Schema de RTG folosită pe nava spațială Cassini-Huygens
RTG-urile sunt aplicabile ca surse de energie pentru sisteme autonome aflate la distanță de sursele de alimentare tradiționale și care au nevoie de câteva zeci-sute de wați pentru un timp de funcționare foarte lung, prea lung pentru baterii sau baterii.
RTG-urile sunt principala sursă de energie pentru vehiculele spațiale. care îndeplinesc o misiune lungă și sunt departe de Soare (de exemplu, Voyager 2 sau Cassini Huygens), în care utilizarea celulelor solare este ineficientă sau imposibilă.
Sondele "Galileo" și "Cassini" au fost de asemenea echipate cu surse de energie, pentru care plutoniul a servit drept combustibil [4]. Roverul "Curiozitate" primește energie datorită plutoniului-238 [5]. Mars rover folosește cea mai recentă generație de RTG-uri, numită Generator termoelectric cu radio-izotopi multi-misiune. Acest dispozitiv produce 125 de wați de energie electrică. și după expirarea a 14 ani - 100 W [6].
RTAP SNAP-27, utilizat în zborul Apollo-14 (centru)
Câteva kilograme de 238 PuO2 au fost folosite pe unele zboruri Apollo pentru alimentarea dispozitivelor ALSEP. Generatorul de energie SNAP-27 (Engleza pentru sistem auxiliar de putere), a cărui putere termică și electrică a fost de 1480 W și, respectiv, 63,5 W a conținut 3.735 kg de dioxid de plutoniu-238.
RTG-urile au fost utilizate în balize de navigație. balize radio. stații meteorologice și echipamente similare instalate în zona în care, din motive tehnice sau economice, nu este posibilă utilizarea altor surse de energie. În special, în URSS au fost utilizate ca surse de alimentare pentru echipamentele de navigație instalate pe coasta Oceanului Arctic de-a lungul rutei Marea Nordului. În prezent, datorită riscului de scurgere a radiațiilor și a materialelor radioactive, practica de instalare a RTG-urilor nesupravegheate în locuri inaccesibile a fost oprită.
Materialele radioactive utilizate în RTG-uri trebuie să îndeplinească următoarele caracteristici:
- O activitate volumetrică suficient de mare pentru obținerea unei eliberări semnificative de energie într-o instalație limitată. Volumul minim este limitat de rezistența termică și radiații a materialelor, izotopii slab activi agravează perfecțiunea energetică a masei instalației. De obicei, acest lucru înseamnă că timpul de înjumătățire al izotopului ar trebui să fie suficient de mic pentru dezintegrări de intensitate ridicată, iar degradarea ar trebui să dea o mulțime de energie ușor de recuperat.
- Timp destul de lung pentru a menține puterea pentru sarcină. Aceasta înseamnă, de obicei, că timpul de înjumătățire al izotopului trebuie să fie suficient de mare pentru o anumită cantitate de eliberare a energiei. Timpul de înjumătățire tipic al izotopilor utilizați în RTG-uri este de câteva decenii, deși izotopii cu un timp de înjumătățire scurt pot fi utilizați pentru aplicații specializate.
- O formă de radiație ionizantă convenabilă pentru utilizarea energiei. Gama de radiații zboară cu ușurință din structură, purtând cu ea energia decăderii. Relativ ușor poate zbura și de neutroni. Electronii cu energie înaltă produsă de decăderea β sunt bine reținuți, dar în acest caz se produce o radiație X de raze X, care îndepărtează o parte din energie. În decăderea α, se formează a-particule masive, renunțând efectiv la energia lor practic la punctul de formare.
- Sigur pentru mediul înconjurător și tipul de echipament de radiație ionizantă. Radiațiile gamma, radiațiile radiații și radiațiile neutronice necesită adesea măsuri constructive speciale pentru a proteja personalul și echipamentele apropiate.
- Relativitatea ieftină a izotopului și simplitatea producției sale în cadrul tehnologiilor nucleare disponibile.
Plutoniu-238. curium-244 și stronțiu-90 sunt izotopii cei mai frecvent utilizați. Alți izotopi, cum ar fi polonium-210. prometium-147, cesiu-137. ceriu -144, ruteniu-106, cobalt-60. curiu-242 și izotopi de tuliu au fost de asemenea studiate. De exemplu, poloniul-210 are un timp de înjumătățire de numai 138 de zile, cu o eliberare imensă de căldură inițială de 140 W per gram. Ameri-241 cu un timp de înjumătățire de 433 ani și eliberare de căldură de 0,1 W / gram [12].
Plutonium-238 este cel mai des folosit în vehiculele spațiale. Degradarea alfa cu o energie de 5,5 MeV (un gram dă
0,54 W). Timpul de înjumătățire de 88 de ani (pierderea de putere de 0,78% pe an) pentru a forma un foarte stabil izotop 234 U. Plutoniu-238 este un emițător alfa aproape pur, pe care unul dintre cele mai sigure de izotopi radioactivi cu cerințe minime de protecție biologică face. Cu toate acestea, obținerea unui izotop relativ pur, 238, necesită operarea unor reactoare speciale, ceea ce îl face scump [13] [14].
Stronțiu-90 a fost utilizat pe scară largă în RTG-urile de la sol ale producției sovietice și americane. Un lanț de două decalări β dă o energie totală de 2,8 MeV (un gram dă
0,46 W). Timpul de înjumătățire de 29 de ani, cu formarea unui 90 Zr stabil. Stronțiul-90 este obținut din combustibil uzat din reactori nucleari în cantități mari. Lacul și abundența acestui izotop determină utilizarea sa largă în echipamentele de la sol. Spre deosebire de plutoniu-238, stronțiul-90 creează un nivel semnificativ de radiație ionizantă cu permeabilitate ridicată, ceea ce reprezintă cerințe relativ ridicate pentru protecția biologică [14].
Există un concept de RTG subcritice [15] [16]. Un generator subcritic constă dintr-o sursă de neutroni și un material fisionabil. Neutronii sursei sunt capturați de nucleele materialului fisionabil și provoacă fisiunea lor. Principalul avantaj al unui astfel de generator este că energia eliberată în reacția de fisiune este mult mai mare decât energia alfa-dezintegrare. De exemplu, pentru plutoniu-238 aceasta este de aproximativ 200 MeV față de 5,6 MeV. emis de acest nuclid în timpul degradării alfa. În consecință, cantitatea necesară de materie este mult mai mică. Numărul de descompuneri și activitatea de radiație în ceea ce privește eliberarea de căldură sunt, de asemenea, mai mici. Aceasta reduce greutatea și dimensiunile generatorului.
RTG-urile dezafectate
Solduri RTG în Rusia
În timpul URSS, au fost produse 1007 RTG-uri pentru operarea suprafețelor. Aproape toate au fost realizate pe baza unui element combustibil radioactiv cu statoriu-90 de izotopi (RIT-90). Elementul combustibil este o capsulă sudată sigilată, sigilată, care conține un izotop interior. Au fost produse mai multe versiuni ale RIT-90 cu cantități diferite de izotop [17]. RTG a fost echipat cu una sau mai multe capsule RHS, protecția împotriva radiațiilor (adesea bazată pe uraniu sărăcit), un generator termoelectric, un radiator de răcire, o carcasă ermetică, circuite electrice. Tipuri de RTG produse în Uniunea Sovietică: [17] [18]
Puterea termică, W
Puterea electrică, W
Durata de viață a instalațiilor poate fi de 10-30 ani. majoritatea s-au încheiat. RTG este un pericol potențial, deoarece este situat într-o zonă pustie și poate fi furat și apoi folosit ca o bombă murdară. Pericolele pentru metalele neferoase s-au înregistrat în cazul RITEG [19]. în timp ce răpitorii înșiși au primit o doză letală de radiație [20].
Noile RTG-uri pentru nevoile de navigație nu mai sunt produse, ci sunt instalate centrale eoliene și convertoare fotoelectrice [20]. în unele cazuri, generatoare diesel. Aceste dispozitive sunt numite AIP (surse alternative de alimentare). Constă dintr-un panou solar (sau o turbină eoliană), un set de baterii fără întreținere, un baliză LED (circulară sau carcasă), o unitate electronică programabilă care specifică algoritmul operării balizajului.
Cerințe pentru proiectarea RTG
În URSS, cerințele pentru RTG-uri au fost stabilite în GOST 18696-90 "Generatoare termoelectrice cu radionuclizi. Tipuri și cerințe tehnice generale ". și GOST 20250-83 "Generatoare termoelectrice cu radionuclizi. Reguli de acceptare și metode de testare. "
- Rata de dozare echivalentă a radiațiilor ionizante pe suprafața exterioară a RTG nu trebuie să depășească 2,0 mSv / h, iar la o distanță de 1 m de acesta - 0,1 mSv / h.
- Design-ul ar trebui să se asigure că nici o ieșire RTG radionuclizi și păstrarea caracteristicilor de protecție radiațiilor de ecranare, la care se încadrează RTG pe o bază rigidă, cu o înălțime de 9 m, și după expunerea la o temperatură de 800 ° C timp de 30 min.
- Temperatura tuturor suprafețelor disponibile ale RTG nu trebuie să depășească 80 ° C [25].
Incidente cu RTG pe teritoriul CSI
Sursele de date - Bellona [26] și AIEA [17]