Radioizotopowy generator termoelektryczny
Z Wikipedii
Radioizotopowy generator termoelektryczny lub Radioizotopowa bateria termoelektryczna (ang. Radioisotope thermoelectric generator, RTG) - prosty generator prądu elektrycznego otrzymywanego poprzez rozpad izotopu promieniotwórczego. Baterie tego typu są używane głównie jako źródła zasilania w satelitach i nienadzorowanych urządzeniach pracujących zdalnie (boje, latarnie morskie itp.)
Spis treści |
[edytuj] Zasada działania
Działanie baterii opiera się o efekt Seebecka. Materiał radioaktywny (paliwo) jest umieszczony w pojemniku do którego wprowadzony jest także jeden koniec termopary. Drugi koniec termopary wprowadzony jest do czynnika chłodzącego (np przyłączony do radiatora). Rozpad radioaktywny produkuje ciepło, które ogrzewając jeden koniec termopary powoduje w niej przepływ prądu. Wyższe różnice temperatur powodują wytworzenie większej mocy.
Generatora nie należy mylić z baterią atomową, która wykorzystując również rozpad radioaktywny ma zupełnie odmienne działanie.
[edytuj] Paliwo
Materiał radioaktywny używany w generatorze musi spełniać kilka warunków:
- Postępujący rozpad radioaktywny paliwa powoduje zmniejszanie ilości wydzielanego ciepła. Stąd okres rozpadu połowicznego musi być na tyle długi, aby moc generatora nie malała szybko wraz z upływem czasu.
- Szybkość rozpadu musi być stosunkowo duża, aby produkować duże ilości ciepła
- Do zastosowań kosmicznych paliwo musi być wydajne w stosunku do swojej masy i objętości
- Paliwo nie powinno emitować promieniowania o wysokiej przenikliwości wymagających dodatkowych osłon (ekranów ochronnych) jak promieniowanie gamma czy promienie X. Promieniowanie β jest również niekorzystne, gdyż może powodować emisję promieniowania gamma poprzez promieniowanie hamowania. Najbardziej optymalne są izotopy emitujące cząstki α
- Produkty rozpadu są także często promieniotwórcze i powinny spełniać wszystkie powyższe założenia
Wszystkie te warunki ograniczają liczbę potencjalnych izotopów do 30. Najczęściej są stosowane 238Pu, 244Cm i 90St. Poza tym używane są 210Po, 147Pm, 137Cs, 144Ce, 106Ru, 60Co, 242Cm oraz izotopy Tulu. Spośród wymienionych pluton-238 ma najdłuższy czas rozpadu (87,7 lat), stosunkowo wysoką wydajność i najniższe wymagania co do osłon. Tylko trzy izotopy spełniają kryterium niskiej radiacji beta i gamma i potrzebują osłon ołowiowych grubości kilku cm. Pluton-238 wymaga osłony grubości jedynie kilku mm lub wcale (wystarcza po prostu osłona całej baterii).
Z tych powodów pluton jest najczęściej używanym izotopem w baterii. W instalacjach naziemnych Związek Radziecki używał strontu-90, który ma krótszy czas rozpadu (29 lat), niższą wydajność i emituje promieniowanie gamma, ale jest dużo tańszy. Używany w pierwszych konstrukcjach polon-210 posiada ogromną wydajność (140 W ciepła/g), ale ma bardzo krótki czas rozpadu (139 dni) i emituje promieniowanie gamma.
Izotop 241Am był również testowany. Jego okres rozpadu wynosi 432 lata, więc teoretycznie może zasilać baterię przez setki lat. Jednak jego wydajność to około 1/4 wydajności plutonu-238, a poza tym emituje więcej promieniowania gamma. Pod względem wymagań ekranowania (potrzebuje ekranów ołowianych grubości około 2 cm) stawia go to na drugim miejscu po plutonie-238.
[edytuj] Użycie
Stany Zjednoczone użyły po raz pierwszy RTG w satelicie nawigacyjnym Transit 4A w 1961 roku.
RTG są używane przede wszystkim na statkach kosmicznych, szczególnie tych, które podróżują na tyle daleko od Słońca, że baterie słoneczne nie spełniają swego zadania. Stąd zostały użyte w sondach Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini-Huygens, Viking i misjach Program Apollo 12-17.
Związek Radziecki wyprodukował także wiele bezzałogowych latarni morskich i boi nawigacyjnych zasilanych tego typu bateriami.
Miniaturowe wersje baterii były też stosowane w rozrusznikach serca.
[edytuj] Czas życia
Najbardziej popularny 238Pu ma czas rozpadu 87,7 lat. Stąd bateria używająca tego izotopu traci około 1-0,51/87,7 = 0,787% mocy na rok. 23 lata po wyprodukowaniu taka bateria będzie miała 0,523/87,7 = 0,834 początkowej mocy. Tak więc moc 470 W po 23 latach osłabnie do 0,834 * 470 W = 392 W. Dodatkowo, w miarę upływu czasu, termopary także się degenerują. Na początku 2001 roku moc produkowana przez RTG w sondzie Voyager 1 spadła do 315 W, a w Voyager 2 do 319 W. Oznacza to, że sprawność termopar spadła do 80% początkowego poziomu.
[edytuj] Zagrożenia
Należy zauważyć, że w RTG nie występują reakcje łańcuchowe (jak w reaktorach jądrowych), więc nie ma możliwości ani wybuchu, ani stopienia paliwa. W niektórych typach baterii nie występuje nawet rozszczepienie jądra. Tym samym paliwo jest zużywane powoli i jest produkowane dużo mniej energii.
Nie oznacza to, że baterie są całkowicie bezpieczne. Zawsze istnieje możliwość skażenia radioaktywnego w przypadku rozszczelnienia pojemnika paliwa. Problem jest szczególnie istotny w przypadku wynoszenia na orbitę pojazdów kosmicznych zawierających takie baterie.
Znane jest pięć wypadków związanych z użyciem RTG. Pierwsze dwa związane są z nieudanymi próbami wystrzelenia amerykańskich satelitów Transit i Nimbus. Dwa następne to nieudane radzieckie misje Kosmos (pojazdy księżycowe miały zasilanie RTG). Wreszcie misja Apollo 13, w której moduł księżycowy spłonął w atmosferze nad Fidżi. Sama bateria jednak ocalała i wpadła do Pacyfiku koło Tonga. Późniejsze badania nie stwierdziły jednak zwiększonej radioaktywności w tym regionie.
W celu minimalizacji zagrożeń paliwo jest przechowywane w mniejszych, ceramicznych kapsułach co uniemożliwia jego parowanie. Całość otoczona jest irydem i blokami grafitu. Wszystkie te materiały są odporne na korozję i ciepło.
Problem z urządzeniami naziemnymi jest związany przede wszystkim z radzieckimi bojami nawigacyjnymi i latarniami morskimi. Brak nadzoru powodował wycieki paliwa i kradzieże części. W dodatku niektóre z tych obiektów trudno odnaleźć z powodu braku lub utraty informacji dotyczących ich położenia.
Stosowanie baterii w rozrusznikach serca stwarza pewne zagrożenie w przypadku kremacji po śmierci właściciela bez wcześniejszego usunięcia baterii z ciała. Dlatego też obecne rozruszniki są zasilane bateriami wykonanymi w innych technologiach.
Jeśli chodzi o ewentualne skutki kradzieży plutonu-238, to nie nadaje się on do stworzenia bomby atomowej, gdyż zachodzą w nim samorzutne reakcje rozszczepienia, co może spowodować powstanie reakcji łańcuchowej zbyt wcześnie w procesie wybuchu (co spowoduje stopienie plutonu i przerwanie procesu). Dodatkowo jest to materiał gorący i radioaktywny co znacznie utrudnia z nim prace. Tym samym jest bezwartościowy dla ewentualnych terrorystów.
