Radioizotopowy generator termoelektryczny

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
RTG zastosowany w sondach Voyager

Radioizotopowy generator termoelektryczny lub radioizotopowa bateria termoelektryczna (RTG, z ang. radioisotope thermoelectric generator) – generator prądu elektrycznego, w którym źródłem energii jest rozpad izotopu promieniotwórczego, a wydzielone w ten sposób ciepło zamieniane jest na energię elektryczną. Baterie tego typu są używane głównie jako źródła zasilania w satelitach, statkach kosmicznych i nienadzorowanych urządzeniach pracujących zdalnie (boje, latarnie morskie, ALSEP itp.).

Zasada działania[edytuj | edytuj kod]

Materiał radioaktywny (paliwo) jest umieszczony w pojemniku do którego wprowadzone jest jedno złącze termopary. Drugie złącze termopary wprowadzone jest do czynnika chłodzącego (np. przyłączone do radiatora). Rozpad radioaktywny uwalnia energię, która w wyniku zderzeń zmienia się w energię termiczną ogrzewającą jeden koniec termopary. Różnica temperatur między złączami, w wyniku efektu Seebecka, wywołuje siłę elektromotoryczną i przepływ prądu. Większe różnice temperatur powodują wytworzenie większej mocy.

Generatora nie należy mylić z baterią jądrową mającą odmienne działanie, mimo że energia w obu pochodzi z rozpadów promieniotwórczych.

Paliwo[edytuj | edytuj kod]

Materiał radioaktywny używany w generatorze musi spełniać kilka warunków:

  • Postępujący rozpad radioaktywny paliwa zmniejsza ilość paliwa powodując zmniejszanie ilości wydzielanego ciepła. Stąd czas połowicznego rozpadu musi być na tyle długi, aby moc generatora nie malała szybko wraz z upływem czasu. Jednocześnie nie może być zbyt długi, gdyż liczba rozpadów w jednostce czasu będzie mała.
  • 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 poprzez promieniowanie hamowania. W tym przypadku, optymalnymi 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 90Sr. 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, 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.

RTG w sondzie Cassini-Huygens

Użycie[edytuj | edytuj kod]

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, New Horizons, Viking i misjach programu 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.

Czas życia[edytuj | edytuj kod]

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.

Zagrożenia[edytuj | edytuj kod]

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 wytworzenia bomby atomowej o efektywnej sile rażenia[a]. Dodatkowo jest to materiał gorący i radioaktywny, co znacznie utrudnia z nim prace.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Uwagi[edytuj | edytuj kod]

  1. Zachodzące w plutonie-238 samorzutne reakcje rozszczepienia powodują powstanie reakcji łańcuchowej zbyt wcześnie, zanim materiał rozszczepialny przyjmie geometrię niezbędną do efektywnego przebiegu reakcji jądrowej, co powoduje odparowanie plutonu, przedwczesną eksplozję bomby i rozproszenie materiału rozszczepialnego.

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]