Thermoelektrischer Radioisotop-Generator - Radioisotope thermoelectric generator

Diagramm eines an der Cassini- Sonde verwendeten RTG

Ein Radionuklidbatterie ( RTG , RITEG ) ist eine Art von Kernbatterie , die ein Array von nutzt Thermoelemente , die zur Umwandlung Wärme , die durch den Zerfall frei eines geeigneten radioaktiven Materials in elektrischen Strom durch den Seebeck - Effekt . Dieser Generatortyp hat keine beweglichen Teile.

RTGs wurden als Energiequellen in Satelliten , Raumsonden und unbemannten abgelegenen Einrichtungen wie einer Reihe von Leuchttürmen verwendet, die von der Sowjetunion innerhalb des Polarkreises gebaut wurden . RTGs sind normalerweise die wünschenswerteste Stromquelle für nicht gewartete Situationen, die einige hundert Watt (oder weniger) Leistung für eine zu lange Zeit benötigen, um Brennstoffzellen , Batterien oder Generatoren wirtschaftlich bereitzustellen, und an Orten, an denen Solarzellen nicht praktikabel sind. Die sichere Verwendung von RTGs erfordert die Eindämmung der Radioisotope noch lange nach der produktiven Lebensdauer der Einheit. Die Kosten von RTGs neigen dazu, ihren Einsatz in seltenen oder besonderen Situationen auf Nischenanwendungen zu beschränken.

Geschichte

Ein Pellet aus 238 Pu O 2 wie es im RTG für die Cassini- und Galileo- Missionen verwendet wurde. Dieses Foto wurde aufgenommen, nachdem das Pellet mehrere Minuten lang unter einer Graphitdecke isoliert und dann die Decke entfernt wurde. Das Pellet glüht rotglühend aufgrund der Hitze, die durch den radioaktiven Zerfall (hauptsächlich α) entsteht. Die Ausgangsleistung beträgt 62 Watt.

Das RTG wurde 1954 von den Mound Laboratories Wissenschaftlern Ken Jordan und John Birden erfunden . Sie wurden 2013 in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen. Jordan und Birden arbeiteten ab dem 1. Januar 1957 an einem Vertrag des Army Signal Corps (R-65-8-998 11-SC-03-91), um Forschungen zu radioaktiven Stoffen durchzuführen Materialien und Thermoelemente, die für die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie unter Verwendung von Polonium-210 als Wärmequelle geeignet sind . RTGs wurden in den späten 1950er Jahren in den USA von Mound Laboratories in Miamisburg, Ohio , im Auftrag der United States Atomic Energy Commission entwickelt . Das Projekt wurde von Dr. Bertram C. Blanke geleitet.

Das erste RTG, das von den Vereinigten Staaten in den Weltraum geschossen wurde, war SNAP 3B im Jahr 1961, angetrieben von 96 Gramm Plutonium-238- Metall, an Bord der Raumsonde Navy Transit 4A . Eine der ersten terrestrischen Nutzungen von RTGs war 1966 durch die US Navy am unbewohnten Fairway Rock in Alaska. RTGs wurden an diesem Standort bis 1995 verwendet.

Eine übliche RTG-Anwendung ist die Stromversorgung von Raumfahrzeugen. Systeme für nukleare Hilfsenergie (SNAP) wurden für Sonden verwendet, die weit von der Sonne entfernt waren, was Sonnenkollektoren unpraktisch machte. Als solche wurden sie mit Pioneer 10 , Pioneer 11 , Voyager 1 , Voyager 2 , Galileo , Ulysses , Cassini , New Horizons und dem Mars Science Laboratory verwendet . RTGs wurden verwendet, um die beiden Viking- Lander mit Strom zu versorgen und für die wissenschaftlichen Experimente, die die Besatzungen von Apollo 12 bis 17 (SNAP 27s) auf dem Mond hinterlassen haben . Da die Mondlandung von Apollo 13 abgebrochen wurde, liegt sein RTG im Südpazifik , in der Nähe des Tongagrabens . RTGs wurden auch für die Satelliten Nimbus , Transit und LES verwendet. Im Vergleich dazu wurden nur wenige Raumfahrzeuge mit vollwertigen Kernreaktoren gestartet : die sowjetische RORSAT- Serie und die amerikanische SNAP-10A .

Neben Raumfahrzeugen baute die Sowjetunion bis Ende der 1980er Jahre 1007 RTGs, um unbemannte Leuchttürme und Navigationsbaken an der sowjetischen arktischen Küste anzutreiben . In der Sowjetunion wurden viele verschiedene Arten von RTGs für die unterschiedlichsten Zwecke gebaut. Nach der Auflösung der Sowjetunion im Jahr 1991 wurden die Leuchttürme viele Jahre lang nicht gewartet . Einige der RTG-Einheiten verschwanden während dieser Zeit – entweder durch Plünderung oder durch die Naturgewalten von Eis/Sturm/Meer. 1996 wurde von russischen und internationalen Unterstützern ein Projekt zur Stilllegung der RTGs in den Leuchttürmen begonnen, und bis 2021 werden nun alle RTGs entfernt.

Ab 1992 verwendete die US-Luftwaffe auch RTGs, um entfernte arktische Geräte mit Strom zu versorgen, und die US-Regierung hat Hunderte solcher Einheiten verwendet, um weltweit entfernte Stationen mit Strom zu versorgen. Messstationen für Top-ROCC- und SEEK IGLOO- Radarsysteme, die sich überwiegend in Alaska befinden , verwenden RTGs. Die Einheiten Verwendung Strontium-90 und eine größere Anzahl solcher Einheiten am Boden und auf dem Einsatz wurden Meeresboden als auf Raumschiff verwendet wurden, mit dem öffentlichen regulatorischen Dokumenten darauf hindeutet , dass die USA zumindest 100-150 während des Einsatz hatten 1970er und 1980er Jahre.

In der Vergangenheit wurden in implantierten Herzschrittmachern kleine „Plutoniumzellen“ (sehr kleine 238 Pu-gespeiste RTGs) verwendet , um eine sehr lange „Batterielebensdauer“ zu gewährleisten. Ab 2004 waren noch etwa neunzig im Einsatz. Bis Ende 2007 soll die Zahl auf nur noch neun gesunken sein. Das Herzschrittmacherprogramm von Mound Laboratory begann am 1. Juni 1966 in Zusammenarbeit mit NUMEC. Als erkannt wurde, dass die Wärmequelle während der Einäscherung nicht intakt bleiben würde, wurde das Programm 1972 abgebrochen, weil es nicht möglich war, vollständig sicherzustellen, dass die Einheiten nicht mit den Leichen ihrer Benutzer eingeäschert wurden.

Entwurf

Der Aufbau eines RTG ist nach den Maßstäben der Nukleartechnik einfach : Hauptbestandteil ist ein stabiler Behälter aus radioaktivem Material (dem Brennstoff). Thermoelemente werden in den Wänden des Behälters platziert, wobei das äußere Ende jedes Thermoelements mit einem Kühlkörper verbunden ist . Beim radioaktiven Zerfall des Brennstoffs entsteht Wärme. Es ist der Temperaturunterschied zwischen Brennstoff und Kühlkörper, der es den Thermoelementen ermöglicht, Strom zu erzeugen.

Ein Thermoelement ist ein thermoelektrisches Gerät , das mithilfe des Seebeck-Effekts Wärmeenergie direkt in elektrische Energie umwandeln kann . Es besteht aus zwei Arten von Metallen (oder Halbleitern), die beide Elektrizität leiten können. Wenn sie in einer geschlossenen Schleife miteinander verbunden sind und die beiden Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen haben , fließt ein elektrischer Strom in der Schleife. Typischerweise werden viele Thermoelemente in Reihe geschaltet, um eine höhere Spannung zu erzeugen.

Kraftstoffe

Kriterien für die Auswahl der Isotope

Das in RTGs verwendete radioaktive Material muss mehrere Eigenschaften aufweisen:

  1. Seine Halbwertszeit muss lang genug sein, damit es über einen angemessenen Zeitraum Energie mit einer relativ konstanten Rate freisetzt. Die pro Zeit freigesetzte Energiemenge ( Leistung ) einer bestimmten Menge ist umgekehrt proportional zur Halbwertszeit. Ein Isotop mit der doppelten Halbwertszeit und der gleichen Energie pro Zerfall wird Energie mit der halben Geschwindigkeit pro Mol freisetzen . Typische Halbwertszeiten für in RTGs verwendete Radioisotope betragen daher mehrere Jahrzehnte, obwohl Isotope mit kürzeren Halbwertszeiten für spezielle Anwendungen verwendet werden könnten.
  2. Für den Einsatz in der Raumfahrt muss der Treibstoff eine große Leistung pro Masse und Volumen ( Dichte ) erbringen . Dichte und Gewicht sind für den terrestrischen Einsatz nicht so wichtig, es sei denn, es gibt Größenbeschränkungen. Die Zerfallsenergie kann berechnet werden, wenn die Energie der radioaktiven Strahlung oder der Massenverlust vor und nach dem radioaktiven Zerfall bekannt ist. Die Energiefreisetzung pro Zerfall ist proportional zur Stromproduktion pro Mol . Alpha-Zerfälle setzen im Allgemeinen etwa zehnmal so viel Energie frei wie der Beta-Zerfall von Strontium-90 oder Cäsium-137.
  3. Die Strahlung muss leicht absorbiert und in Wärmestrahlung, vorzugsweise Alphastrahlung, umgewandelt werden . Betastrahlung kann durch Bremsstrahlungs- Sekundärstrahlungserzeugung erhebliche Gamma- / Röntgenstrahlung emittieren und erfordert daher eine starke Abschirmung. Isotope dürfen durch andere Zerfallsarten oder Zerfallskettenprodukte keine signifikanten Mengen an Gamma-, Neutronenstrahlung oder durchdringender Strahlung im Allgemeinen erzeugen .

Die ersten beiden Kriterien begrenzen die Zahl der möglichen Brennstoffe auf weniger als dreißig atomare Isotope innerhalb der gesamten Nuklidtabelle .

Plutonium-238 , Curium-244 und Strontium-90 sind die am häufigsten genannten Kandidaten-Isotope, aber auch andere Isotope wie Polonium-210 , Promethium-147 , Cäsium-137 , Cer -144, Ruthenium-106 , Kobalt-60 , Curium - 242, Americium -241 und Thulium- Isotope wurden ebenfalls untersucht.

Material Abschirmung Leistungsdichte (W/g) Halbwertszeit (Jahre)
238 Pu Niedrig 0,54 0,54
 
87,7 87,7
 
90 Sr Hoch 0,46 0,46
 
28,8 28,8
 
210 Po Niedrig 140 140
 
0,378 0,378
 
241 Am Mittel 0,114 0,114
 
432 432
 

238 Pu

Plutonium-238 hat eine Halbwertszeit von 87,7 Jahren, eine angemessene Leistungsdichte von 0,57 Watt pro Gramm und außergewöhnlich niedrige Gamma- und Neutronenstrahlungswerte. 238 Pu hat die geringsten Schirmungsanforderungen. Nur drei Kandidatenisotope erfüllen das letzte Kriterium (nicht alle sind oben aufgeführt) und benötigen weniger als 25 mm Bleiabschirmung , um die Strahlung zu blockieren. 238 Pu (der beste von diesen dreien) benötigt weniger als 2,5 mm, und in vielen Fällen ist bei einem 238 Pu RTG keine Abschirmung erforderlich , da das Gehäuse selbst ausreichend ist. 238 Pu hat sich in Form von Plutonium(IV)-oxid (PuO 2 ) zum am häufigsten verwendeten Brennstoff für RTGs entwickelt . Plutonium(IV)-oxid, das eine natürliche Menge an Sauerstoff enthält, emittiert jedoch Neutronen mit einer Rate von ~2,3 × 10 3 n/sec/g Plutonium-238. Diese Emissionsrate ist im Vergleich zur Neutronenemissionsrate von Plutonium-238-Metall relativ hoch. Das Metall, das keine leichten Elementverunreinigungen enthält, emittiert ~2,8 × 10 3 n/s/g Plutonium-238. Diese Neutronen werden durch die spontane Spaltung von Plutonium-238 erzeugt.

Der Unterschied in den Emissionsraten des Metalls und des Oxids ist hauptsächlich auf die Alpha-Neutronenreaktion mit dem im Oxid vorhandenen Sauerstoff-18 und Sauerstoff-17 zurückzuführen. Die normale Menge an Sauerstoff-18, die in der natürlichen Form vorhanden ist, beträgt 0,204 %, während die von Sauerstoff-17 0,037% beträgt. Die Reduktion von Sauerstoff-17 und Sauerstoff-18, die in Plutoniumdioxid vorhanden sind, führt zu einer viel niedrigeren Neutronenemissionsrate für das Oxid; dies kann durch ein 16 O 2 -Austauschverfahren in der Gasphase erreicht werden. Regelmäßige Produktionschargen von 238 als Hydroxid ausgefällten PuO 2 -Partikeln wurden verwendet, um zu zeigen, dass große Produktionschargen routinemäßig effektiv gegen 16 O 2 ausgetauscht werden können. Hochbefeuerten 238 PuO 2 Mikrokugeln wurden erfolgreich 16 O 2 -ausgetauschtem zeigt , dass ein Austausch stattfinden wird , unabhängig von der vorherigen Wärmebehandlung Geschichte der 238 PuO 2 . Diese Verringerung der Neutronenemissionsrate von PuO 2 mit normalem Sauerstoff um den Faktor 5 wurde 1966 während der Herzschrittmacherforschung am Mound Laboratory entdeckt, teilweise aufgrund der Erfahrungen des Mound Laboratory mit der Produktion stabiler Isotope ab 1960. Für die Produktion der großen Wärmequellen wäre die erforderliche Abschirmung ohne dieses Verfahren unerschwinglich gewesen.

Im Gegensatz zu den anderen drei in diesem Abschnitt diskutierten Isotopen muss 238 Pu spezifisch synthetisiert werden und ist als nukleares Abfallprodukt nicht reichlich vorhanden. Derzeit wird nur in Russland eine großvolumige Produktion aufrechterhalten, während in den USA zwischen 2013 und 2018 insgesamt nicht mehr als 50 g (1,8 oz) produziert wurden. Die beteiligten US-Behörden wollen mit der Produktion des Materials beginnen 300 bis 400 Gramm (11 bis 14 oz) pro Jahr. Wenn dieser Plan finanziert wird, besteht das Ziel darin, Automatisierungs- und Scale-up-Prozesse einzurichten, um bis 2025 durchschnittlich 1,5 kg (3,3 lb) pro Jahr zu produzieren.

90 Sr

Strontium-90 wurde von der Sowjetunion in terrestrischen RTGs verwendet. 90 Sr zerfällt durch β-Emission, mit geringer γ-Emission. Obwohl seine Halbwertszeit mit 28,8 Jahren deutlich kürzer ist als die von 238 Pu, weist es mit einer Leistungsdichte von 0,46 Watt pro Gramm auch eine geringere Zerfallsenergie auf. Da die Energieabgabe geringer ist, erreicht es niedrigere Temperaturen als 238 Pu, was zu einer geringeren RTG-Effizienz führt. 90 Sr ist ein Abfallprodukt der Kernspaltung mit hoher Ausbeute und ist in großen Mengen zu einem niedrigen Preis erhältlich.

210 Po

Einige Prototypen von RTGs, die erstmals 1958 von der US Atomic Energy Commission gebaut wurden, haben Polonium-210 verwendet . Dieses Isotop bietet aufgrund seiner hohen Zerfallsrate eine phänomenale Leistungsdichte (reines 210 Po emittiert 140 W /g) , ist jedoch aufgrund seiner sehr kurzen Halbwertszeit von 138 Tagen nur begrenzt verwendbar. Eine halbe Gramm Probe von 210 Po erreicht Temperaturen von über 500 °C (900 °F). Da Po-210 ein reiner Alpha-Strahler ist und keine nennenswerte Gamma- oder Röntgenstrahlung emittiert, sind auch die Abschirmanforderungen wie bei Pu-238 gering.

241 Am

Americium-241 ist ein potenzieller Kandidat für ein Isotop mit einer längeren Halbwertszeit als 238 Pu: 241 Am hat eine Halbwertszeit von 432 Jahren und könnte hypothetisch ein Gerät über Jahrhunderte antreiben. Die Leistungsdichte von 241 Am beträgt jedoch nur 1/4 der von 238 Pu, und 241 Am erzeugt mehr durchdringende Strahlung durch Zerfallskettenprodukte als 238 Pu und benötigt mehr Abschirmung. Sein Schirmungsbedarf in einem RTG ist der dritthöchste: nur 238 Pu und 210 Po benötigen weniger. Angesichts einer aktuellen globalen Knappheit von 238 Pu werden 241 Am von der ESA als RTG-Brennstoff untersucht, und 2019 kündigte das britische National Nuclear Laboratory die Erzeugung von nutzbarem Strom an. Ein Vorteil gegenüber 238 Pu besteht darin, dass es als Atommüll anfällt und nahezu isotopenrein ist. Prototyp-Designs von 241 AM-RTGs erwarten 2-2,2 W e /kg für 5–50 W e- RTGs-Design, wodurch 241 AM- RTGs mit 238 Pu-RTGs in diesem Leistungsbereich gleich sind.

250 cm

Curium-250 ist das kleinste transuranische Isotop, das hauptsächlich durch spontane Spaltung zerfällt, ein Prozess, der ein Vielfaches mehr Energie freisetzt als der Alpha-Zerfall. Im Vergleich zu Plutonium-238 bietet Curium-250 etwa ein Viertel der Leistungsdichte, aber die 100-fache Halbwertszeit (~87 vs. ~9000).

Lebensdauer

90 sowjetische RTGs mit Sr- Antrieb in baufälligem Zustand.

Die meisten RTGs verwenden 238 Pu, das mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren zerfällt. RTGs, die dieses Material verwenden, verringern daher die Leistungsabgabe um einen Faktor von 1 – (1/2) 1/87,7 , was 0,787 % pro Jahr entspricht.

Ein Beispiel ist das MHW-RTG, das von den Voyager-Sonden verwendet wird . Im Jahr 2000, 23 Jahre nach der Produktion, war die Leistung des radioaktiven Materials im RTG um 16,6 % zurückgegangen, was 83,4 % seiner ursprünglichen Leistung ausmachte; beginnend mit einer Leistung von 470 W wären es nach dieser Zeit nur noch 392 W. Ein damit verbundener Leistungsverlust bei den Voyager RTGs sind die abbauenden Eigenschaften der Bimetall-Thermoelemente, die zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie verwendet werden ; die RTGs arbeiteten mit etwa 67 % ihrer ursprünglichen Gesamtkapazität anstelle der erwarteten 83,4 %. Bis Anfang 2001 war die von den Voyager RTGs erzeugte Leistung auf 315 W für Voyager 1 und auf 319 W für Voyager 2 gesunken .

Thermoelektrischer Multi-Mission-Radioisotop-Generator

Die NASA hat eine entwickelte Multi-Mission - Radionuklidbatterie (MMRTG) , in dem die Thermoelemente gemacht werden würden Skutterudit , ein Kobalt - Arsenid (CoAs 3 ), die mit einer kleineren Temperaturdifferenz arbeiten kann als die aktuelle Tellur basierenden Designs. Dies würde bedeuten, dass ein ansonsten ähnliches RTG zu Beginn einer Mission 25 % mehr Strom erzeugen würde und nach siebzehn Jahren mindestens 50 % mehr. Die NASA hofft, das Design bei der nächsten New Frontiers- Mission verwenden zu können.

Effizienz

RTGs verwenden thermoelektrische Generatoren , um die Wärme des radioaktiven Materials in Strom umzuwandeln. Thermoelektrische Module sind zwar sehr zuverlässig und langlebig, aber sehr ineffizient; Wirkungsgrade über 10 % wurden noch nie erreicht und die meisten RTGs haben Wirkungsgrade zwischen 3 und 7 %. Zu den thermoelektrischen Materialien in Weltraummissionen gehörten bisher Silizium-Germanium-Legierungen, Bleitellurid und Telluride von Antimon, Germanium und Silber (TAGS). Es wurden Studien zur Effizienzsteigerung durch den Einsatz anderer Technologien zur Stromerzeugung aus Wärme durchgeführt. Ein höherer Wirkungsgrad würde bedeuten, dass weniger radioaktiver Brennstoff benötigt wird, um die gleiche Strommenge zu erzeugen, und somit ein geringeres Gesamtgewicht des Generators. Dies ist ein entscheidender Faktor bei Überlegungen zu den Kosten für den Weltraumstart.

Ein thermionischer Wandler – eine Energieumwandlungsvorrichtung, die auf dem Prinzip der thermionischen Emission beruht – kann Wirkungsgrade zwischen 10–20 % erreichen, erfordert jedoch höhere Temperaturen als die, bei denen Standard-RTGs betrieben werden. Einige Prototypen von 210 Po-RTGs haben Thermionik verwendet, und möglicherweise könnten auch andere extrem radioaktive Isotope auf diese Weise Strom liefern, aber kurze Halbwertszeiten machen dies unmöglich. Mehrere weltraumgebundene Kernreaktoren haben Thermionik verwendet, aber Kernreaktoren sind normalerweise zu schwer, um auf den meisten Raumsonden verwendet zu werden.

Thermophotovoltaische Zellen funktionieren nach den gleichen Prinzipien wie eine photovoltaische Zelle , außer dass sie Infrarotlicht, das von einer heißen Oberfläche emittiert wird, anstatt sichtbares Licht in Elektrizität umwandeln . Thermophotovoltaische Zellen haben einen etwas höheren Wirkungsgrad als thermoelektrische Module (TEMs) und können übereinander gelegt werden, was die Effizienz potenziell verdoppelt. Systeme mit durch Elektroheizungen simulierten Radioisotopengeneratoren haben Wirkungsgrade von 20 % gezeigt, wurden aber noch nicht mit Radioisotopen getestet. Einige theoretische thermophotovoltaische Zelldesigns haben Wirkungsgrade von bis zu 30%, diese müssen jedoch noch gebaut oder bestätigt werden. Thermophotovoltaische Zellen und Silizium-TEMs zersetzen sich schneller als Metall-TEMs, insbesondere in Gegenwart ionisierender Strahlung.

Dynamische Generatoren können mehr als das Vierfache der Umwandlungseffizienz von RTGs liefern. NASA und DOE haben eine mit Radioisotopen betriebene Stromquelle der nächsten Generation namens Stirling Radioisotope Generator (SRG) entwickelt, die Freikolben- Stirling-Motoren verwendet, die mit Lineargeneratoren gekoppelt sind, um Wärme in Elektrizität umzuwandeln. SRG-Prototypen zeigten einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 23%. Ein höherer Wirkungsgrad kann durch Erhöhung des Temperaturverhältnisses zwischen dem heißen und dem kalten Ende des Generators erreicht werden. Die Verwendung von berührungslosen beweglichen Teilen, nicht abbauenden Biegelagern und einer schmierfreien und hermetisch abgedichteten Umgebung haben in Versuchsanlagen über Jahre hinweg keine nennenswerte Verschlechterung gezeigt. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass ein SRG jahrzehntelang wartungsfrei weiterlaufen könnte. Vibrationen können durch die Implementierung eines dynamischen Ausgleichs oder die Verwendung einer doppelten entgegengesetzten Kolbenbewegung als Problem beseitigt werden. Zu den möglichen Anwendungen eines Stirling-Radioisotopen-Energiesystems gehören Explorations- und Wissenschaftsmissionen in den Weltraum, zum Mars und zum Mond.

Die erhöhte Effizienz des SRG kann durch einen theoretischen Vergleich der thermodynamischen Eigenschaften wie folgt gezeigt werden. Diese Berechnungen sind vereinfacht und berücksichtigen aufgrund der langen Halbwertszeit der in diesen Generatoren verwendeten Radioisotope nicht den Abfall der thermischen Energiezufuhr. Die Annahmen für diese Analyse beinhalten, dass beide Systeme im stationären Zustand unter den in experimentellen Verfahren beobachteten Bedingungen arbeiten (siehe Tabelle unten für die verwendeten Werte). Beide Generatoren können zu Wärmekraftmaschinen vereinfacht werden, um ihre aktuellen Wirkungsgrade mit ihren entsprechenden Carnot-Wirkungen vergleichen zu können. Das System wird als die Komponenten, abgesehen von der Wärmequelle und der Wärmesenke, angenommen.

Der thermische Wirkungsgrad, mit η th bezeichnet , ist gegeben durch:

wobei Primzahlen ( ' ) die zeitliche Ableitung bezeichnen.

Aus einer allgemeinen Form des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik in Ratenform:

Angenommen, das System arbeitet im stationären Zustand und ,

η th kann dann zu 110 W / 2000 W = 5,5% (bzw. 140 W / 500 W = 28% für die SRG) berechnet werden. Zusätzlich ist die Effizienz des zweiten Hauptsatzes, bezeichnet mit η II , gegeben durch:

wobei η th, rev die Carnot-Effizienz ist, gegeben durch:

wobei T Kühlkörper die Außentemperatur ist (die mit 510 K für das MMRTG (Multi-Mission RTG) und 363 K für das SRG gemessen wurde) und T Wärmequelle die Temperatur des MMRTG ist, angenommen 823 K (1123 .) K für die SRG). Dies ergibt eine Effizienz des zweiten Hauptsatzes von 14,46 % für das MMRTG (oder 41,37 % für das SRG).

Sicherheit

Schema eines Stapels von Allzweck-Wärmequellenmodulen , wie sie in RTGs verwendet werden

Der Diebstahl

Radioaktive Materialien in RTGs sind gefährlich und können sogar für böswillige Zwecke verwendet werden. Sie sind für eine echte Atomwaffe kaum brauchbar , können aber dennoch in einer " schmutzigen Bombe " dienen. Die Sowjetunion baute viele unbemannte Leuchttürme und Navigationsbaken, die von RTGs mit Strontium-90 ( 90 Sr) angetrieben wurden . Sie sind sehr zuverlässig und liefern eine stetige Energiequelle. Die meisten haben keinen Schutz, nicht einmal Zäune oder Warnschilder, und die Standorte einiger dieser Einrichtungen sind aufgrund schlechter Aufzeichnungen nicht mehr bekannt. In einem Fall wurden die radioaktiven Fächer von einem Dieb geöffnet. In einem anderen Fall drei woodsmen in Tsalendzhikha Region, Georgia gefunden zwei Keramik RTG Orphan - Strahler , die von ihrer Abschirmung abgezogen worden waren; zwei von ihnen wurden später mit schweren Strahlenverbrennungen ins Krankenhaus eingeliefert, nachdem sie die Quellen auf dem Rücken getragen hatten. Die Einheiten wurden schließlich geborgen und isoliert. In Russland gibt es rund 1.000 solcher RTGs, die alle ihre geplante Lebensdauer von zehn Jahren längst überschritten haben. Die meisten dieser RTGs funktionieren wahrscheinlich nicht mehr und müssen möglicherweise demontiert werden. Einige ihrer Metallgehäuse wurden trotz des Risikos einer radioaktiven Kontamination von Metalljägern entfernt.

Radioaktive Kontamination

RTGs stellen ein Risiko einer radioaktiven Kontamination dar : Wenn der Behälter mit dem Kraftstoff ausläuft, kann das radioaktive Material die Umwelt kontaminieren.

Bei Raumfahrzeugen besteht die Hauptsorge darin, dass bei einem Unfall während des Starts oder einer anschließenden Passage eines Raumfahrzeugs in der Nähe der Erde schädliches Material in die Atmosphäre freigesetzt werden könnte; daher hat ihre Verwendung in Raumfahrzeugen und anderswo Kontroversen hervorgerufen.

Dieses Ereignis wird jedoch bei aktuellen RTG-Behälterdesigns nicht als wahrscheinlich angesehen. So schätzte die 1997 gestartete Umweltverträglichkeitsstudie für die Sonde Cassini-Huygens die Wahrscheinlichkeit von Kontaminationsunfällen in verschiedenen Phasen der Mission. Die Wahrscheinlichkeit eines Unfalls, der während der ersten 3,5 Minuten nach dem Start eine radioaktive Freisetzung aus einem oder mehreren seiner 3 RTGs (oder aus seinen 129 Radioisotop-Heizeinheiten ) verursachte, wurde auf 1 zu 1400 geschätzt; die Wahrscheinlichkeit einer späteren Freilassung beim Aufstieg in die Umlaufbahn lag bei 1 zu 476; danach sank die Wahrscheinlichkeit einer unbeabsichtigten Freisetzung stark auf weniger als 1 von einer Million. Wenn ein Unfall , die das Potenzial zu verursachen Kontamination hatte tatsächlich während der Einführungsphasen (wie das Raumschiff andernfalls zu erreichen Orbit) aufgetreten ist , ist die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination durch die RTG verursacht wird in 10 bei etwa 1 geschätzt Der Start war erfolgreich und Cassini –Huygens erreichte Saturn .

Um das Risiko der Freisetzung des radioaktiven Materials zu minimieren, wird der Brennstoff in einzelnen modularen Einheiten mit eigener Hitzeabschirmung gelagert. Sie sind von einer Schicht aus Iridiummetall umgeben und von hochfesten Graphitblöcken umgeben . Diese beiden Materialien sind korrosions- und hitzebeständig. Die Graphitblöcke sind von einer Aeroshell umgeben, die die gesamte Baugruppe vor der Hitze beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre schützen soll. Der Plutoniumbrennstoff wird auch in einer hitzebeständigen Keramikform gelagert, wodurch das Risiko von Verdampfung und Aerosolbildung minimiert wird. Die Keramik ist auch sehr unlöslich .

Das in diesen RTGs verwendete Plutonium-238 hat eine Halbwertszeit von 87,74 Jahren, im Gegensatz zu der Halbwertszeit von 24.110 Jahren von Plutonium-239, das in Kernwaffen und Reaktoren verwendet wird . Eine Folge der kürzeren Halbwertszeit ist, dass Plutonium-238 etwa 275-mal radioaktiver ist als Plutonium-239 (dh 17,3 Curie (640  GBq )/ g im Vergleich zu 0,063 Curie (2,3 GBq)/g). Zum Beispiel durchlaufen 3,6  kg Plutonium-238 die gleiche Anzahl radioaktiver Zerfälle pro Sekunde wie 1 Tonne Plutonium-239. Da die Morbidität der beiden Isotope in Bezug auf die absorbierte Radioaktivität nahezu identisch ist, ist Plutonium-238 nach Gewicht etwa 275-mal giftiger als Plutonium-239.

Die von beiden Isotopen emittierte Alphastrahlung durchdringt die Haut nicht, kann jedoch innere Organe bestrahlen, wenn Plutonium eingeatmet oder aufgenommen wird. Besonders gefährdet sind das Skelett , dessen Oberfläche das Isotop wahrscheinlich absorbiert, und die Leber , in der sich das Isotop ansammelt und konzentriert.

Unfälle

Es gab mehrere bekannte Unfälle mit RTG-betriebenen Raumfahrzeugen:

  1. Der erste war ein Startfehler am 21. April 1964, bei dem der US - Navigationssatellit Transit-5BN-3 die Umlaufbahn nicht erreichte und beim Wiedereintritt nördlich von Madagaskar verglühte . Der 17.000 Ci (630 TBq) Plutonium-Metallbrennstoff in seinem SNAP- 9a RTG wurde in die Atmosphäre über der südlichen Hemisphäre injiziert, wo er verglühte, und einige Monate später wurden Spuren von Plutonium-238 in dem Gebiet entdeckt. Dieser Vorfall führte dazu, dass das NASA Safety Committee bei zukünftigen RTG-Starts einen intakten Wiedereintritt verlangte, was sich wiederum auf das Design der RTGs in der Pipeline auswirkte.
  2. Der zweite war der Wettersatellit Nimbus B-1, dessen Trägerrakete kurz nach dem Start am 21. Mai 1968 wegen unberechenbarer Flugbahn absichtlich zerstört wurde. Das von der Vandenberg Air Force Base gestartete SNAP-19 RTG mit relativ inertem Plutoniumdioxid wurde fünf Monate später intakt vom Meeresboden im Santa Barbara Channel geborgen, und es wurde keine Umweltverschmutzung festgestellt.
  3. 1969 scheiterte der Start der ersten Lunochod- Mond-Rover-Mission und verbreitete Polonium 210 über ein großes Gebiet Russlands
  4. Das Scheitern der Apollo-13- Mission im April 1970 führte dazu, dass die Mondlandefähre mit einem RTG wieder in die Atmosphäre eintrat und über Fidschi verglühte . Es trug ein SNAP-27 RTG mit 44.500 Ci (1.650 TBq) Plutoniumdioxid in einem Graphitfass auf dem Landerbein, das den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre unversehrt überstand, wie es vorgesehen war, wobei die Flugbahn so angeordnet war, dass sie eintauchen würde in 6–9 Kilometer Wasser im Tonga-Graben im Pazifischen Ozean . Das Fehlen einer Plutonium-238-Kontamination bei atmosphärischen und Meerwasserproben bestätigte die Annahme, dass das Fass auf dem Meeresboden intakt ist. Es wird erwartet, dass das Fass den Brennstoff für mindestens 10 Halbwertszeiten (dh 870 Jahre) enthält. Das US-Energieministerium hat Meerwassertests durchgeführt und festgestellt, dass das Graphitgehäuse, das für einen Wiedereintritt konstruiert wurde, stabil ist und keine Freisetzung von Plutonium erfolgen sollte. Nachfolgende Untersuchungen haben keine Zunahme der natürlichen Hintergrundstrahlung in der Umgebung ergeben. Der Unfall von Apollo 13 stellt aufgrund der hohen Wiedereintrittsgeschwindigkeiten der aus dem cis-Mondraum (der Region zwischen der Erdatmosphäre und dem Mond) zurückkehrenden Raumschiffe ein extremes Szenario dar . Dieser Unfall hat dazu gedient, das Design von RTGs der späteren Generation als hochsicher zu validieren.
  5. Mars 96 wurde 1996 von Russland gestartet, konnte die Erdumlaufbahn jedoch nicht verlassen und trat einige Stunden später wieder in die Atmosphäre ein. Die beiden RTGs an Bord trugen insgesamt 200 g Plutonium und es wird angenommen, dass sie den Wiedereintritt wie vorgesehen überlebt haben. Es wird angenommen, dass sie jetzt irgendwo in einem von Nordosten nach Südwesten verlaufenden Oval von 320 km Länge und 80 km Breite liegen, das 32 km östlich von Iquique , Chile, zentriert ist .
Ein SNAP- 27 RTG, das von den Astronauten von Apollo 14 eingesetzt wurde, identisch mit dem, das beim Wiedereintritt von Apollo 13 verloren gegangen ist

Ein RTG, der SNAP-19C , ging 1965 in der Nähe des Gipfels des Berges Nanda Devi in Indien verloren, als er angesichts eines Schneesturms in einer Felsformation nahe dem Gipfel des Berges gelagert wurde, bevor er installiert werden konnte, um eine CIA mit Strom zu versorgen entfernte automatisierte Station, die Telemetriedaten von der chinesischen Raketentestanlage sammelt. Die sieben Kapseln wurden von einer Lawine den Berg hinunter auf einen Gletscher getragen und nie geborgen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sie durch den Gletscher geschmolzen und pulverisiert wurden, woraufhin die 238 Plutonium-Zirkonium-Legierung als Brennstoff Bodenpartikel oxidiert, die sich in einer Wolke unter dem Gletscher bewegen.

Viele Beta-M- RTGs, die von der Sowjetunion zum Antrieb von Leuchttürmen und Leuchtfeuern hergestellt wurden, sind zu verwaisten Strahlungsquellen geworden. Mehrere dieser Einheiten wurden illegal wegen Metallschrott abgebaut (was zur vollständigen Freilegung der Sr-90- Quelle führte), in den Ozean gefallen oder haben aufgrund schlechter Konstruktion oder physischer Schäden eine defekte Abschirmung. Das kooperative Bedrohungsreduktionsprogramm des US-Verteidigungsministeriums hat Bedenken geäußert, dass Material aus den Beta-M-RTGs von Terroristen zum Bau einer schmutzigen Bombe verwendet werden könnte .

Vergleich mit Spaltreaktoren

RTGs und Spaltreaktoren verwenden sehr unterschiedliche Kernreaktionen.

Kernreaktoren (einschließlich der im Weltraum verwendeten miniaturisierten) führen eine kontrollierte Kernspaltung in einer Kettenreaktion durch . Die Reaktionsgeschwindigkeit kann mit neutronenabsorbierenden Steuerstäben gesteuert werden , sodass die Leistung je nach Bedarf variiert oder (fast) vollständig für Wartungsarbeiten abgeschaltet werden kann. Es ist jedoch Vorsicht geboten, um einen unkontrollierten Betrieb bei gefährlich hohen Leistungsstufen oder sogar eine Explosion oder Kernschmelze zu vermeiden .

Kettenreaktionen treten in RTGs nicht auf. Wärme wird durch spontanen radioaktiven Zerfall mit einer nicht einstellbaren und stetig abnehmenden Geschwindigkeit erzeugt, die nur von der Menge des Brennstoffisotops und seiner Halbwertszeit abhängt. In einem RTG kann die Wärmeerzeugung nicht bedarfsgerecht variiert oder bei Nichtbedarf abgeschaltet werden und es ist nicht möglich, durch Reduzierung des Stromverbrauchs mehr Energie für später einzusparen. Daher können Hilfsstromversorgungen (wie wiederaufladbare Batterien) erforderlich sein, um den Spitzenbedarf zu decken, und es muss jederzeit für eine ausreichende Kühlung gesorgt werden, einschließlich der Vorstart- und frühen Flugphasen einer Weltraummission. Spektakuläre Ausfälle wie eine Kernschmelze oder Explosion sind mit einem RTG unmöglich, dennoch besteht die Gefahr einer radioaktiven Kontamination, wenn die Rakete explodiert oder das Gerät wieder in die Atmosphäre eintritt und zerfällt.

Subkritischer Multiplikator RTG

Aufgrund des Mangels an Plutonium-238 wurde eine neue Art von RTG vorgeschlagen, die durch unterkritische Reaktionen unterstützt wird. Bei dieser Art von RTG wird der Alpha-Zerfall des Radioisotops auch in Alpha-Neutronen-Reaktionen mit einem geeigneten Element wie Beryllium verwendet . Auf diese Weise entsteht eine langlebige Neutronenquelle . Da das System mit einer Kritikalität nahe aber kleiner als 1 arbeitet, dh K eff < 1, wird eine unterkritische Multiplikation erreicht, die den Neutronenhintergrund erhöht und Energie aus Spaltreaktionen erzeugt. Obwohl die Anzahl der im RTG erzeugten Spaltungen sehr gering ist (wodurch ihre Gammastrahlung vernachlässigbar ist), da jede Spaltungsreaktion über 30-mal mehr Energie freisetzt als jeder Alpha-Zerfall (200  MeV im Vergleich zu 6 MeV), bis zu einem Energiegewinn von bis zu 10 % erreichbar ist, was eine Reduzierung der pro Mission benötigten 238 Pu bedeutet. Die Idee wurde der NASA im Jahr 2012 für den jährlichen NASA-NSPIRE-Wettbewerb vorgeschlagen, der 2013 für Machbarkeitsstudien an das Idaho National Laboratory am Center for Space Nuclear Research (CSNR) übertragen wurde. Das Wesentliche ist jedoch unverändert.

RTG für interstellare Sonden

RTG wurden für den Einsatz bei realistischen interstellaren Vorläufermissionen und interstellaren Sonden vorgeschlagen . Ein Beispiel dafür ist der Vorschlag Innovative Interstellar Explorer (2003–aktuell) der NASA. Für diese Art von Mission wurde 2002 ein RTG mit 241 Am vorgeschlagen. Dies könnte Missionsverlängerungen auf bis zu 1000 Jahre auf der interstellaren Sonde unterstützen, da die Leistung langfristig langsamer zurückgehen würde als Plutonium. In der Studie wurden auch andere Isotope für RTG untersucht, wobei Merkmale wie Watt/Gramm, Halbwertszeit und Zerfallsprodukte untersucht wurden. Ein Vorschlag für eine interstellare Sonde aus dem Jahr 1999 schlug vor, drei fortschrittliche Radioisotopenstromquellen (ARPS) zu verwenden.

Der RTG-Strom kann zur Stromversorgung wissenschaftlicher Instrumente und zur Kommunikation mit der Erde auf den Sonden verwendet werden. Eine Mission schlug vor, den Strom zum Antrieb von Ionenmotoren zu verwenden , und nannte diese Methode Radioisotop-elektrischer Antrieb (REP).

Elektrostatisch verstärkte Radioisotopen-Wärmequellen

Eine Leistungssteigerung für Radioisotopen-Wärmequellen basierend auf einem selbstinduzierten elektrostatischen Feld wurde vorgeschlagen. Laut den Autoren könnten mit Beta-Quellen Verbesserungen von bis zu 10 % erreicht werden.

Modelle

Ein typisches RTG wird durch radioaktiven Zerfall betrieben und verfügt über Elektrizität aus thermoelektrischer Umwandlung, aber aus Wissensgründen sind hier einige Systeme mit einigen Variationen dieses Konzepts enthalten.

Kernkraftwerke im Weltraum

Bekannte Raumfahrzeuge/Atomkraftsysteme und ihr Schicksal. Systeme stehen vor einer Vielzahl von Schicksalen, zum Beispiel wurde Apollos SNAP-27 auf dem Mond zurückgelassen. Einige andere Raumfahrzeuge haben auch kleine Radioisotopenheizungen, zum Beispiel hat jeder der Mars Exploration Rovers eine 1 Watt Radioisotopenheizung. Raumschiffe verwenden unterschiedliche Materialmengen, zum Beispiel hat MSL Curiosity 4,8 kg Plutonium-238-Dioxid , während die Cassini- Raumsonde 32,7 kg hatte.

Name und Modell Verwendet am (Anzahl RTGs pro Benutzer) Maximale Leistung radio-
Isotop
Max. verbrauchter Kraftstoff
(kg)
Masse (kg) Leistung/Masse (Elektrisch W/kg)
Elektrisch ( W ) Hitze (W)
MMRTG MSL/ Curiosity Rover und Perseverance / Mars 2020 Rover C. 110 C. 2000 238 Pu C. 4 <45 2.4
GPHS-RTG Cassini (3) , Neue Horizonte (1) , Galileo (2) , Ulysses (1) 300 4400 238 Pu 7.8 55,9–57,8 5,2–5,4
MHW-RTG LES-8/9 , Reise 1 (3) , Reise 2 (3) 160 2400 238 Pu C. 4.5 37,7 4.2
SNAP-3B Transit-4A (1) 2.7 52,5 238 Pu ? 2.1 1.3
SNAP-9A Transport 5BN1/2 (1) 25 525 238 Pu C. 1 12,3 2.0
SNAP-19 Nimbus-3 (2), Pionier 10 (4) , Pionier 11 (4) 40,3 525 238 Pu C. 1 13,6 2.9
modifizierter SNAP-19 Wikinger 1 (2), Wikinger 2 (2) 42,7 525 238 Pu C. 1 15,2 2,8
SNAP-27 Apollo 12–17 ALSEP (1) 73 1.480 238 Pu 3.8 20 3.65
(Spaltenreaktor) Buk (BES-5) ** US-As (1) 3000 100.000 hoch angereichert 235 U 30 1000 3.0
(Spaltenreaktor) SNAP-10A*** SNAP-10A (1) 600 30.000 hoch angereichert 235 U 431 1,4
ASRG **** Prototypendesign (nicht gestartet), Discovery Program C. 140 (2x70) C. 500 238 Pu 1 34 4.1

** nicht wirklich ein RTG, der BES-5 Buk ( БЭС-5 ) Reaktor war ein schneller Brutreaktor, der Thermoelemente auf Halbleiterbasis verwendet, um Wärme direkt in Strom umzuwandeln

*** nicht wirklich ein RTG, der SNAP-10A verwendete angereicherten Uranbrennstoff, Zirkoniumhydrid als Moderator, flüssiges Kühlmittel aus einer Natrium-Kalium-Legierung und wurde mit Beryllium-Reflektoren aktiviert oder deaktiviert. Reaktorwärme speiste ein thermoelektrisches Umwandlungssystem für die elektrische Produktion.

**** nicht wirklich ein RTG, die ASRG verwendet ein Stirling- Power-Gerät, das auf Radioisotopen läuft (siehe Stirling-Radioisotop-Generator )

Terrestrisch

Name und Modell Verwenden Maximale Leistung Radioisotop Max. verbrauchter Kraftstoff
(kg)
Masse (kg)
Elektrisch (W) Hitze (W)
Beta-M Veraltete sowjetische unbemannte
Leuchttürme und Leuchtfeuer
10 230 90 Sr 0,26 560
Efir-MA 30 720 ? ? 1250
IEU-1 80 2200 90 Sr ? 2500
IEU-2 14 580 ? ? 600
Gong 18 315 ? ? 600
Gorn 60 1100 ? ? 1050
IEU-2M 20 690 ? ? 600
IEU-1M 120 (180) 2200 (3300) 90 Sr ? 2(3) × 1050
Wächter 25 US-amerikanische Fernüberwachungsstandorte 9–20 SrTiO 3 0,54 907–1814
Sentinel 100F 53 Sr 2 TiO 4 1,77 1234
RIPPE X Bojen, Leuchttürme 33 SrTiO 3 1500

Siehe auch

Verweise

Anmerkungen

Externe Links