РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов

[lozga]

Так получилось, что в серии "Мирный космический атом" 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", 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 crustgroup 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. Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества.
• Термоэмиссионный преобразователь. В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы "допрыгнуть" до анода, создавая электрический ток.
• Термофотоэлектрический преобразователь. 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. Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы.
• Двигатель Стирлинга - 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 (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). РИТЭГи на 1977 год выдавали от 36 до 60 Вт электрической 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
MSL/Curiosity rover
~110
~2000
238Pu
~4
<45

GPHS-RTG
Cassini (3), New Horizons (1), Galileo (2), Ulysses (1)
300
4400
238Pu
7.8
55.9-57.8

MHW-RTG
LES-8/9, Voyager 1 (3), Voyager 2 (3)
160
2400
238Pu
~4.5
37.7

SNAP-3B
Transit-4A (1)
2.7
52.5
238Pu
 ?
2.1

SNAP-9A
Transit 5BN1/2 (1)
25
525
238Pu
~1
12.3

SNAP-19
Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4), Pioneer 11 (4)
40.3
525
238Pu
~1
13.6

модификация SNAP-19
Viking 1 (2), Viking 2 (2)
42.7
525
238Pu
~1
15.2

SNAP-27
Apollo 12-17 ALSEP (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 - 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:

1. Очень простая конструкция.
2. Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
3. Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
4. Не требует управления и присмотра.

Недостатки:

1. Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.
2. Производство топлива сложное, дорогое и медленное.
3. Низкий КПД.
4. 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".
• Тема "Отечественные РИТЭГ" на "Новостях Космонавтики".
• Отечественные РИТЭГи.
• Teledyne heritage.
• RTG на сайте NASA.