью эффекта Пельтье.
Принцип работы ТЭЭ. (рис. 1). Кинетическая энергия электронов на конце  цепи
с [pic] выше, чем на "холодных" концах с Т=Т2 ,  следовательно,  преобладает
диффузия  электронов  от  горячего  спая  к  холодным  концам.  концентрация
электронов в р- и п-ветвях различна, поэтому более  отрицательный  потенциал
получает конец термостолбика п-типа, по отношения к которому конец  столбика
р-типа  имеет  положительный  потенциал.  Разность  потенциалов   Е=Z(T1-T2)
обуславливает ток I ( при замыкании цепи на  сопротивление  Rн  нагрузки)  и
полезную электрическую  мощность  [pic]  Работе  ТЭГ  сопутствуют  обратимые
эффекты.

      1.3 Батареи термоэлектрических элементов

      Для получения в ТЭГ характерного напряжения U30 В при ЭДС  одного  ТЭЭ
Е0,10,3 В требуется последовательно соединить в батарею примерно  N102  ТЭЭ.
при заданных размерах  сечения  термостолбика  и  уровнях  тока  I  нагрузки
необходимое число параллельных  ветвей  в  батарее  определяется  плотностью
тока J=I/s10 A/см2. Для КЛА выполняются батареи ТЭГ мощностью от  единиц  до
сотен ватт. В СССР для стационарных и передвижных АЭУ  созда
скачать работу

 Другие рефераты


Энергетические системы | Энергетические и тепловые системы — НАСА RPS: Radioisotope Power Systems

Марсоход Curiosity сделал этот автопортрет, на котором в центре изображен его радиоизотопный термоэлектрический генератор (RTG).

Наследие разведки

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы или РИТЭГи обеспечивают электроэнергией космические корабли путем преобразования тепла, выделяемого при распаде топлива плутония-238 (Pu-238), в электричество с помощью устройств, называемых термопарами.Поскольку в них нет движущихся частей, которые могут выйти из строя или изнашиваться, РИТЭГи исторически считались высоконадежным источником питания. Термопары использовались в РИТЭГах в общей сложности более 300 лет, и ни одна термопара никогда не прекращала выработку энергии.

Термопары часто используются в предметах повседневного обихода, которые должны контролировать или регулировать их температуру, например, в кондиционерах, холодильниках и медицинских термометрах. Принцип термопары состоит из двух пластин, каждая из которых изготовлена ​​из разного металла, проводящего электричество.Соединение этих двух пластин с образованием замкнутой электрической цепи при поддержании двух переходов при разных температурах создает электрический ток. Каждая из этих пар спаев образует индивидуальную термопару. В РИТЭГе радиоизотопное топливо нагревает один из этих переходов, в то время как другой переход остается ненагретым и охлаждается космической средой или планетной атмосферой.

Многофункциональный радиоизотопный термоэлектрический генератор Маркированный раздельный вид, показывающий основные компоненты MMRTG или многоцелевого радиоизотопного термоэлектрического генератора.Изображение предоставлено НАСА.

Текущая модель РИТЭГа — многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор или MMRTG . Он основан на типе РИТЭГов, которые ранее использовались на двух спускаемых аппаратах «Викинг» и космических кораблях «Пионер 10» и «Пионер-11» (РИТЭГ SNAP-19). Он предназначен для использования либо в космическом вакууме, либо в атмосфере планеты. Избыточная тепловая энергия от MMRTG может использоваться в качестве удобного и постоянного источника тепла для поддержания надлежащих рабочих температур космического корабля и его инструментов в холодных условиях.

Обзор радиоизотопных термоэлектрических генераторов

Обзор радиоизотопных термоэлектрических генераторов

Мейсон Цзян


15 марта 2013 г.

Представлено как курсовая работа для Ph341, Стэнфордский университет, зима 2013 г.

Введение

Рис. 1: Схема типичного радиоизотопа термоэлектрический генератор.(Любезно предоставлено НАСА.)

Ядерные процессы давно используются для производство тепла и электроэнергии для нужд энергетики. В большинстве из них случаях, как методы генерации, так и возможные приложения являются часто ассоциируется с крупномасштабными сооружениями (электростанциями) и распространение (национальное использование). Однако действительно есть гораздо меньшие масштабные ситуации, связанные с производством энергии с использованием ядерных процессы. Один из таких примеров — использование радиоизотопа. термоэлектрические генераторы (РИТЭГ).РИТЭГи — это устройства, преобразующие отработанное тепло, выделяемое процессами радиоактивного распада, в пригодное для использования электрической энергии и часто устанавливаются в космических объектах, которые требуют энергии и других удаленных структур / машин, которые не могут получить энергоэффективно любым другим способом. К ним относятся спутники, зонды, и отдаленные маяки. В идеале РИТЭГи устанавливаются в системах под некоторые из следующих обстоятельств:

  1. Невозможно постоянно обслуживать и обслужено

  2. Не может вырабатывать солнечную энергию эффективно

  3. Необходимо продолжать работу без помощи человека на длительный срок

  4. Минимальное взаимодействие с человеком

Исходя из этих обстоятельств, основное применение РИТЭГов находится в полностью автоматизированных системах, которые не будут испытывать человеческий контакт для периоды времени дольше, чем у других источников энергии, таких как батареи и топливные элементы, могут выдерживать и в условиях окружающей среды, которые не способствует производству энергии естественными способами (солнечными, ветровыми и т. д.)). В Ниже приводится обзор радиоизотопных термоэлектрических генераторов. включая описания их конструкций и того, как они работают, некоторые примеры современных приложений и несколько комментариев к их общим безопасность.

Проект

Типичная конструкция РИТЭГа на самом деле относительно простой и понятный, состоящий из двух важнейших компонентов: топлива который будет радиоактивно распадаться, и большой набор термопар для преобразовывать тепло в электричество. Рис. 1 представляет собой разрез Типичный современный РИТЭГ, демонстрирующий все детали интерьера.Топливо расположены за слоем теплоизоляции и футерованы термопары в модулях по бокам РИТЭГа. В частности, это изображение показывает многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG), о чем мы еще поговорим позже.

Выбор топлива для РИТЭГов, конечно, не мелочь; есть несколько критериев, которым должны соответствовать изотопы чтобы баллотироваться в качестве кандидатов. Фактически, первоначальные исследования, проведенные доктора Бертрама Бланке о разработке РИТЭГов оценено более 1300 радиоактивных изотопов для проекта, но обнаружено, что только 47 из них подходящие характеристики.[1] Эти характеристики включают:

  1. Способность производить высокую энергию радиация

  2. Склонность к радиационному распаду тепло

  3. Обладание длительным периодом полураспада для непрерывного производство энергии

  4. Большая тепловая мощность к массе (или плотности) соотношение

Первый фактор довольно очевиден и просто констатация того факта, что любой изотоп, выбранный в качестве топлива, должен быть способный высвободить достаточно энергии в процессе распада, чтобы служить практичный и достаточно плодотворный источник термоэлектрического преобразования.Этот одна характеристика не исключает многих изотопов, но следующая черта возможность производить остаточное тепло радиационного распада является более строгим руководство.

Тепло, связанное с большинством радиоактивных распад происходит в результате поглощения продуктов распада в различные материалы и вызывают тепловое движение атомов. Для компактного устройства, такого как RTG, эффективное тепловыделение должно происходить на относительно небольшая шкала длины в пределах стенок устройства. Это прямо означает потребность в продуктах распада с коротким замыканием. длины поглощения.Рассмотрение различных типов радиоактивного распада (альфа, бета, гамма) порядок длин поглощения излучения от от самого короткого до самого длинного — это альфа, бета, а затем гамма. Это означает, что на конечной длине материала, содержащегося в РИТЭГе, наибольшее тепловыделение будет производиться альфа-распадом. Поэтому при выборе подходящего Топливо РИТЭГ, лучше всего находить изотопы, распадающиеся с альфа-излучением первый. Однако следует отметить, что изотопы, дающие бета и гамма-излучение тоже может быть жизнеспособным кандидатом при условии надлежащего материалы используются для поглощения и преобразования в тепло для этих виды излучения.

Далее следующий критерий выбора топлива длительный период полураспада. Учитывая, что большинство РИТЭГов окажется в изолированном среды с очень небольшим человеческим присутствием и, следовательно, шансы на повторное топливо, потребность в изотопе, который может непрерывно производить энергию для довольно очевидны длительные периоды времени. Конечно точный изотоп Требования к периоду полураспада будут варьироваться в зависимости от ситуации, но, как правило, желательны более длительные периоды полураспада, ведущие к устойчивому уровню энергии производство.Последний параметр для выбора приемлемого изотопа: в основном заявление об эффективности размера. Для создания компактного устройства RTG, каждый элемент должен быть достаточно маленьким, включая топливо. Даже если конкретный изотоп соответствует всем вышеперечисленным критериям для топлива выбор, если требуется чрезмерное количество вещества для производства необходимая энергия, он будет менее привлекательным. Для РИТЭГов, которые в конечном итоге в небольших внеземных транспортных средствах / приложениях, вес и эффективность в конечном итоге становятся наиболее важными факторами.

На основании всех вышеперечисленных факторов наибольшая Часто используемые изотопы для топлива РИТЭГов включают плутоний-238 (Pu-238), Стронций-90 (Sr-90) и кюрий-244 (Cm-244) с наибольшим содержанием Pu-238. цитировал топливо на большинстве ресурсов о РИТЭГах. На самом деле частое использование Pu-238 для РИТЭГов, в том числе его использование почти в двух десятках космических миссий, привело к недавней нехватке сильно зависимого материала. [2] Пу-238 удовлетворяет всем указанным выше требованиям к топливу РИТЭГа с высокой выход излучения, в первую очередь, каналы альфа-распада и, следовательно, низкое экранирование потребности, очень длительный период полураспада 88 лет и упакованные топливные гранулы в размер зефира, как показано на рис.2. Другие изотопы могут также служат топливом, но имеют ряд недостатков по сравнению с Pu-238, включая дополнительные требования к экранированию из-за не-альфа радиационный распад, более короткие периоды полураспада и, как правило, меньшее излучение выход.

С учетом критериев топлива РИТЭГ, обсуждение другого важного компонента РИТЭГов — термопар. Как только изотопная топливная таблетка установлена ​​в РИТЭГ, она начинает разлагаться. радиоактивно, создавая тепло, которое собирается за счет распределения тепла блоки.Эти блоки затем отправляют тепло на наборы термопар, которые преобразовывать тепло в полезную электроэнергию. Термопары издавна в использовании и не являются особенно сложными или зарождающимися. Они полагаются на единственный простой принцип, названный эффектом Зеебека, впервые обнаруженный Томас Зеебек в 1821 г., который отмечает, что дифференциал температура между двумя концами приведет к электрическому напряжению и наоборот. Таким образом, если устройство может быть сконструировано для достижения сильного температурный градиент в электропроводящем элементе, тогда разность напряжений может быть вызвана вместе с полезным электрическим Текущий.Обычно это требует использования материалов с низким тепловым проводимость, что позволило бы обеспечить большой перепад температур до накапливаются между двумя концами и обладают высокой электропроводностью, так что токи могут легко течь. В настоящее время термопары, используемые в РИТЭГах, содержат: высокоэффективные термоэлектрические материалы, такие как теллурид висмута (BiTe), теллурид свинца (PbTe), теллуриды, содержащие сурьму, германий и серебро (TAGS) и кремний германий (SiGe). [3] Эти материалы поглощают тепло, выделяемое изотопным топливом РИТЭГа, создают резкий перепад температур из-за их низкой теплопроводности, а затем производят электрические токи, которые выводятся РИТЭГом на элементы, требующие питания.

Несмотря на простую реализацию термопары в РИТЭГах, основным недостатком их использования является их низкая эффективность преобразования тепла в электрическую энергию. Коэффициенты конверсии для перечисленные выше материалы обычно находятся в диапазоне от 5 до 9%. [4] Хотя существуют и другие варианты, очень немногие из них соответствуют низкой стоимости, низкой вес и простота использования термопар.

Приложения

Простая конструкция РИТЭГов обуславливает их утилизацию. во многих приложениях, соответствующих параметрам, перечисленным во введении, как на Земле, так и в космосе.На Земле РИТЭГи использовались в беспилотных таких объектов, как сотни старых, заброшенных русских маяков и различные объекты арктического мониторинга по заказу США. [5,6] Ключи к эти наземные виды использования заключаются в том, что РИТЭГи были размещены в удаленных участки, к которым люди не часто обращаются для обслуживания и используемые в объектов, которые останутся на своих местах в течение длительных периодов время, длящееся десятилетиями. Это оправдывает использование этих потенциально опасные атомные РИТЭГи на Земле, сводящие к минимуму опасность для человека существа.Элемент безопасности РИТЭГов кратко будет рассмотрен в следующем разделе. раздел.

Наиболее результативное использование РИТЭГов было в множество межзвездных проектов, в том числе довольно большое количество разнообразных космические зонды, отправленные на Луну, полеты к внешним планетам Солнечной Такие системы, как Pioneer и Voyager, и совсем недавно роботизированный вездеход Любопытство отправлено на Марс. [7-9] Установка РИТЭГа на Марс. Ровер здесь особенно интересен, так как дает возможность обсудить самую современную итерацию космических РИТЭГов, названную многоцелевой. миссия радиоизотопных термоэлектрических генераторов (ММРТГ).

Функционально MMRTG фактически сохраняет то же самое ингредиенты, как и все другие РИТЭГи, описанные выше, даже с использованием Pu-238 в качестве их источник радиационного топлива. [9] Это свидетельство истинного надежность и эффективность оригинальной идеи и модели РИТЭГа. Пожалуй, единственное серьезное обновление — это использование более новых и улучшенных термоэлектрические преобразователи, а именно устройства PbTe / TAGS, предназначенные для выжать от 100 до 125 Вт электроэнергии из Pu-238 топливные пеллеты в течение 14 лет.[10,11] Этот дизайн MMRTG имеет надежно работает Curiosity с момента его приземления 6 августа 2012 г. и скорее всего, будут использоваться в будущих космических аппаратах и ​​модулях.

Безопасность

Как и при реализации любого атомного базирования процессы в функционирующие устройства, всегда есть беспокойство о человеческих безопасность и радиоактивное загрязнение. Несмотря на то, что РИТЭГи предназначены для функционируют в отдаленных средах с малочисленным населением, опасения не совсем беспочвенные, так как есть много вопросов относительно случая утечки топлива РИТЭГа или возможных взрывов при запуск РИТЭГов в космос.В худшем случае этих В таких ситуациях может наблюдаться значительное радиоактивное загрязнение окружающей среде, а также потенциальной радиационной опасности для человека. Это делает использование и запуск РИТЭГов как минимум полусспорным. Однако на практике применяются меры безопасности, чтобы свести к минимуму риски радиоактивного загрязнения от РИТЭГов. Например, в НАСА миссия на Сатурн с зондом Кассини-Гюйгенс, изотоп РИТЭГ топливо хранилось в высокопрочных блоках графита и окружено слой металлического иридия, чтобы снизить риск случайного взрывы.[12] Эти графитовые блоки оказались успешными в предотвращение радиационного заражения, как в случае с прославленным провалом Посадка Аполлона-13 в 1970 году, который оставил свой РИТЭГ в океане после его вернуться на Землю, но без обнаруживаемого загрязнения плутонием. [13] В в итоге, несмотря на потенциальные радиационные риски, преимущества использования РИТЭГов намного перевешивают все остальные факторы.

Заключение

Использование РИТЭГов — прекрасный пример применение ядерных процессов в меньших масштабах.Они широко реализованы в космических проектах, требующих энергии там, где ресурсы по мощности скудны наряду с земными проектами в областях с очень мало человеческого присутствия. Использование РИТЭГов будет только увеличиваться в будущем, поскольку они являются эффективными источниками энергии для конкретных ситуаций, хотя различные источники топлива должны быть обнаружены и эффективно интегрированы с постепенным истощением Pu-238.

© Мейсон Цзян. Автор дает разрешение на копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде, с ссылка на автора, только в некоммерческих целях.Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] B.C. Blanke et al. , «Ядерная батарея. Сводный отчет о типах термопар, «Monsanto Research Corporation», MLM-1127, 15 января 62.

[2] Д. Крамер, «Нехватка плутония-238 ставит под угрозу Миссии НАСА по планетарной науке, Physics Today 64 , No. 1, 24 (2011).

[3] Г. Р. Шмидт, Т. Дж. Сатлифф и Л. А. Дудзински, «Энергия радиоизотопов: ключ к успеху» Технологии для исследования дальнего космоса », в Радиоизотопы — Приложения в физических науках , изд.Н. Сингх (InTech, 2011), стр. 419.

[4] Энергоэффективные технологии для Пеший солдат (National Academy Press, 1997), стр. 218.

[5] М. К. Сневе, «Пульт дистанционного управления». Контроль, Международное агентство по атомной энергии Бюл. 48 , № 1, 42 (2006).

[6] «Источники энергии для удаленных арктических приложений», Управление оценки технологий США, OTA-BP-ETI 129, июнь 1994 г.

[7] Д. Харланд, Аполлон-12 — На берегу океана Storms (Springer, 2010), стр.269.

[8] Г.Л. Беннетт, «Космическая ядерная энергетика: открытие Последний рубеж «, Am. Ins. Aero. Astro., AIAA 2006-4191, июнь 2006.

[9] W.J. Hennigan, «Марс Марсоход использует ядерную энергию для путешествия вокруг Красной планеты, Лос «Анджелес Таймс», 5 августа 12,

[10] Ф. Ритц и К. Э. Петерсон, «Многоцелевой Обзор программы радиоизотопных термоэлектрических генераторов (MMRTG), » Proc. 2004 IEEE Aerospace Conf (IEEE, 2004).

[11] А. К. Мисра, «Обзор программы НАСА по Разработка радиоизотопных энергетических систем с высокой удельной мощностью », Являюсь.Inst. Аэро. Astro., AIEE 2006-4187, Июнь 2006г.

[12] Дж. А. Румерман, «Сборник исторических данных НАСА» Том VII Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства НАСА SP-2009-4012, 2009 г., стр. 741.

[13] W. J. Broad, «Сатурн Использование Миссией плутониевого топлива вызывает предупреждения об опасности », Новый York Times, 8 сентября 97 г.

Какое будущее у радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ)?

Какое будущее у радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ)?

Жан-Батист Руффио


21 февраля 2017 г.

Представлено как курсовая работа для Ph341, Стэнфордский университет, зима 2017 г.

Введение

Фиг.1: Автопортрет Curiosity на ‘Окорузо’ Просверлите отверстие. Curiosity питается от электрической мощности 110 Вт. Радиоизотопный термоэлектрический генератор. (Любезно предоставлено НАСА / Лаборатория реактивного движения)

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) крошечные электростанции, которые можно использовать как очень долговечные батареи. В электричество постоянно вырабатывается из тепла, производимого разлагающимся радиоактивное ядро.РИТЭГи оказались чрезвычайно полезными в определенных приложения, в которых человеческое взаимодействие редко или отсутствует. Такой приложения столь же разнообразны, как космические зонды и вездеходы (рис. 1), маяки и даже кардиостимуляторы с миниатюрными РИТЭГами. [1,2] РИТЭГи действительно очень прочный и надежный благодаря очень простой и надежной архитектура. РИТЭГи — важнейший компонент будущего дальнего космоса исследование. Однако их будущее было неопределенным из-за сокращение поставок и отсутствие производства плутония-238, который обычный радиоактивный элемент, используемый в качестве топлива.Например, у РИТЭГов есть был популяризирован в фильме «Марсианин» (2015) Ридли Скотта в который Марк Уотни (Мэтт Дэймон) использует отходящее тепло РИТЭГа, чтобы выжить его путешествие по марсианской пустыне, чтобы добраться до ракеты, которая может пусть сбежит с планеты.

Как это работает?

РИТЭГ состоит как из источника тепла, так и из термопары для преобразования тепла в электричество. Приходит жара от распадающегося радиоактивного материала, излучающего частицы (в идеале альфа частица), кинетическая энергия которой улавливается окружающим материалом.Термопара — это устройство, создающее разность напряжений, и в конечном итоге электричество от двух разных совместных проводников в разных температуры. Основной принцип работы РИТЭГов можно найти в Цзян и Crerend. [3,4] РИТЭГи являются наиболее распространенным типом радиоизотопной энергетики. Системы (RPS). НАСА исследует другие технологии с лучшими электрическая мощность к тепловой эффективности, как термодинамика Стирлинга циклические или термофотоэлектрические технологии преобразования энергии.[5] Эти у подходов есть свои недостатки: цикл Стирлинга требует сложного архитектура и движущиеся части, которые с большей вероятностью выйдут из строя во время термофотоэлектрический подход по-прежнему не соответствует эффективности и стоимости требования по сравнению с обычными РИТЭГами. По всем этим причинам РИТЭГи по-прежнему являются оптимальным выбором для исследования дальнего космоса.

Прошлые опасения

Несколько изотопов могли и использовались для RPS, но было показано, что Pu-238 является оптимальным выбором.[6] многочисленные преимущества включают длительный период полураспада 88 лет, высокую температуру вес и объемная эффективность, будучи безопасными и доступными. В последнее время, проблема заключалась в том, что НАСА использовало фиксированный запас Pu-238. в течение последних 30 лет, потому что производство остановилось в США в 1988 году. [6] Еще 40 кг были закуплены у Россия, чтобы удовлетворить потребности НАСА, но Россия сама остановила все производство. Кроме того, запасы Pu-238 ухудшаются, и большая часть инвентарь больше не соответствует требованиям миссий.В то время как Текущие запасы могут обеспечить достаточное количество материала до 2020 г., а в 2009 г. исследование утверждало, что «Если статус-кво сохранится, Соединенные Штаты будут не сможет предоставить RPS для любых последующих миссий »[6].

Текущее производство Pu-238

В результате этих открытий НАСА решило инвестировать и возобновить производство Пу-238. В декабре 2015 года в Ок-Ридж Национальная лаборатория (ORNL) объявила о производстве 50 г Pu-238.[7] Процесс включает в себя бомбардировку Np-237 нейтронами для его преобразования. в Np-238 с использованием реактора изотопного потока с высоким потоком на ORNL. Np-238 тогда быстро распадается на Pu-238. Np-237 является побочным продуктом ядерной реакторов, как гражданских, так и военных, поскольку он легко образуется из нейтронов захват U-235 и U-238 и имеет период полураспада 2 миллиона лет. В Запасы Np-237 хранятся в Национальной лаборатории Айдахо, в то время как окончательный Pu-238 отправляется в Лос-Аламосскую национальную лабораторию и хранится там.Этот новый высококачественный Pu-238 можно смешивать со старыми расходными материалами по порядку. чтобы они соответствовали требованиям будущей миссии, поэтому Преимущество текущего ограниченного производства.

© Жан-Батист Руффио. Автор грантов разрешение на копирование, распространение и отображение этой работы в неизмененном виде, со ссылкой на автора, только для некоммерческих целей. Все другие права, в том числе коммерческие, принадлежат автор.

Список литературы

[1] W. J. F. Standring et al. , «Окружающая среда», Оценка здоровья и безопасности при снятии с эксплуатации радиоизотопов Термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) на Северо-Западе России // Радиология и безопасность. 27 , 321 (2007).

[2] F. N. Huffman, et al. , «Радиоизотоп Электрокардиостимуляторы с электроприводом, Cardiovasc. Dis., 1 , 52 (1974).

[3] М.Цзян, «An Обзор радиоизотопных термоэлектрических генераторов », Physics 241, Стэнфордский университет, зима 2013 г.

[4] А. Креенд, «Радиоизотоп Термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), Physics 241, Stanford University, Зима 2015.

[5] D. J. Anderson, et al. , «Радиоизотоп НАСА» Обзор NRA технологии преобразования энергии, Национальное агентство аэронавтики США и Космическое управление, NASA / TM-2005-213981, ноябрь 2005 г.

[6] Радиоизотопные энергосистемы: императив для Сохранение лидерства США в освоении космоса (Национальные академии Пресс, 2009)

[7] П. Гвинн, «США перезапускают плутоний-238» Производство, «Мир физики» 29 , № 4, 7 (2016).

Импульсный генератор радиоизотопов в будущем ISRO

Следующая статья была первоначально опубликована в марте 2017 года. Она была переиздана 8 сентября 2019 года после комментариев экспертов о том, что после Чандраяна 2 будущие миссии ISRO должны продлиться дольше. космос следует рассмотреть возможность использования генераторов радиоизотопов.

С 1960-х годов и до сегодняшнего дня множество спутников и зондов, запущенных людьми, исследовали планетных соседей Земли, тысячи звезд, внешние границы Солнечной системы и непрекращающиеся чудеса внутри и снаружи. Мы поглотили взгляды, которые они увидели, и с их помощью построили видение космоса как бесконечной пустоты, наполненной красотой, подобной первозданному стеклянному мрамору, пропитанному кристаллами, застывшими в космосе.

Эти миссии были построены, запущены и маневрировали на огромных расстояниях благодаря, в их наиболее важных аспектах, мечтам и решимости человечества.Однако в космосе эти атрибуты имеют значение ровно столько же, сколько инженерные компоненты миссии — и никогда больше, чем источник энергии.

Для миссий, которым не нужно уходить далеко от Земли, где достаточно солнечного света, зонды питались от солнечных батарей. Но запускаемые людьми миссии пошли гораздо дальше — зонд «Вояджер-1» находится за пределами Солнечной системы — и мы намерены продолжать делать больше шагов в этом направлении. В таких случаях предпочтительным источником энергии был радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ).

Популярные примеры зондов, питаемых от РИТЭГов, включают орбитальный аппарат Кассини вокруг Сатурна, зонд New Horizon для внешней Солнечной системы, марсоход Curiosity на Марсе и старые зонды Voyager. Есть и десятки других примеров. В начале 2016 года ходили слухи, что миссия ISRO Chandrayaan 2 на Луну также будет оснащена РИТЭГом; с тех пор выяснилось, что солнечные панели сделают эту работу.

РИТЭГ, в отличие от обычных генераторов, к которым мы привыкли на Земле, не имеет движущихся частей.Вместо этого он преобразует тепло, выделяемое радиоактивным материалом, в электричество. РИТЭГи часто обеспечивают в лучшем случае несколько сотен ватт, но этого достаточно для питания нескольких космических приборов. Например, марсоход Curiosity оснащен РИТЭГом, который преобразует 2000 Вт, выделяемые при распаде 4,8 кг диоксида плутония-238 в его сердце, в производство 125 Вт электроэнергии. Если этот КПД бледнеет по сравнению с КПД паровой турбины — около 45% — избыточное тепло изотопа всегда можно использовать для обогрева марсохода, когда его окружение становится слишком холодным.

Принцип работы

Описание РИТЭГа с плаката Лестерского университета. Предоставлено: Калифорнийский технологический институт

.

Поскольку RTG не имеет движущихся частей и не требует регулярного обслуживания, он хорошо подходит для питания устройств, которые не требуют ухода в течение длительного времени. Помимо полетов в космос, Советский Союз также использовал РИТЭГи для питания ряда маяков, которые он установил за Полярным кругом во время холодной войны. Критики выразили обеспокоенность по поводу этих установок из-за их уязвимости для краж, особенно со стороны террористов, ищущих внутри изотоп стронция-90, поскольку они не находятся под постоянным контролем.

Для преобразования тепла или тепловой энергии распадающегося радиоактивного изотопа в электрическую энергию РИТЭГ использует эффект Зеебека, названный в честь Томаса Иоганна Зеебека, который открыл его в 1821 году. ток возникает в месте соединения двух проводов из разных материалов, если они имеют разную температуру.

Это происходит потому, что разница температур заставляет электроны в разных материалах течь по-разному.В результате на переходе создается напряжение, которое приводит к электрическому току. Термопара использует такие провода, которые встречаются друг с другом в нескольких точках. Поскольку эффект Зеебека работает в обоих направлениях, термопару можно использовать для производства тепла при приложении напряжения или для выработки тока при приложении тепла. В РИТЭГе тепло поступает за счет радиоактивного распада.

Как и многое в американской космической программе, в которой впервые использовались РИТЭГи, американские военные первыми заказали разработку.В 1947 году правительство создало ответвление Манхэттенского проекта, которое участвовало в создании спусковых крючков для плутониевой бомбы. Позже он стал известен как Mound Laboratories. Два инженера, Джон Бирден и Кен Джордан, запатентовали первый РИТЭГ в 1958 году как «атомный милливаттный генератор». В 1957 году Лаборатории исследований и разработок сигнального корпуса армии США обратились к ним за помощью в выборе подходящего радионуклида для использования в термоэлектрическом генераторе.

Согласно отчету, опубликованному Министерством энергетики США в октябре 1960 года, Маунд составил короткий список своих кандидатов следующим образом:

Первоначальное исключение изотопов как источников тепла производилось на основе периода полураспада.Любой изотоп с периодом полураспада менее 100 дней или более 100 лет был отброшен. Было сделано несколько исключений, чтобы не упустить из виду вероятный изотоп. В дальнейшем были исключены изотопы, которые (1) были только гамма-излучателями, (2) имели радиоактивные переходы, дающие гамма-излучение с энергией более одного миллиона электрон-вольт, (3) имели переходы с возникновением гамма-излучения более десяти процентов с энергиями более 0,1 миллиона электрон-вольт, (4) имел схемы распада, в которых участвовали дочерние элементы, имеющие любую из предыдущих гамма-характеристик, или (5) имел настолько малую энергию частиц, что потребовалось бы более одного процента эффективности преобразования, чтобы получить 0.Выходная мощность 01 Вт. Был проведен литературный поиск нуклидов с целью удаления изотопов, не обладающих желаемыми ядерными свойствами.

Лучшие двигатели, более серьезные проблемы

В окончательный список вошло 47 изотопов, в том числе плутоний-238. Авторы отчета писали, что, хотя плутоний-238 производился в ничтожных количествах в качестве побочного продукта в ядерных реакторах, «большое количество обогащенного уранового топлива, используемого в реакторах, делает эту схему осуществимой». Действительно, в феврале 2015 года, как сообщается, у НАСА было достаточно Pu-238, чтобы обеспечить как минимум три миссии в масштабе Curiosity.С тех пор было установлено, что одной из таких миссий станет марсоход Mars 2020. Другой может быть миссия Europa Clipper, намеченная на середину 2020-х годов.

Но будет ли дефицит или нет, многие космические агентства работают над усовершенствованием РИТЭГов, чтобы сделать их более мощными и эффективными. Одной из таких конструкций является радиоизотопный генератор Стирлинга (SRG).

Генератор Стирлинга как таковой существует примерно с 17 века. Параллельно с появлением паровой машины он пережил период неиспользования и был наконец возрожден в доктранзисторный период 20-го века.Его принцип работы такой же, как у двигателя внутреннего сгорания, за исключением того, что у Стирлинга нет внутреннего сгорания. То есть его источник тепла находится вне двигателя.

Согласно Википедии, генератор Стирлинга работает за счет «циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа при разных температурах, так что происходит чистое преобразование тепловой энергии в механическую работу» (см. GIF ниже). В результате требуется только подходящая рабочая жидкость, такая как воздух или вода, и два цилиндра, которые должны поддерживаться при разных температурах.Как и в случае с термопарой РИТЭГа, источником тепла здесь является радиоактивный изотоп.

Кредит: Zephyris в англоязычной Википедии, CC BY-SA 3.0

Поскольку генератор не сжигает рабочую жидкость, SRG может работать практически бесшумно. Другое его преимущество состоит в том, что, поскольку его источник тепла находится вне самого двигателя, его движущиеся части могут работать намного дольше, прежде чем их придется заменять.

НАСА работало над усовершенствованной версией SRG с использованием гелия в качестве рабочего тела до 2013 года, когда программа была свернута.Основная причина? Бюджеты НАСА на межпланетные миссии до того времени неуклонно сокращались, поэтому прекращение работ над усовершенствованной SRG высвободило более 500 миллионов долларов (3300 крор рупий), которые агентство могло перераспределить, чтобы поддерживать некоторые миссии. Это решение также избавило НАСА от обязанности размещать продвинутые SRG в недорогих миссиях для тестирования.

Это действительно усложняет проблемы для НАСА, потому что при той же мощности многоцелевой RTG использует в четыре раза больше плутония-238, чем SRG.С другой стороны, поскольку у усовершенствованного SRG есть движущиеся части, а у многоцелевого RTG нет, космический корабль должен будет иметь запасной на случай, если первый провалится.

Министерство энергетики США имеет ограниченное количество плутония-238, хотя в ноябре 2013 года оно объявило, что будет производить больше изотопа с 2020 года, при 1 кг / год и общих затратах в 200 миллионов долларов. Это означает, что на создание еще двух многоцелевых РИТЭГов уйдет десять лет.

Автоматически возникает вопрос: как изменился профиль миссии НАСА на следующее десятилетие, когда оно отменило продвинутую программу SRG?

Генератор в наше будущее

Ван Р.Кейн, эколог из Вашингтонского университета и энтузиаст исследования планет, составил следующую таблицу в декабре 2013 года на основе отчетов о десятилетних исследованиях, опубликованных НАСА. То, что зонд Сатурна «вероятно» может работать с солнечной энергией, имеет решающее значение: если это произойдет, то у НАСА будет больше изотопа, чем потребуется для миссий в следующем десятилетии. Если зонду «Сатурн» обязательно понадобится многоцелевой РИТЭГ, то у агентства будет меньше, чем нужно.

Кейн далее написал в своем блоге, что запланированный орбитальный аппарат HORUS не сможет летать до тех пор, пока в течение некоторого времени не будет запущен новый цикл производства плутония-238, и что больше всего пострадают миссии, находящиеся под эгидой NASA Discovery:

Ожидалось, что НАСА сделает по крайней мере одну пару ASRG доступной для миссии Discovery.Инженеры и ученые придумали хитроумные идеи для миссий на основе ASRG — прыгуна для кометы, посадочного модуля на озере Титан, орбитального аппарата для повторного посещения Титана и Энцелада, пролета Урана и других. Поскольку [многоцелевые РИТЭГи] теперь единственный вариант, НАСА должно накопить запасы Pu-238.

В отличие от НАСА и ИСРО, которые находятся в странах, имеющих доступ к внутреннему плутонию-238, Европейское космическое агентство (ЕКА) должно рассмотреть альтернативы. Один из них — америций-241, один из кандидатов, включенных в окончательный список в отчете 1960 года.

Тим Тинсли из Национальной ядерной лаборатории Великобритании сообщил The Planetary Blog :

При переработке ядерного топлива плутоний отделяется от урана и продуктов деления и хранится для повторного использования в качестве топлива в гражданских ядерных реакторах. Ядерное топливо, которое находилось в гражданском реакторе, будет содержать ряд изотопов плутония, в том числе 241, который имеет период полураспада 14 лет до америция-241. Таким образом, при долгосрочном хранении выделенного гражданскими объектами плутония в результате этого бета-распада будет производиться очень изотопно чистый америций-241.Подобно америцию в отработанном ядерном топливе, этот америций также рассматривается ядерной промышленностью как отходы, которые необходимо удалить, прежде чем плутоний можно будет повторно использовать в ядерном топливе.

С другой стороны, излучение плутония-238 легче защитить, а его удельная мощность (0,5 Вт / г) в пять раз выше. С другой стороны, америций-241 имеет более длительный период полураспада, что означает, что его удельная мощность уменьшается медленнее, и он производится в более чистой форме (99,9% по сравнению с 80%). Возможно, его самым большим преимуществом является то, что Великобритания и Европа имеют лучший доступ к америцию-241, чем к плутонию-238.Однако то, как разыграется Брексит, может это изменить.

A.R. Сундарараджан, ученый на пенсии из Министерства по атомной энергии Индии (DAE), написал, что DAE имеет необходимые объекты для подготовки плутония-238 для использования ISRO в собственных РИТЭГах. Дело только в том, что потребность в таких генераторах еще не проявилась. Более того, ISRO официально не задумывала миссии, которые доставили бы индийские инструменты в места Солнечной системы, где солнечный свет прерывистый, слабый или недоступный. Но будет.

Мы уже побывали на Луне и Марсе. Следующие миссии к этим телам находятся в разработке, как и орбитальный аппарат к Венере. Попытки других космических агентств продемонстрировали, что солнечные панели также будут работать до Юпитера.

Но как только Сатурн оказывается в перекрестии, РИТЭГи и ГРГ — единственный доступный выход, несмотря на достижения в области солнечных батарей для слабого освещения и / или низких температур. DAE имеет или может производить доступ к плутонию-238. И ISRO может разработать необходимую технологию самостоятельно, и в этом случае ей придется разработать долгосрочную стратегию и обеспечить необходимое финансирование.Тинсли писал, что 10 лет — подходящий срок. В качестве альтернативы ISRO может импортировать изотоп из США в соответствии с Соглашением 123, хотя Сундарараджан сказал, что это может быть невыполнимо.

Но во всех смыслах радиоизотопные генераторы в нашем будущем.

Определение размеров энергетической системы гибридного крана RTG с литиевой батареей

Морские порты и железнодорожные терминалы используют резиновый портал (RTG) для организации проходов контейнеров, погрузки и перемещения грузовых контейнеров. Они служат связующим звеном между кранами и транспортными средствами автомобильным, железнодорожным или морским транспортом.Погрузочно-разгрузочные работы с контейнерами и движение кранов RTG приводятся в действие электродвигателями, которые питаются в основном от двух источников, а именно от автономного дизельного двигателя и подключения к сети от местной электрической сети. Если смотреть с точки зрения эффективности работы и управления энергопотреблением, то основная проблема, возникающая в крановой системе RTG, заключается в том, что большая часть потребляемой электроэнергии или топлива приходится на подъем контейнеров разного веса на несколько высот; Кроме того, пиковый спрос возрастает, когда кран RTG обрабатывает более тяжелые контейнеры.Кроме того, во время фазы опускания контейнеров потенциальная мощность рассеивается в виде тепла через блоки резисторов, используемых для торможения. Для решения этих проблем в рамках данной работы были разработаны оптимальные модели управления энергопотреблением предлагаемых гибридных кранов RTG с дизельным двигателем и батареей и гибридных кранов RTG с энергоснабжением и батареей соответственно, чтобы минимизировать общие затраты на электроэнергию. Первая модель была основана на модели оптимального управления энергией для крана RTG, снабженного гибридной системой дизель-генератор / аккумулятор. Цель модели — снизить затраты на энергию и выбросы CO2 за счет минимизации количества топлива, потребляемого дизельным генератором, и максимизации потенциальной энергии, рекуперированной за счет рекуперативного торможения во время фазы опускания контейнера.В качестве примера был выбран кран RTG грузоподъемностью 40 тонн, работающий в Южной Африке. Профиль спроса, размер дизельного генератора, а также аккумуляторная система хранения используются в качестве исходных данных для разработанной модели. Было проведено моделирование полного цикла обращения с РИТЭГами для оценки технико-экономических показателей использования разработанной модели и оптимального распределения потока мощности в системе на различных этапах работы. По сравнению с базовым случаем, когда дизельный генератор используется отдельно для удовлетворения той же потребности, результаты моделирования для выбранного дня работы показали, что с использованием предложенной модели 40.Снижение эксплуатационных расходов на 6%, а также сокращение выбросов CO2 достижимо в случае предлагаемой системы без рекуперации энергии; 82,17% достижимо в случае, если включена рекуперация энергии. Более детально изучив стохастический характер спроса, анализ за год эксплуатации показал, что 76,04% эксплуатационных расходов могут быть потенциально сэкономлены при использовании предлагаемой системы. Результат истинного анализа срока окупаемости показал, что общая инвестиционная стоимость может быть окупена за 1.36 лет. Кроме того, по результатам можно заметить, что пиковая потребляемая мощность дизельного генератора была снижена. Это может помочь снизить номинальную мощность и первоначальную стоимость дизельного генератора. Вторая модель была основана на модели оптимального управления энергией для электрических РИТЭГов, работающих от сети, с аккумуляторной системой хранения. Целью модели является снижение эксплуатационных расходов за счет минимизации компонента, связанного с максимальной платой за спрос от сети, а также компонента, связанного со структурой ценообразования по времени использования (ToU).В качестве примера был выбран кран RTG, работающий в ЮАР. Профиль нагрузки, система хранения аккумуляторных батарей, тариф ToU, а также максимальная потребляемая плата используются в качестве входных данных для разработанной модели. Было проведено моделирование полного цикла обращения с РИТЭГами для оценки технико-экономических характеристик разработанной модели, используемой для оптимального распределения потока мощности в системе на различных этапах работы. Три основные конфигурации были смоделированы в качестве источников энергии для крана RTG, а именно: исключительное энергоснабжение от сети, гибридная система сеть / аккумулятор без рекуперации энергии на этапе спуска и гибридная сеть / аккумулятор с рекуперацией энергии на этапе спуска.По сравнению с базовой линией результаты моделирования показали, что с использованием предложенной модели возможное снижение затрат на 50,36%, 60,6% и 64,4% за полный цикл обслуживания возможно в непиковый стандартный и пиковый период ценообразования для выбран зимний день. Таблица 2 также показывает, что максимальная плата за спрос для полной нагрузки в любом из периодов ценообразования составляет 2 639,39 долларов США, если рассматривать базовый уровень. Эта сумма может быть снижена на 45,20% до 1446,24 доллара США, если кран RTG будет снабжен оптимально управляемой гибридной системой с рекуперацией энергии.Годовой анализ показал, что точка безубыточности предлагаемой оптимально управляемой гибридной сети / батареи с рекуперацией энергии, поставляемой с краном RTG, может наступить через 1,36 года, что соответствует 121 900 долларов США. Для 20-летнего срока службы проекта расчетный жизненный цикл в случае предлагаемой оптимально управляемой сети / батареи с рекуперацией энергии составляет 1 425 000 долларов США. Однако, если рассматривать только базовый уровень, прогнозируемая стоимость жизненного цикла составляет 5 384 000 долларов США. Существует потенциальная стоимость экономия 3 950 000 долларов США, что соответствует 73.53%. Результат анализа истинного срока окупаемости показал, что общая инвестиционная стоимость может быть окупена за 1,716 года. Кроме того, с помощью предлагаемой системы была снижена пиковая потребляемая мощность в сети. Это может помочь уменьшить размер инвертора более чем на 50%, что может снизить начальную стоимость системы. Эти результаты дополнительно демонстрируют, что с помощью предложенных моделей оптимального управления пиковая мощность, потребляемая в сети или в DG, была снижена. Это может помочь уменьшить размер инвертора или ДГ более чем на 50%, что может снизить начальную стоимость системы.Это, в свою очередь, служит большим стимулом для морских портов и железнодорожных терминалов к реализации этих стратегий управления энергопотреблением, снижая их эксплуатационные расходы и увеличивая их выгоды.

Как работают термоэлектрические генераторы — Applied Thermoelectric Solutions LLC

Как работают термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) — это твердотельные полупроводниковые устройства, которые преобразуют разницу температур и тепловой поток в полезный источник постоянного тока.Полупроводниковые устройства термоэлектрического генератора используют эффект Зеебека для генерации напряжения. Это генерируемое напряжение управляет электрическим током и производит полезную мощность на нагрузке.

Модуль термоэлектрического генератора

Термоэлектрический генератор — это не то же самое, что термоэлектрический охладитель. (также известный как TEC, модуль Пельтье, чипы охлаждения, твердотельное охлаждение)

Термоэлектрический охладитель работает наоборот термоэлектрического генератора. Когда на термоэлектрический охладитель подается напряжение, возникает электрический ток.Этот ток вызывает эффект Пельтье. Благодаря этому тепло перемещается с холодной стороны на горячую. Термоэлектрический охладитель также является твердотельным полупроводниковым прибором. Компоненты такие же, как у термоэлектрического генератора, но конструкция компонентов в большинстве случаев отличается.

В то время как термоэлектрические генераторы используются для выработки энергии, термоэлектрические охладители (охладители Пельтье) используются для отвода или добавления тепла. Термоэлектрическое охлаждение находит множество применений в охлаждении, обогреве, охлаждении, контроле температуры и терморегулировании.

В центре внимания остальных постов — термоэлектрические генераторы.

Как термоэлектрический генератор использует эффект Зеебека?

Основным строительным блоком термоэлектрического генератора является термопара. Термопара состоит из одного полупроводника p-типа и одного полупроводника n-типа. Полупроводники соединены металлической полосой, которая соединяет их последовательно. Полупроводники также известны как термоэлементы, кубики или гранулы.

Пара термоэлектрических генераторов Термоэлектрический генератор (пеллеты, кубики, полупроводники, термоэлементы)

Эффект Зеебека — это прямое преобразование энергии тепла в потенциал напряжения.Эффект Зеебека возникает из-за движения носителей заряда внутри полупроводников. В легированных полупроводниках n-типа носителями заряда являются электроны, а в легированных полупроводниках p-типа носителями заряда являются дырки. Носители заряда диффундируют от горячей стороны полупроводника. Эта диффузия приводит к скоплению носителей заряда на одном конце. Это накопление заряда создает потенциал напряжения, который прямо пропорционален разнице температур в полупроводнике.

Носители заряда термоэлектрических генераторов

Какие полупроводниковые материалы используются для термоэлектрических генераторов?

Для термоэлектрических генераторов обычно используются три материала.Эти материалы представляют собой теллурид висмута (Bi2Te3), теллурид свинца (PbTe) и кремний-германий (SiGe). Какой материал используется, зависит от характеристик источника тепла, радиатора и конструкции термоэлектрического генератора. Многие материалы для термоэлектрических генераторов в настоящее время проходят исследования, но еще не реализованы в коммерческих целях.

Теллурид сурьмы и висмута (BiSbTe)

Что такое модуль термоэлектрического генератора?

Для создания модуля термоэлектрического генератора многие пары p-типа и n-типа электрически соединяются последовательно и / или параллельно для создания требуемых электрического тока и напряжения.Пары помещают между двумя параллельными керамическими пластинами. Пластины обеспечивают жесткость конструкции, плоскую поверхность для монтажа и диэлектрический слой для предотвращения коротких замыканий.

Модуль термоэлектрического генератора

Кто открыл эффект Зеебека? Когда был обнаружен эффект Зеебека?

До недавнего времени считалось, что Томас Зеебек открыл то, что сегодня известно как эффект Зеебека. Сейчас считается, что Алессандро Вольта открыл эффект Зеебека за 27 лет до Томаса Зеебека.Открытие произошло за 224 года до написания этой статьи.

В 1794 году Алессандро Вольта провел эксперименты, в которых он придал железному стержню U-образную форму. Один конец стержня нагревали, погружая его в кипящую воду. Когда неравномерно нагретый стержень был электрически соединен с уже не живой ногой лягушки, через ногу лягушки пропускался ток, и мышцы сокращались. Считается, что это первая демонстрация эффекта Зеебека.

Алессандро Вольта

В 1821 году Томас Зеебек обнаружил, что при нагревании одного из стыков двух соединенных разнородных металлов стрелка компаса, расположенная на близком расстоянии, вращается.Первоначально это называлось термомагнитным эффектом. Позже было обнаружено, что напряжение и, следовательно, ток индуцировались нагревом перехода. Ток создавал магнитное поле по закону Ампера. Это индуцированное напряжение из-за нагрева перехода стало известно как эффект Зеебека.

RTG-CST-Principle Education Specialist — Shanghai — Medtronic Careers

Благодарим за интерес к должности специалиста по образованию RTG-CST-Principle в Шанхае.К сожалению, данная вакансия уже закрыта, но вы можете выполнить поиск среди наших 3 313 открытых вакансий, нажав здесь. Должны иметь: Минимальные требования
  • Требуется степень бакалавра
  • Минимум 7 лет соответствующего опыта или ученая степень с минимальным опытом 5 лет

Приятно иметь

О компании Medtronic

Вместе, мы можем изменить здравоохранение во всем мире.В Medtronic мы раздвигаем границы того, что могут сделать технологии, методы лечения и услуги, чтобы облегчить боль, восстановить здоровье и продлить жизнь. Мы ставим перед собой и друг перед другом задачу сделать завтра лучше, чем вчера. Это то, что делает это место захватывающим и полезным.

Мы хотим ускорить и расширить нашу способность создавать значимые инновации, но мы добьемся успеха только с правильными людьми в нашей команде. Давайте вместе работать над удовлетворением всеобщих потребностей в области здравоохранения и улучшением жизни пациентов.Помогите нам сформировать будущее.

Физические требования к работе

Физические требования, описанные в разделе «Обязанности» данной должностной инструкции, являются репрезентативными для тех, которые должны выполняться сотрудником для успешного выполнения основных функций на этой должности. Могут быть сделаны разумные приспособления, позволяющие инвалидам выполнять основные функции. Для офисных ролей: при выполнении своих обязанностей на этой должности сотрудник регулярно должен быть независимо мобильным.Сотрудник также должен взаимодействовать с компьютером и общаться со сверстниками и коллегами. Свяжитесь со своим менеджером или местным отделом кадров, чтобы узнать об условиях работы и физических требованиях, которые могут быть специфичными для каждой должности. (ADA-Соединенные Штаты Америки)

  • Дата публикации: 18 августа 2020 г.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.