Астронавт Марк Уотни и РИТЭГ
Сегодня посмотрел фильм Марсианин (трейлер, книга). Но по теме блога меня там заинтересовал один сюжетный поворот. В какой-то момент для того, что бы поехать очень далеко по Марсу на ровере, Марк решает задачу обогрева по ночам (на Марсе температура может падать ночами до -80 С). Решил он ее положив себе в кабину что-то очень похожее на радиоизотопный генератор MMRTG, использованный в миссии Curiosity. В свою очередь MMRTG является практически половиной классических американских GPHS-RTG какие использовались на миссиях Galileo, Cassini, New Horizons . Сегодня мы разберемся, насколько опасно класть радиоизотопный генератор в свой ровер.
Как мы видим на картинке выше, с реальными РИТЭГ, которые были поставленны на Кассини обращаются довольно аккуратно - дозиметрия, щиты снижающие облучение персонала в помещении.
Что такое GPHS-RTG? Это модульный РИТЭГ, использующий тепло распада 238Pu для превращения его в электроэнергию его на полупроводниковом термоэлектрическом преобразователе. Впрочем, снаружи виден только радиатор, который работает холодным концом преобразователя.
В центре этого устройства установлены 18 квадратных General Purpose Heat Sorces - источников тепла общего назначения, собственно и содержащих плутоний. Они в свою очередь устроены так:
2 таблетки (Fuel pellet), размером с крупный орех из оксида плутония (151 грамм оксида или ~116 грамм плутония), покрытые иридиевой оболочкой (о которой мы поговорим дальше) укладываются в цилиндрическую емкость из углерод-углеродного композита, служащей защитой на случай падения такого РИТЭГ на этапе выведения. Две такие емкости, в свою очередь упаковываются в один призматический блок из графита, который и является GHPS. Вес одного собранного блока 1,43 килограмма, и со свежим радионуклидом он вырабатывает 250 ватт тепла, разогреваясь в генераторе до 1000 С.
Собранный GHPS
Учитывая КПД примерно в 6%, в начале своей жизни GPHS-RTG вырабатывал примерно 300 электрических ватт рассеивая с радиатора ~4400 ватт. Для MMRTG эти цифры 125 и 2000 ватт. Через 14 лет после извлечения плутония из реактора мощность падает примерно на четверть. Самое интересное, что мощность падает не только из-за естественного распада изотопа, но и из-за деградации термопар. Как источник тепла, это устройство более привлекательна - 1,6% снижения тепловой мощности в год.
Что ж, 2 киловатта тепла выглядит обнадеживающими для Марка Уотни, поговорим теперь об опасностях.
238Pu - Хороший выбор для РИТЭГ. Он распадается в 234U с испусканием альфа-частицы с энергией ~5,5 МэВ. От альфа-частицы легко заэкранироваться - все они затормозятся еще в иридиевой оболочке топливной таблетки (иридий здесь нужен, что бы в любом случае, например при падении в тундру, противостоять радиационной коррозии). К сожалению, на пути к абсолютной нерадиоактивности нашего источника тепла стоят три препятствия:
- Основной рабочий изотоп плутония распадается в U234, который порождает ряд радиоактивных изотопов, среди которых есть и гамма-эммитеры.
- Плутониевые таблетки содержит другие, не столь дружественные с точки радиоактивного излучения изотопы - 236Pu,239Pu,241Pu и продукты из распада, например жесткий гамма-излучатель 208Ta. К сожалению, процесс производства (облучением мишений из другого радиоактивного изотопа - Нептуния 237 в реакторе) всегда сопровождается появлением этих паразитных изотопов. Лучшие образцы 238Pu содержат порядка 17% других изотопов.
- Наконец, самое интересное. Энергичные альфа-частицы плутония взаимодействуют с кислородом (который содержится в оксиде плутония) и порождают через ядерные реакции с ним нейтронное излучение. Часть нейтронного излучения приходит и от самопроизвольного распада плутония (не альфа-распада, а развала на 2 части - как у урана в ядерной цепной реакции).
Все вместе дает для GPHS-RTG уровень радиации (или как правильнее это называется - мощность эквивалентной дозы) от 20 до 50 милирентген в час в разных направлениях на расстоянии метра. Этот уровень складывается из нейтронной и гамма радиации, причем доля последней для реальных РИТЭГов не так и велика - 5...10 мр/час.
Для MMRTG, который использует Уотни, уровни должны быть более чем в 2 раза ниже - порядка 8..20 мр/час. Причем, чисто теоретически, от нейтронной части можно заэкранироваться сантиметром-другим полиэтилена (лучше борированного). Даже в самом неудачном раскладе, при 20 мр/час, какой-то уровень, который может отразится на здоровье (100 рентген) герой "Марсианина" будет набирать 5000 часов, или порядка 202 сола (марсианских суток). С годами гамма-излучение от РИТЭГ будет расти, а нейтронное - падать, но эти изменения заметны на десятилетних периодах и не сильно влияют на общей уровень радиоактивности.
Впрочем, моделирование американских ядерщиков полей GPHS-RTG показывает, что контактно РИТЕГ может дать гораздо более опасные уровни в 1 и даже 5 рентген/час
Что ж, если вы попадете в схожую ситуацию - смело грейте салон своего ровера РИТЭГом, только обязательно убедитесь он наполнен Pu238 а не злобным бетта-эмиттером Sr90, как в отечественных наземных генераторах :).
P.S. Кстати, фильм вполне себе ничего, хотя для фанатов изначального, наполненного массой технических подробностей, текста уровень популяризации может быть разочаровывающим.