Так получилось, что в серии "Мирный космический атом" мы движемся от фантастического к распространенному. В прошлый раз мы поговорили об энергетических реакторах, очевидный следующий шаг - рассказать о радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Недавно на Хабре был отличный пост про РИТЭГ зонда "Кассини", а мы рассмотрим эту тему с более широкой точки зрения.
Физика процесса
Производство тепла
В отличие от ядерного реактора, который использует явление цепной ядерной реакции, радиоизотопные генераторы используют естественный распад радиоактивных изотопов. Вспомним, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. В зависимости от количества нейтронов в ядре конкретного атома, он может быть стабильным, или же проявлять тенденцию к самопроизвольному распаду. Например, атом кобальта 59Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к 59Co один нейтрон (например, поместив "обычный" кобальт в атомный реактор), то получится 60Co, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5,2 года. Термин "период полураспада" означает, что через 5,2 года один атом распадется с вероятностью 50%, а от ста атомов останется примерно половина. У всех "обычных" элементов есть свои изотопы с разным периодом полураспада:
3D карта изотопов, спасибо
crustgroup за картинку.Подбирая подходящий изотоп, можно получить РИТЭГ с требуемым сроком службы и другими параметрами:
| Изотоп | Способ получения | Удельная мощность, Вт/г | Объёмная мощность, Вт/см³ | Период полураспада | Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/г | Рабочая форма изотопа |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 60Со (кобальт-60) | Облучение в реакторе | 2,9 | ~26 | 5,271 года | 193,2 | Металл, сплав |
| 238Pu (плутоний-238) | атомный реактор | 0,568 | 6,9 | 86 лет | 608,7 | Карбид плутония |
| 90Sr (стронций-90) | осколки деления | 0,93 | 0,7 | 28 лет | 162,721 | SrO, SrTiO3 |
| 144Ce (церий-144) | осколки деления | 2,6 | 12,5 | 285 дней | 57,439 | CeO2 |
| 242Cm (кюрий-242) | атомный реактор | 121 | 1169 | 162 дня | 677,8 | Cm2O3 |
| 147Pm (прометий-147) | осколки деления | 0,37 | 1,1 | 2,64 года | 12,34 | Pm2O3 |
| 137Cs (цезий-137) | осколки деления | 0,27 | 1,27 | 33 года | 230,24 | CsCl |
| 210Po (полоний-210) | облучение висмута | 142 | 1320 | 138 дней | 677,59 | сплавы со свинцом, иттрием, золотом |
| 244Cm (кюрий-244) | атомный реактор | 2,8 | 33,25 | 18,1 года | 640,6 | Cm2O3 |
| 232U (уран-232) | облучение тория | 8,097 | ~88,67 | 68,9 лет | 4887,103 | диоксид, карбид, нитрид урана |
| 106Ru (рутений-106) | осколки деления | 29,8 | 369,818 | ~371,63 сут | 9,854 | металл, сплав |
То, что распад изотопов происходит самостоятельно, означает, что РИТЭГом нельзя управлять. После загрузки топлива он будет нагреваться и производить электричество годами, постепенно деградируя. Уменьшение количества делящегося изотопа означает, что будет меньше ядерных распадов, меньше тепла и электричества. Плюс, падение электрической мощности усугубит деградация электрического генератора.
Существует упрощённая версия РИТЭГа, в котором распад изотопа используется только для обогрева, без получения электричества. Такой модуль называется блоком обогрева или RHG (Radioisotope Heat Generator).
Превращение тепла в электричество
Как и в случае атомного реактора, на выходе у нас получается тепло, которое надо каким-либо образом преобразовать в электричество. Для этого можно использовать:
- Термоэлектрический преобразователь. Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества.
- Термоэмиссионный преобразователь. В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы "допрыгнуть" до анода, создавая электрический ток.
- Термофотоэлектрический преобразователь. В этом случае к источнику тепла подсоединяется фотоэлемент, работающий в инфракрасном диапазоне. Источник тепла испускает фотоны, которые улавливаются фотоэлементом и преобразуются в электричество.
- Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах. Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы.
- Двигатель Стирлинга - тепловая машина для преобразования разности температуры в механическую работу. Электричество получается из механической работы с использованием какого-либо генератора.
История
Первый экспериментальный радиоизотопный источник энергии был представлен в 1913 году. Но только со второй половины XX века, с распространением ядерных реакторов, на которых можно было получать изотопы в промышленных масштабах, РИТЭГи стали активно использоваться.
США
В США РИТЭГами занималась уже знакомая вам по прошлому посту организация SNAP.
SNAP-1.
Это был экспериментальный РИТЭГ на 144Ce и с генератором на цикле Ренкина (паровая машина) со ртутью в качестве теплоносителя. Генератор успешно проработал 2500 часов на Земле, но в космос не полетел.
SNAP-3.
Первый РИТЭГ, летавший в космос на навигационных спутниках Transit 4A и 4B. Энергетическая мощность 2 Вт, вес 2 кг, использовал плутоний-238.
Sentry
РИТЭГ для метеорологического спутника. Энергетическая мощность 4,5 Вт, изотоп - стронций-90.
SNAP-7.
Семейство наземных РИТЭГов для маяков, световых буев, погодных станций, акустических буев и тому подобного. Очень большие модели, вес от 850 до 2720 кг. Энергетическая мощность - десятки ватт. Например, SNAP-7D - 30 Вт при массе 2 т.
SNAP-9
Серийный РИТЭГ для навигационных спутников Transit. Масса 12 кг, электрическая мощность 25 Вт.
SNAP-11
Экспериментальный РИТЭГ для лунных посадочных станций Surveyor. Предлагалось использовать изотоп кюрий-242. Электрическая мощность - 25 Вт. Не использовались.
SNAP-19
Серийный РИТЭГ, использовался во множестве миссий - метеорологические спутники Nimbus, зонды "Пионер" -10 и -11, марсианские посадочные станции "Викинг". Изотоп - плутоний-238, энергетическая мощность ~40 Вт.
SNAP-21 и -23
РИТЭГи для подводного применения на стронции-90.
SNAP-27
РИТЭГи для питания научного оборудования программы "Аполлон". 3,8 кг. плутония-238 давали энергетическую мощность 70 Вт. Лунное научное оборудование было выключено ещё в 1977 году (люди и аппаратура на Земле требовали денег, а их не хватало). РИТЭГи на 1977 год выдавали от 36 до 60 Вт электрической мощности.
MHW-RTG
Название расшифровывается как "многосотваттный РИТЭГ". 4,5 кг. плутония-238 давали 2400 Вт тепловой мощности и 160 Вт электрической. Эти РИТЭГи стояли на Экспериментальных Спутниках Линкольна (LES-8,9) и уже 37 лет обеспечивают теплом и электричеством "Вояджеры". На 2014 год РИТЭГи обеспечивают около 53% своей начальной мощности.
GPHS-RTG
Самый мощный из космических РИТЭГов. 7,8 кг плутония-238 давали 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Использовался на солнечном зонде "Улисс", зондах "Галилео", "Кассини-Гюйгенс" и летит к Плутону на "Новых горизонтах".
MMRTG
РИТЭГ для "Кьюриосити". 4 кг плутония-238, 2000 Вт тепловой мощности, 100 Вт электической.
Тёплый
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:
- Очень простая конструкция.
- Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
- Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
- Не требует управления и присмотра.
Недостатки:
- Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.
- Производство топлива сложное, дорогое и медленное.
- Низкий КПД.
- 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:
- Документ "Космическая ядерная энергия: открывая последний горизонт".
- Тема "Отечественные РИТЭГ" на "Новостях Космонавтики".
- Отечественные РИТЭГи.
- Teledyne heritage.
- RTG на сайте NASA.
Journal information