Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ)

РИТЭГ

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

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

Применение

РИТЭГ космического аппарата «New Horizons»

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

В космосе

Схема РИТЭГа, используемого на космическом аппарате Кассини-Гюйгенс

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

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

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

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

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

На Земле

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

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

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

Топливо

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

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

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

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

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

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

По материалам Wikipedia