Схема РІТЕГ, використовуваного на космічному апараті «Кассіні-Гюйгенс»
РІТЕГ застосовні як джерела енергії для автономних систем, віддалених від традиційних джерел електропостачання і потребують декількох десятках-сотнях ват при дуже тривалому часу роботи, дуже довгому для паливних елементів або акумуляторів.
РІТЕГ є основним джерелом електроживлення на космічних апаратах. виконують тривалий завдання і сильно віддаляються від Сонця (наприклад «Вояджер-2» або «Кассіні-Гюйгенс»), де використання сонячних батарей неефективно або неможливо.
Зонди «Галілео» та «Кассіні» були також обладнані джерелами енергії, як паливо для яких служив плутоній [4]. Марсохід «Curiosity» отримує енергію завдяки плутонію-238 [5]. Марсохід використовує останнє покоління РІТЕГ, зване Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Це пристрій виробляє 125 Вт електричної потужності. а після закінчення 14 років - 100 Вт [6].
РІТЕГ SNAP-27, що застосовувався в польоті «Аполлона-14» (в центрі)
Кілька кілограмів 238 PuO2 використовувалися на деяких польотах «Аполлонов» для електроживлення приладів ALSEP. Генератор електроенергії SNAP-27 (англ. Systems for Nuclear Auxiliary Power), теплова і електрична потужність якого становила 1480 Вт і 63,5 Вт відповідно, містив 3,735 кг діоксиду плутонію-238.
РІТЕГ застосовувалися в навігаційних маяках. радіомаяки. метеостанціях і подібному обладнанні, встановленому в місцевості, де з технічних або економічних причин немає можливості скористатися іншими джерелами електроживлення. Зокрема, в СРСР їх використовували в якості джерел живлення навігаційного обладнання, встановленого на узбережжі Північного Льодовитого океану вздовж траси Північного морського шляху. В даний час, у зв'язку з ризиком витоку радіації і радіоактивних матеріалів, практику установки необслуговуваних РІТЕГ в малодоступних місцях припинили.
Радіоактивні матеріали, що використовуються в РІТЕГ, повинні відповідати наступним характеристикам:
- Досить висока об'ємна активність для отримання значного енерговиділення в обмеженому обсязі установки. Мінімальний обсяг обмежений теплової і радіаційної стійкістю матеріалів, слабоактивними ізотопи погіршують енергомассового досконалість установки. Зазвичай це означає що період напіврозпаду ізотопу повинен бути досить малий для високої інтенсивності розпадів і розпад повинен давати досить багато легкоутілізіруемой енергії.
- Досить тривалий час підтримання потужності для виконання завдання. Зазвичай це означає, що період напіврозпаду ізотопу повинен бути досить великий для заданої швидкості падіння енерговиділення. Типові часи напіврозпаду ізотопів, які використовуються в РІТЕГ, складають кілька десятиліть, хоча ізотопи з коротким періодом напіврозпаду можуть бути використані для спеціалізованих застосувань.
- Зручний для утилізації енергії вид іонізуючого випромінювання. Гамма-випромінювання легко вилітає з конструкції, несучи з собою енергію розпаду. Щодо легко можуть відлітати також нейтрони. Утворені при β-розпаді високоенергетичних електрони непогано затримуються, проте при цьому утворюється гальмівне рентгенівське випромінювання, несучі частина енергії. При α-розпаді утворюються масивні α-частинки, ефективно віддають свою енергію практично в точці освіти.
- Безпечний для навколишнього середовища і апаратури вид іонізуючого випромінювання. Значні гамма -, рентгенівське і нейтронне випромінювання найчастіше вимагають спеціальних конструктивних заходів щодо захисту персоналу та прилеглої апаратури.
- Відносна дешевизна ізотопу і простота його отримання в рамках наявних ядерних технологій.
Плутоній-238. кюрий -244 і стронцій-90 є найчастіше використовуваними ізотопами. Інші ізотопи, такі як полоній-210. прометий -147, цезій-137. церій -144, рутеній -106, кобальт-60. кюрий-242 та ізотопи тулия були також вивчені. Наприклад, полоній-210 має період напіврозпаду усього 138 днів при величезному початковому тепловиділення в 140 Вт на грам. Америцій -241 з періодом напіврозпаду 433 року і виділенням тепла 0,1 Вт / грам [12].
Плутоній-238 найчастіше застосовується в космічних апаратах. Альфа-розпад з енергією 5,5 МеВ (один грам дає
0,54 Вт). Період напіврозпаду 88 років (втрата потужності 0,78% в рік) з утворенням високостабільного ізотопу 234 U. Плутоній-238 є майже чистим альфа-випромінювачем, що робить його одним з найбезпечніших радіоактивних ізотопів з мінімальними вимогами до біологічному захисті. Однак отримання щодо чистого 238-го ізотопу вимагає експлуатації спеціальних реакторів, що робить його дорогим [13] [14].
Стронцій-90 широко застосовувався в наземних РІТЕГ радянського і американського виробництва. Ланцюжок з двох β-розпадів дає сумарну енергію 2,8 МеВ (один грам дає
0,46 Вт). Період напіврозпаду 29 років з освітою стабільного 90 Zr. Стронцій-90 отримують з відпрацьованого палива ядерних реакторів у великих кількостях. Дешевизна і велика кількість цього ізотопу визначає його широке використання в наземному обладнанні. На відміну від плутонію-238, стронцій-90 створює значний рівень іонізуючого випромінювання високої проникності, що пред'являє відносно високі вимоги до біологічного захисту [14].
Існує концепція підкритичних РІТЕГ [15] [16]. Підкритичній генератор складається з джерела нейтронів і речовини, що ділиться. Нейтрони джерела захоплюються ядрами речовини, що ділиться і викликають їх розподіл. Основна перевага такого генератора в тому, що енергія, що виділяється при реакції поділу, набагато вище енергії альфа-розпаду. Наприклад, для плутонію-238 це приблизно 200 МеВ проти 5,6 МеВ. що виділяються цим нуклідом при альфа-розпаді. Відповідно, потрібна кількість речовини набагато нижче. Кількість розпадів і радіаційна активність в перерахунку на тепловиділення також нижче. Це знижує вагу і розміри генератора.
Виведені з експлуатації РІТЕГ
Наземні РІТЕГ в Росії
За часів СРСР було виготовлено 1007 РІТЕГ для наземної експлуатації. Майже всі вони робилися на базі радіоактивного тепловиділяючого елемента з ізотопом стронцій-90 (РІТ-90). Тепловиділяючий елемент являє собою міцну герметичну зварену капсулу, всередині якої знаходиться ізотоп. Випускалося кілька варіантів РІТ-90 з різною кількістю ізотопу [17]. РІТЕГ оснащувався однією або декількома капсулами РІТ, радіаційним захистом (найчастіше на основі збідненого урану), термоелектричним генератором, радіатором охолодження, герметичним корпусом, електроланцюг. Типи випускалися в Радянському Союзі РІТЕГ: [17] [18]
Теплова потужність, Вт
Електрична потужність, Вт
Термін служби установок може становити 10-30 років. у більшості з них він закінчився. РІТЕГ є потенційною небезпекою, так як розміщується в безлюдній місцевості і може бути викрадений, а потім використаний в якості брудної бомби. Були зафіксовані випадки разукомплектации РІТЕГ мисливцями за кольоровими металами [19]. при цьому самі викрадачі отримали смертельну дозу опромінення [20].
Нові РІТЕГ для навігаційних потреб більше не виробляються, замість них встановлюються вітроенергетичні установки і фотоелектричні перетворювачі [20]. в деяких випадках дизель-генератори. Ці пристрої отримали назву АИП (альтернативні джерела живлення). Складаються з панелі сонячних батарей (або вітрогенератора), набору необслуговуваних акумуляторних батарей, світлодіодного маяка (кругового або створного), програмованого електронного блоку, який задає алгоритм роботи маяка.
Вимоги до конструкції РІТЕГ
В СРСР вимоги до РІТЕГ встановлювалися ГОСТ 18696-90 «Генератори радіонуклідні термоелектричні. Типи і загальні технічні вимоги ». і ГОСТ 20250-83 «Генератори радіонуклідні термоелектричні. Правила приймання і методи випробувань ».
- Потужність еквівалентної дози іонізуючого випромінювання на зовнішній поверхні РІТЕГ не повинна перевищувати 2,0 мЗв / год, а на відстані 1 м від неї - 0,1 мЗв / год.
- Конструкція РІТЕГ повинна забезпечувати відсутність виходу з нього радіонуклідів і збереження захисних характеристик радіаційного захисту при падінні РІТЕГ на тверду основу з висоти 9 м, а також після впливу на нього температури в 800 ° C протягом 30 хв.
- Температура всіх доступних поверхонь РІТЕГ не повинна перевищувати 80 ° С [25].
Інциденти з РІТЕГ на території СНД
Джерела даних - НКО «Беллона» [26] і МАГАТЕ [17]