РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов
Так получилось, что в серии «Мирный космический атом» [1] мы движемся от фантастического к распространенному. В прошлый раз мы поговорили об энергетических реакторах, очевидный следующий шаг — рассказать о радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Недавно на Хабре был отличный пост про РИТЭГ зонда «Кассини» [2], а мы рассмотрим эту тему с более широкой точки зрения.
Физика процесса
Производство тепла
В отличие от ядерного реактора, который использует явление цепной ядерной реакции, радиоизотопные генераторы используют естественный распад радиоактивных изотопов. Вспомним, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. В зависимости от количества нейтронов в ядре конкретного атома, он может быть стабильным, или же проявлять тенденцию к самопроизвольному распаду. Например, атом кобальта 59Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к 59Co один нейтрон (например, поместив «обычный» кобальт в атомный реактор), то получится 60Co, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5,2 года. Термин «период полураспада» означает, что через 5,2 года один атом распадется с вероятностью 50%, а от ста атомов останется примерно половина. У всех «обычных» элементов есть свои изотопы с разным периодом полураспада:
3D карта изотопов, спасибо ЖЖ пользователю crustgroup [3] за картинку.
Подбирая подходящий изотоп, можно получить РИТЭГ с требуемым сроком службы и другими параметрами:
| Изотоп | Способ получения | Удельная мощность, Вт/г | Объёмная мощность, Вт/см³ | Период полураспада | Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/г | Рабочая форма изотопа |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 60Со (кобальт-60) | Облучение в реакторе | 2,9 | ~26 | 5,271 года | 193,2 | Металл, сплав |
| 238Pu (плутоний-238) | атомный реактор | 0,568 | 6,9 | 86 лет | 608,7 | Карбид плутония |
| 90Sr (стронций-90) | осколки деления | 0,93 | 0,7 | 28 лет | 162,721 | SrO, SrTiO3 |
| 144Ce (церий-144) | осколки деления | 2,6 | 12,5 | 285 дней | 57,439 | CeO2 |
| 242Cm (кюрий-242) | атомный реактор | 121 | 1169 | 162 дня | 677,8 | Cm2O3 |
| 147Pm (прометий-147) | осколки деления | 0,37 | 1,1 | 2,64 года | 12,34 | Pm2O3 |
| 137Cs (цезий-137) | осколки деления | 0,27 | 1,27 | 33 года | 230,24 | CsCl |
| 210Po (полоний-210) | облучение висмута | 142 | 1320 | 138 дней | 677,59 | сплавы со свинцом, иттрием, золотом |
| 244Cm (кюрий-244) | атомный реактор | 2,8 | 33,25 | 18,1 года | 640,6 | Cm2O3 |
| 232U (уран-232) | облучение тория | 8,097 | ~88,67 | 68,9 лет | 4887,103 | диоксид, карбид, нитрид урана |
| 106Ru (рутений-106) | осколки деления | 29,8 | 369,818 | ~371,63 сут | 9,854 | металл, сплав |
То, что распад изотопов происходит самостоятельно, означает, что РИТЭГом нельзя управлять. После загрузки топлива он будет нагреваться и производить электричество годами, постепенно деградируя. Уменьшение количества делящегося изотопа означает, что будет меньше ядерных распадов, меньше тепла и электричества. Плюс, падение электрической мощности усугубит деградация электрического генератора.
Существует упрощённая версия РИТЭГа, в котором распад изотопа используется только для обогрева, без получения электричества. Такой модуль называется блоком обогрева или RHG (Radioisotope Heat Generator).
Превращение тепла в электричество
Как и в случае атомного реактора, на выходе у нас получается тепло, которое надо каким-либо образом преобразовать в электричество. Для этого можно использовать:
- Термоэлектрический преобразователь [4]. Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества.
- Термоэмиссионный преобразователь [5]. В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы «допрыгнуть» до анода, создавая электрический ток.
- Термофотоэлектрический преобразователь [6]. В этом случае к источнику тепла подсоединяется фотоэлемент, работающий в инфракрасном диапазоне. Источник тепла испускает фотоны, которые улавливаются фотоэлементом и преобразуются в электричество.
- Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах [7]. Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы.
- Двигатель Стирлинга [8] — тепловая машина для преобразования разности температуры в механическую работу. Электричество получается из механической работы с использованием какого-либо генератора.
История
Первый экспериментальный радиоизотопный источник энергии был представлен в 1913 году. Но только со второй половины XX века, с распространением ядерных реакторов, на которых можно было получать изотопы в промышленных масштабах, РИТЭГи стали активно использоваться.
США
В США РИТЭГами занималась уже знакомая вам по прошлому посту организация SNAP.
SNAP-1.
Это был экспериментальный РИТЭГ на 144Ce и с генератором на цикле Ренкина [9] (паровая машина) со ртутью в качестве теплоносителя. Генератор успешно проработал 2500 часов на Земле, но в космос не полетел.
SNAP-3.
Первый РИТЭГ, летавший в космос на навигационных спутниках Transit 4A и 4B. Энергетическая мощность 2 Вт, вес 2 кг, использовал плутоний-238.
Sentry
РИТЭГ для метеорологического спутника. Энергетическая мощность 4,5 Вт, изотоп — стронций-90.
SNAP-7.
Семейство наземных РИТЭГов для маяков, световых буев, погодных станций, акустических буев и тому подобного. Очень большие модели, вес от 850 до 2720 кг. Энергетическая мощность — десятки ватт. Например, SNAP-7D — 30 Вт при массе 2 т.
SNAP-9
Серийный РИТЭГ для навигационных спутников Transit. Масса 12 кг, электрическая мощность 25 Вт.
SNAP-11
Экспериментальный РИТЭГ для лунных посадочных станций Surveyor. Предлагалось использовать изотоп кюрий-242. Электрическая мощность — 25 Вт. Не использовались.
SNAP-19
Серийный РИТЭГ, использовался во множестве миссий — метеорологические спутники Nimbus, зонды «Пионер» -10 и -11, марсианские посадочные станции «Викинг». Изотоп — плутоний-238, энергетическая мощность ~40 Вт.
SNAP-21 и -23
РИТЭГи для подводного применения на стронции-90.
SNAP-27
РИТЭГи для питания научного оборудования программы «Аполлон». 3,8 кг. плутония-238 давали энергетическую мощность 70 Вт. Лунное научное оборудование было выключено ещё в 1977 году (люди и аппаратура на Земле требовали денег, а их не хватало), а РИТЭГи всё ещё работают, и потеряли всего лишь 10% от начальной мощности.
MHW-RTG
Название расшифровывается как «многосотваттный РИТЭГ». 4,5 кг. плутония-238 давали 2400 Вт тепловой мощности и 160 Вт электрической. Эти РИТЭГи стояли на Экспериментальных Спутниках Линкольна (LES-8,9) и уже 37 лет обеспечивают теплом и электричеством «Вояджеры». На 2014 год РИТЭГи обеспечивают около 53% своей начальной мощности.
GPHS-RTG
Самый мощный из космических РИТЭГов. 7,8 кг плутония-238 давали 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Использовался на солнечном зонде «Улисс», зондах «Галилео», «Кассини-Гюйгенс» и летит к Плутону на «Новых горизонтах».
MMRTG
РИТЭГ для «Кьюриосити». 4 кг плутония-238, 2000 Вт тепловой мощности, 100 Вт электической.
Тёплый ламповый кубик плутония.
РИТЭГи США с привязкой по времени.
Сводная таблица:
| Название | Носители (количество на аппарате) | Максимальная мощность | Изотоп | Вес топлива, кг | Полная масса, кг | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Электрическая, Вт | Тепловая, Вт | |||||
| MMRTG [10] | MSL/Curiosity rover [11] | ~110 | ~2000 | 238Pu | ~4 | <45 |
| GPHS-RTG [12] | Cassini (3) [13], New Horizons (1) [14], Galileo (2) [15], Ulysses (1) [16] | 300 | 4400 | 238Pu | 7.8 | 55.9–57.8 |
| MHW-RTG [17] | LES-8/9 [18], Voyager 1 (3) [19], Voyager 2 (3) [20] | 160 | 2400 | 238Pu | ~4.5 | 37.7 |
| SNAP-3B [21] | Transit-4A [22] (1) | 2.7 | 52.5 | 238Pu | ? | 2.1 |
| SNAP-9A | Transit 5BN1/2 [22] (1) | 25 | 525 | 238Pu | ~1 | 12.3 |
| SNAP-19 | Nimbus-3 [23] (2), Pioneer 10 (4) [24], Pioneer 11 (4) [25] | 40.3 | 525 | 238Pu | ~1 | 13.6 |
| модификация SNAP-19 | Viking 1 (2), Viking 2 (2) [26] | 42.7 | 525 | 238Pu | ~1 | 15.2 |
| SNAP-27 | Apollo 12–17 [27] ALSEP [28] (1) | 73 | 1,480 | 238Pu | 3.8 | 20 |
СССР/Россия
В СССР и России космических РИТЭГов было мало. Первым экспериментальным генератором стал РИТЭГ «Лимон-1» на полонии-210, созданный в 1962 году:
.
Первыми космическими РИТЭГами стали «Орион-1» электрической мощностью 20 Вт на полонии-210 и запущенные на связных спутниках серии «Стрела-1» — «Космос-84» и «Космос-90». Блоки обогрева стояли на «Луноходах» -1 и -2, и РИТЭГ стоял на миссии «Марс-96»:
В то же время РИТЭГи очень активно использовались в маяках, навигационных буях и прочем наземном оборудовании — серии «БЭТА», «РИТЭГ-ИЭУ» и многие другие.
Конструкция
Практически все РИТЭГи используют термоэлектрические преобразователи и поэтому имеют одинаковую конструкцию:
Перспективы
Все летавшие РИТЭГи отличает очень низкий КПД — как правило, электрическая мощность меньше 10% от тепловой. Поэтому в начале XXI века в NASA был запущен проект ASRG [29] — РИТЭГ с двигателем Стирлинга. Ожидалось повышение КПД до 30% и 140 Вт электрической мощности при 500 Вт тепловой. К сожалению, проект был остановлен в 2013 году из-за превышения бюджета. Но, теоретически, применение более эффективных преобразователей тепла в электричество способно серьезно поднять КПД РИТЭГов.
Достоинства и недостатки
Достоинства:
- Очень простая конструкция.
- Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
- Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
- Не требует управления и присмотра.
Недостатки:
- Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.
- Производство топлива сложное, дорогое и медленное.
- Низкий КПД.
- Мощность ограничивается сотнями ватт. РИТЭГ киловаттной электрической мощности уже слабо оправдан, мегаваттной — практически не имеет смысла: будет слишком дорогим и тяжелым.
Сочетание таких достоинств и недостатков означает, что РИТЭГи и блоки обогрева занимают свою нишу в космической энергетике и сохранят её и далее. Они позволяют просто и эффективно обогревать и питать электричеством межпланетные аппараты, но от них не стоит ждать какого-либо энергетического прорыва.
Источники
Кроме Википедии использовались:
- Документ «Космическая ядерная энергия: открывая последний горизонт» [30].
- Тема «Отечественные РИТЭГ» [31] на «Новостях Космонавтики».
- Отечественные РИТЭГи [32].
- Teledyne heritage [33].
- RTG на сайте NASA [34].
Автор: lozga
Источник [35]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/fizika/66018
Ссылки в тексте:
[1] «Мирный космический атом»: http://habrahabr.ru/search/?target_type=posts&q=[%D0%9C%D0%9A%D0%90]%20&order_by=date
[2] РИТЭГ зонда «Кассини»: http://habrahabr.ru/post/228295/
[3] crustgroup: http://crustgroup.livejournal.com/
[4] Термоэлектрический преобразователь: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80
[5] Термоэмиссионный преобразователь: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D1%8D%D0%BC%D0%B8%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C
[6] Термофотоэлектрический преобразователь: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermophotovoltaic
[7] Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах: http://en.wikipedia.org/wiki/Alkali-metal_thermal_to_electric_converter
[8] Двигатель Стирлинга: http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_radioisotope_generator
[9] цикле Ренкина: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B8%D0%BA%D0%BB_%D0%A0%D0%B5%D0%BD%D0%BA%D0%B8%D0%BD%D0%B0
[10] MMRTG: http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-Mission_Radioisotope_Thermoelectric_Generator
[11] MSL/Curiosity rover: http://en.wikipedia.org/wiki/Mars_Science_Laboratory
[12] GPHS-RTG: http://en.wikipedia.org/wiki/GPHS-RTG
[13] Cassini (3): http://en.wikipedia.org/wiki/Cassini-Huygens
[14] New Horizons (1): http://en.wikipedia.org/wiki/New_Horizons
[15] Galileo (2): http://en.wikipedia.org/wiki/Galileo_probe
[16] Ulysses (1): http://en.wikipedia.org/wiki/Ulysses_probe
[17] MHW-RTG: http://en.wikipedia.org/wiki/MHW-RTG
[18] LES-8/9: http://en.wikipedia.org/wiki/Lincoln_Experimental_Satellite
[19] Voyager 1 (3): http://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_1
[20] Voyager 2 (3): http://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_2
[21] SNAP-3B: http://en.wikipedia.org/wiki/Systems_Nuclear_Auxiliary_Power_Program
[22] Transit-4A: http://en.wikipedia.org/wiki/Transit_(satellite)
[23] Nimbus-3: http://en.wikipedia.org/wiki/Nimbus_program
[24] Pioneer 10 (4): http://en.wikipedia.org/wiki/Pioneer_10
[25] Pioneer 11 (4): http://en.wikipedia.org/wiki/Pioneer_11
[26] Viking 1 (2), Viking 2 (2): http://en.wikipedia.org/wiki/Viking_program
[27] Apollo 12–17: http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Apollo
[28] ALSEP: http://en.wikipedia.org/wiki/ALSEP
[29] ASRG: http://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Stirling_Radioisotope_Generator
[30] «Космическая ядерная энергия: открывая последний горизонт»: http://fas.org/nuke/space/bennett0706.pdf
[31] «Отечественные РИТЭГ»: http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum12/topic11739/
[32] Отечественные РИТЭГи: http://archive.today/LxBrP
[33] Teledyne heritage: http://www.teledynees.com/index.php/products/detail/teledyne-heritage
[34] RTG на сайте NASA: https://solarsystem.nasa.gov/rps/rtg.cfm
[35] Источник: http://habrahabr.ru/post/231197/
Нажмите здесь для печати.