radioisotope thermoelectric generators (rtg) или радиоизотопен термоел
Мисия: Mars Science Laboratory

---

Radioisotope Thermoelectric Generators (RTG) или радиоизотопен термоелектрически генератор (РТГ) на български, често се нарича "космическа батерия" или "ядрена батерия". Благодарение на това устройство, съвременните космически кораби са получили енергийна мощ за да достигнат дълбокия космос.

Най-общо, РТГ функционира като превръща топлината освободена от радиораспада на плутоний 238 на електоенергия. И понеже става въпрос за ядрен разпад, процеса е изключително независим от околните условия и дълготраен. Друго основно предимство на РТГ е, че той няма движещи се части. Устройството произвежда електрическа енергия чрез взаимодействието на два основни компонента - радиоактивен източник на топлина и термоелектрически генератор.

Радиоактивния материал е нестабилен и се разпада от само себе си. При този процес се отделя топлина. Тази топлина е енергийния източник за другия компонент - термоелектрическия генератор който я превръща в електричество.

Термоелектрическия генератор е също много просто устройство и принципа на неговото действие е открит още в началото на миналия век. Докато обикновените генератори имат движеща се част (ротор), термоелектрическия няма. Това означава, че няма какво да се износва и съответно ремонтира, което прави РТГ наистина надежден източник на електроенергия.

Термоелектрическия генератор, се състои от две плочи, всяка от които е изработена от различен метал, който провежда електричество. Един път тези два електрода са съединени за да образуват затворена електрическа верига. Втори път, те са поставени при различни температури - единия е нагрят от радиоизточника на топлина, другия е охладен в околната среда. Когато се изпълни тази схема, тя започва да произвежда електрически ток поради термоелектрическия ефект. Тук той е подробно описан, въпреки че лично на мен тази литература ми е малко тежичка:
Схема на РТГ за мисията "Касини".

РТГ има дълга история. За първи път, устройството е използвано в космоса през 1961 г. на борда на космически кораб на Военноморските сили на САЩ - Транзит 4А. След това, РТГ набира приложение бих казал в повечето велики мисии на НАСА за изследване на космоса - пилотирани и безпилотни. Това са Пайниър 10 и Пайниър 11, Вояджер 1 и Вояджер 2, Галилео, Одисей, Касини, Нови Хоризонти и вече при най-новата мисия "Куриозити" до Марс. В допълнение РТГ е използван като източник на захранване на двата ландера "Викинг" на Марс и научните експерименти оставени на Луната от екипажите на Аполо 12 до 17. Тъй като "Аполо 13" се провали, неговото РТГ сега почива в южната част на Тихия океан, в падината "Тонга". РТГ е бил използван при спътниците Nimbus, Transit и LES.

За радиоактивен източник, на практика може да се използват всички радиоактивни изотопи на познатите ни елементи, но те са силно ограничени, защото РТГ трябва да отговаря на няколко основни критерия. Най-напред активния елемент трябва да произвежда много топлина - колкото повече, толкова повече електроенергия, но все пак не трябва да прегрява. Втория е, радиацията която се отделя, трябва лесно да се абсорбира. Най-голяма част от радиоактивността трябва да се пада на алфа разпада. Бета радиацията е по-проникваща, а за гама и дума не може да става, тя дори произвежда вторична (остатъчна) радиация, което ще изисква много дебела и тежка екраниравка. Третия е, че периода на полуразпад трябва да бъде достатъчно дълъг, за да гарантира дълготрайността на произвежданата електроенергия.

За космическите полети, РТГ трябва да произвежда енергия от радиоактивен материал с колкото може по-малка маса и по-малък обем и да дава колкото се може повече мощност или да има по-голяма плътност на мощността. На първите два критерия, учените са установили, че отговарят общо 30 вещества. Но когато включим третия и четвъртия критерий, броя на елементите се свежда до три - Плутоний 238, Церий 244 и Стронций 90. От тези трите Плутоний 238 е най-за предпочитане - изисква най-тънка екранировка, по малка от 2.5мм и има най-голям период на полуразпад. Когато плутония се свърже химически с кислорода, (PuO2), полученото вещество има разумна плътност и период на полуразпад 87.7 години.

Някои наземни РТГ използват Стронций 90, но този радиоактивен изотоп произвежда повече бета разпад и гама-лъчи, с по-ниска плътност на мощността и е с по кратък период на полуразпад. Но е много по-евтин. Тука трябва да се каже, че ако се използва изотопа полоний-210, той ще осигури феноменален плътност на мощността. Поради високата си радиоактивност това вещество е с много ограничена употреба защото има много кратък период на полуживот - само 138 дни. Един килограм чист 210Po под формата на куб ще има размер на страната около 48 мм и ще е в състояние на произвежда 140kW мощност! Топлината необходима за разтопяването му е около 60kJ/kg, а топлината на изпарение е около 10 пъти по-голяма. Ако куба от това вещество не се охлажда ефективно, отделяната от него топлина ще го разтопи и след това частично изпари.

Церий 242 и Церий 244 също са добри вещества, но те са свързани с тежки екранировки от гама и неутронна радиация, произведена от спонтанното делене.

Americium-241 е изотоп потенциален кандидат с по-дълъг полуживот от 238Pu. 241Am има период на полуразпад цели 432 години и хипотетично би могъл да захрани РТГ, което ще произвежда електроенергия векове. Но за съжаление плътността на мощността на 241Am е само 1 / 4 от тази на 238Pu. Освен това 241Am произвежда повече проникваща радиация и той се нуждае от около 18 мм оловен щит. Все пак това не е толкова недостижимо, затова като евентуален заместител на 238Pu заради настоящия глобален недостиг се определя 241Am.

Повечето РТГ, както стана ясно използват 238Pu, който има период на полуразпад от 87,7 години. Това означава, че изходната произведена мощност ще намалява с 0,787% годишно. Или за 23 години след производството, мощността ще намалее с 16.6%, т.е. 83,4% от първоначалното. Например ако начална мощност на РТГ за мисията "Вояджер" е била 470 W, след 23 години тя трябва да бъде 392 W. Но има и друг проблем - би-металните термодвойки, използвани за преобразуване на топлинната енергия в електрическа се разграждат или ерозират. Затова в началото на 2001 год., енергията произведена от Вояджер1 вместо 392 е 315W, а Вояджер2 е спаднала до до 319 W.

Това се отрази на мисията "Галилео". Първоначално тя е планирана да стартира през 1986 г. Но произшествието с космическата совалка "Челинджър", отлага старта с 4 години. РТГ-то на мисията се разложи и това е наложило препланиране на мисията.

Както стана ясно, РТГ използва термоелектрически двойки или "термодвойки", за да превръщат топлината в електричество. Термодвойките, макар много надеждни и дълготрайни, са също и много неефективни. При тях никога не е постигана ефективност над 10%. Обикновените РТГ имат ефективност между 3-7%. Постигането на по-висока ефективност би означавало по-малко радиоактивно гориво, необходимо за производството на същото количество енергия, и следователно по-леко тегло на генератора. Това е критично важен фактор за космическите полети. Излишно е да се казва, че РТГ би било и по-евтино.

Какви рискове крие РТГ? Използването на РТГ в космоса може да замърси атмосферата на Земята с радиация по време на старта. НАСА оценява, че това е една много малка възможност, но все пак не е за пренебрегване. Когато мисията "Касини-Хюйгенс" полятя през 1997 год., се извърши експертна оценка на вероятността от заразяване вследствие произшествие на различни етапи от мисията. Вероятността от възникването на инцидент, който да предизвика радиоактивно изтичане от една или от повече от общо трите РТГ на кораба през първите 3,5 минути след старта бе оценена на едно към 1400 шанс това да се случи. По късно когато апарата е вече в орбита шанса е подобен - едно към 1 476. По късно, вероятността от радиоактивно замърсяване спада рязко - едно на 12 милиона. Ако по време на старта се случи нещо с превозното средство и настъпи инцидент, вероятността от радиоактивно замърсяване причинено от РТГ е около 1 към 10.

Плутоний 238 има период на полуразпад 87,74 години. Но плутоний 239 използван в ядрените оръжия и реактори има период 24 110 години. В следствие краткия полуживот на плутоний 238, той е около 275 пъти по-радиоактивен от плутоний 239. Затова 3,6 кг плутоний 238, произвежда същия брой радиоактивни разпада в секунда, колкото 1 тон от плутоний 239. Живите организми еднакво реагират на двата изотопа - крайно отрицателно, затова можем да кажем че плутоний 238 е около 275 пъти по-токсичен от плутоний 239 при еднакво тегло.

Алфа радиацията, която е основна от двата изотопа не може да проникне през кожата. Но тя може да затопли вътрешните органи, ако се вдиша или погълне плутоний. Особено изложен на риск е скелета и черния дроб, където изотопа ще се събира и концентрира. От казаното следва, че плутония е едно от най-отровните вещества известно до момента. И ако това звучи лошо, има нещо още по-лошо - до момента има шест произшествия с РТГ свързани с изследването на космоса.

Първото е, настъпилата повреда на 21 април 1964 год., когато навигационния спътник 5BN-3 не успя да постигне орбита и изгоря при повторното навлизане в атмосферата северно от Мадагаскар. Следи от плутоний 238 са били откриваеми в района няколко месеца по-късно.

Второто е метеорологичния спътник Nimbus B-1, чието превозното средство е било умишлено унищожено малко след старта на 21 май 1968 г., защото е поело по неустойчива траектория. За щастие неговото РТГ съдържащо относително инертнен плутониев двуокис се е озовал непокътнат на морското дъно в Санта Барбара и не е замърсил околната среда.

Третия е настъпил от двата провала на съветските луноходи през 1969 год. и двете аварии са освободили радиация, когато са изгорели. Четвъртото произшествие са също пет провала на съветски или руски космически кораби, които са обурудвани с ядрени реактори между 1973 и 1993 год от серията RORSAT.

Петия е провала на мисията "Аполо 13" през април 1970 год. Лунния модул навлезе в атмосферата. За щастие РТГ оцеля при навлизане в атмосферата на Земята непокътнат и потъна под 6-9 километра вода в Тихия океан. Липсата на плутоний 238 в атмосферата и морската вода в проби потвърди предположението, че клетката е непокътната на морското дъно. Очаква се корпуса да издържи на ерозия най-малко 10 полу-живота (т.е. 870 години). Американското министерство на енергетиката извършили тестове на морската вода и определи, че графитния корпус, който е проектиран да издържа на навлизането в атмосферата е стабилен и няма да изпусне плутоний през този период. След това произшествие, дизайна на всички последвали РТГ е променен с цел гарантиране безопасността.

Вече, за да се сведе до минимум риска радиоактивния материал да се освободи в околната среда, горивото се съхранява в отделни модулни единици и всяка има собствено топлинно екраниране. Те са заобиколени от слой иридий и са обвити в графитни блокове с висока якост. Тези два материала са устойчиви на корозия и топлина. Около графитните блокове е изграден "въздушен щит (aeroshell)", който е предназначен да защити от прегряване цялото устройство по време на обратното навлизане в земната атмосфера. Плутонийвото гориво се съхранява в керамична форма, която е топлоустойчива, свежда до минимум риска от изпаряване и разпръскване в атмосферата. Керамиката също е и силно неразтворима.

Шестата и най-нова авария е провала на руската сонда Марс 96, която стартира на 16 ноември 1996 год.. Двете РТГ на борда са съдържали общо 200 грама плутоний и се предполага, че са оцелели при навлизането в атмосферата, защото са проектирани за това. Смята се, че сега те се намират някъде в овална област с размери 320 на 80 км, която е центрирана на 32 км източно от Икике - Чили.

Ако това звучи лошо, трябва да се каже че дяла на радиоактивно замърсяване от РТГ използвано в космоса е нищожен, спрямо ядрените експерименти проведени на Земята. Достатъчно е да споменем аварията в Чернобил и всички ядрени детонации, които са изхвърлили опасната радиация.

Освен това много наземни РТГ, които са захранени със Sr-90, който както стана на въпрос произвежда опасната Бета радиация, произведени в Съветския съюз за захранване на фарове и маяци са станали без надзор. Няколко от тези устройства просто са били незаконно разглобени и предадени за скрап. Няколко са просто изчезнали, други все още са там но поради лошия дизайн вече са опасни и изпускат радиация в океана. Затова, американското министерство на отбраната през последните години със сътрудничеството на съответните държави в които са оставени е предприело контрола им защото материала от тези РТГ може да бъде използван от терористи, които да направят замърсяваща бомба.

Засега е добре да се знае, че 28 космически мисии на САЩ безопасно са летяли и използвали радиоизотопни източници на енергия. И вече най-новата от тях е мисията "Куриозити". Нейната ядрена клетка, осигорява постоянна мощност от 110 вата електроенергия. Ето я и нея:
INL

Интересното при Куриозити е, че ядрената топлоенергия ще се използва по-пълноценно. Един път топлината от радиоактивния разпад ще се използва за производство на електроенергия, която ще захранва всички инструменти и системи на ровъра. Втори път, тази топлина посредством течен фреон ще се пренася във всички системи на ровъра и ще осигурава техните работни температури, дори когато външните условия спаднат под критичните. По този начин се елиминира необходимостта от зимен сън като при предходните ровъри - Спирит и Опортюнити.

Понеже РТГ за Куриозити е от най-нов клас, той е специално проектиран да е надежден и дълготраен. Активното вещество е от керамичен плутониев двуокис, обвито в няколко слоя защитни материали. Общо активните клетки са 16 всяка обвита със собствен слой иридий. След това всяка е поместена в отделна графитена черупка, предпазваща клетката от въздействия. По този начин защитени, клетките се сглобяват по двойки, като всяка двойка отново е обвита от въглероден щит, като по този начин образуват осем горивни модула които образуват самото РТГ за мисията, което е кръстено Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG).

След сглобяването на MMRTG са били проведени серия от тестове. Те включват вибрационни тестове, които симулират ракетния старт. Магнитни тестове, за да се провери дали електрическото поле на системата няма да засегне чувствителното научно обурудване на ровъра. Масови тестове, за да се определи центъра на тежестта, което ще се отрази върху изчислението на задвижването на апарата. Термични и вакуум изпитания, за да се провери работата в студените условия на космическия вакуум.

Накрая ето това видео показва отделните стъпки при сглобяването на MMRTG: Линк

Ето на този линк има изображения и данни за процесите на сглобяване и тестване:

---

• 4034
• 0
• Mar 14, 2012

---

Коментар