Radionuklide batteri
Et radionuklidbatteri , også radioisotopgenerator , isotopbatteri , atombatteri konverterer termisk energi eller beta-stråling eller alfastråling av det spontane kjerneforfallet til et radionuklid til elektrisk energi . Den får sin energi fra radioaktivt forfall , ikke fra en kjernefysisk fisjon med en påfølgende kjedereaksjon , og er derfor ikke en atomreaktor .
Hvis bare den termiske energien i forfallet brukes, snakker man om RTG (for radioisotop termoelektrisk generator ).
Radionuklide batterier er generelt små, kompakte og har ingen bevegelige deler. De er autonome, vedlikeholdsfrie og kan levere elektrisk energi i år til tiår.
prinsipp
Forfallet til et radionuklid skaper termisk energi og stråling . Varmen kan enten brukes direkte til oppvarming ( Radioisotope Heating Unit, RHU ) eller konverteres til elektrisk energi ved hjelp av en omformer. De forskjellige radionuklidene som kan brukes er listet opp nedenfor, samt mulighetene for å generere elektrisk energi fra forfallsvarmen eller fra betastråling .
Radionuklidet i RTG er ordnet på en slik måte eller i en så liten mengde at den kritiske massen for å tenne en kjedereaksjon ikke blir nådd selv med isotoper av transuraniske elementer .
Radionuklid varmeelement
Det brukes som et varmeelement om bord på romføler og rovere for å beskytte elektronisk utstyr mot kulde i solskyggen eller i det ytre solsystemet. For eksempel ble de brukt ombord på Lunochod (Polonium) og Cassini-Huygens (PuO 2 ). En RHU, levert av US Department of Energy for amerikanske romoppdrag, inneholder 2,7 g “drivstoff” (PuO 2 ). Denne plutoniumdioksydpelleten er omgitt av et skall laget av en platina-rodiumlegering, som er i en isolasjon laget av grafitt, og dette er igjen i en termisk isolasjon laget av samme materiale. Hele RHU er en 3,2 cm × 2,6 cm kapsel, som gir en termisk effekt på ca. 1 W med en total masse på ca. 40 g. Et radionuklide varmeelement er derfor ikke et radionuklidbatteri for å generere elektrisk energi .
Kraftproduksjon
Når det gjelder å generere elektrisk energi, brukes termoelektriske generatorer fortsatt oftest i dag (se også nedenfor i omformerkapittelet ). De fungerer uten bevegelige deler og er derfor slitasjefrie og egner seg godt for deres bruksområde (langvarige romsonder fjernt fra solen). Effektiviteten er bare 3 til 8 prosent. Peltier-elementene som brukes i den for energiomdannelse krever så stor temperaturforskjell som mulig for å generere elektrisitet. Derfor blir den ene siden varmet opp av det radioaktive preparatet, den andre siden utstråler varme inn i miljøet over et stort område med høy emissivitet og blir dermed avkjølt.
Alternativer er i utviklingsfasen. Den mest lovende av disse er AMTEC-generatoren (alkalimetall-termisk-elektrisk omformer, se nedenfor). Det var opprinnelig ment å bli brukt på New Horizons romføler, men en termoelektrisk generator (type GPHS-RTG) ble valgt av økonomiske årsaker.
Sammenlignet med atomreaktorer har også radionuklidbatterier et dårligere forhold mellom masse og ytelse. Drivstofforbruket er uavhengig av om elektrisk strøm tas ut eller ikke. Når det gjelder radioisotoper med kort halveringstid, faller energiproduksjonen raskt. Derfor må du alltid ta et overskudd drivstoff, noe som krever høyere kostnader og tyngre skjerming.
Stirling generator
Med en “Advanced Stirling Radioisotope Generator” (ASRG) drives en Stirling- motor med varmen fra radioisotopen , som igjen driver en generator for å generere elektrisitet. På rundt 28 prosent er effektiviteten til Stirling-motoren mye høyere enn termoelementene, noe som betyr at mye mer elektrisk energi kan genereres med samme mengde radionuklid.
Ulempen med ASRG er bruken av bevegelige deler som kan føre til feil.
Så langt er ingen ASRG i bruk.
Egentlig brukt og teoretisk tenkelig drivstoff
For at en RTG ikke mister for mye av ytelsen i løpet av levetiden, bør radionuklidet som brukes, ha en halveringstid som er en faktor på 2 til 5 større enn den maksimale driftstiden, som er noen tiår for normale oppdrag. I romfart må radionuklidet avgi en tilstrekkelig mengde energi for å oppnå en stor mengde varme i forhold til dens masse og volum. På den annen side må et tynt skjold være tilstrekkelig slik at RTG ikke blir for tung. Derfor er beta-emittere ikke godt egnet på grunn av frigjøring av bremsstrahlung , gamma- emittere og nuklider med høy spontan fisjonfrekvens på grunn av frigjøring av gammastråler og nøytroner. For en tilstrekkelig stor spesifikk varmeutslipp, bør halveringstiden ikke være unødvendig lang. Ellers ville det være behov for for mye av radionuklidet, noe som ville gjøre RTG-ene for tunge for en rimelig lanseringsmasse. Når det gjelder interstellare sonder som vurderes, vil alfa-emittere med en halveringstid på opptil 10 000 år bli brukt.
For applikasjoner på jorden er skjermingsmassen og effekttettheten ofte mindre viktig, men prisen på radionuklidet er. Dette er grunnen til at beta-emittere også brukes i RTG på jorden. Imidlertid må forråtnelsesproduktene (i hele forfallsserien ) av det valgte nuklidet heller ikke avgi stråling som er for penetrerende. Noen isotoper fra atomavfall fra atomkraftverk kan brukes, slik som 90 Sr, 137 Cs, 144 Ce, 106 Ru eller 241 Am. Imidlertid er et opparbeidingsanlegg nødvendig for å skaffe dem . Annet drivstoff må først avles kraftig, noe som til og med krever flere passeringer gjennom et opparbeidingsanlegg, for eksempel 210 Po, 238 Pu eller 244 cm. 244 cm koster omtrent 160.000 dollar / g.
Følgende egenskaper og bruksområder for noen viktige radionuklider:
Radio nuklide |
Halveringstid (år) |
Forfall | brensel | Spesifikk effekt a (W / g) |
shield- mung |
Smeltepunkt for drivstoff (° C) |
---|---|---|---|---|---|---|
Co | 605.27 | β , γ | metall | 18.9 | tung | 1480 |
Sr | 9028,78 | β, β | SrTiO 3 | 2.31 | tung | 1910 |
106 Ru | 1.02 | β, β | metall | 70,0 | tung | 2310 |
137 Cs | 30.17 | β, γ | CsCl eller glass | 0,60 | tung | b | 646 / -
144 Ce | 0,78 | β, β, γ | CeO 2 | 62.6 | tung | 2190 |
147 pm | 2.62 | β | Pm 2 O 3 | 1.23 | medium | 2130 |
210 Po | 0,38 | α | GdPo | 141 | lett | 1630 |
238 Pu | 87,7 | α | PuO 2 | 0,568 | lett | 2250 |
242 cm | 0,45 | α | Cm 2 O 3 | 122 | medium | 1950 |
244 cm | 18.1 | α | Cm 2 O 3 | 2.84 | medium | 1950 |
241 På | 432,2 | α | AmO 2 | 0.112 | medium | 2000 |
243 På | 7513 c | α, β, α | AmO 2 | c | 0,010≥ middels | 2000 |
- Cobalt 60 Co.
- genereres ved nøytronbombardement på 59 Co og forfaller med en halveringstid på 5,26 år med beta-forfall først til en eksitert tilstand på 60 Ni * og deretter med utslipp av høyenergigamma-stråling til grunntilstanden til dette nuklidet. 60 Co brukes blant annet til sterilisering eller konservering av mat, til materialanalyse (radiografisk testing) og i kreftterapi ("koboltkanon"). Når det brukes i et radioisotopbatteri, vil det derfor være nødvendig med et veldig tykt skjold .
- Strontium 90 Sr
- er et avfallsprodukt i atomreaktorer og er en beta-emitter med en halveringstid på 28,78 år. Råtenergien er 0,546 MeV . Denne betastrålingen frigjør bremsestreng i det omkringliggende materialet under oppbremsing . De forråtnelse produkt yttrium 90 Y frigjør enda vanskeligere beta-stråling på 2,282 MeV, noe som fører til enda sterkere bremsestråling. Derfor krever 90 Sr et mye tykkere skjold enn en alfa-emitter .
- En fordel kan være at den bare forfaller til stabilt zirkonium 90 Zr via det nevnte mellomtrinnet ( 90 Y med 64,10 timers halveringstid) og strålingen av drivstoffet til en RTG har sunket til en ufarlig verdi etter ca 900 år (i stedet for hundretusener til millioner av år over en lang kjede av forfall som transuranske elementer ). 90 Sr kan gjenvinnes i store mengder ved ombehandling og brukes i RTG-er på jorden, der massen til skjoldet ikke er like kritisk som i romfart.
- Ruthenium 106 Ru
- påløper som avfallsprodukt i kjernefysiske reaktorer og er en beta-emitter , som forfaller til rodium 106 Rh med en halveringstid på 373,6 dager , noe som fører til et raskt tap av strøm i isotopbatteriet . Den har høy effekttetthet og et høyt smeltepunkt på 2310 ° C. Ettersom beta-strålingen som i sin tur frigjør bremsstrahlung, kreves tykk skjerming. Forfallsproduktet 106 Rh er også en beta-emitter og forfaller til stabilt palladium 106 Pd med en halveringstid på 29,80 sekunder med utslipp av hard beta-stråling, noe som fører til intens bremsstrahlung.
- Cesium 137 Cs
- er et avfallsprodukt i atomreaktorer og har en halveringstid på 30,17 år. Det krever en mer kompleks avskjerming for strålingen enn en alfa-emitter , siden den avgir betastråling og forfallsproduktet barium 137m Ba er en sterk gamma- emitter . En fordel kan være at den bare forfaller til en stabil 137 Ba via det nevnte mellomtrinnet ( 137m Ba med 2,55 minutters halveringstid) og ikke via en lang forfallskjede som i tilfellet med de transuranske elementene. 137 Cs kan gjenvinnes i store mengder etter ombehandling.
- Cerium 144 Ce
- forekommer også som avfallsprodukt i kjernefysiske reaktorer og har god effekttetthet. Halveringstiden på 284,9 dager er imidlertid vanligvis for kort til applikasjoner. I tillegg er det en beta-emitter og frigjør derfor bremsstrahlung. Forfallsproduktet praseodymium 144 Pr forfaller med en halveringstid på 17,28 minutter gjennom beta- forfall til neodymium 144 Nd, og frigjør enda hardere bremsstrahlung. Den 144 Nd avtar ved alfa-nedbrytning med en ekstremt lang halveringstid på 2,29 år Kvadrillion til den stabile Cer 140 Ce.
- Promethium 147 pm
- er en beta-emitter og har en relativt kort halveringstid på 2,62 år. Den brukes primært i sammenheng med beta- voltaikk for å generere energi, og brukes fortsatt blant annet som en stimulerende beta-emitter i lysende antall i klokker og i kalde lyskilder i signalsystemer. Det er et avfallsprodukt i atomreaktorer og kan gjenvinnes under ombehandling. Promethium 147 Pm forfaller til samarium 147 Sm, som igjen forfaller til stabilt neodym 143 Nd gjennom alfa- forfall med en veldig lang halveringstid på 106 milliarder år .
- Polonium 210 Po
- er generert av nøytronbombardement av 209 Bi. Med 141 W / g har den den høyeste effekttettheten og krever som en alfa-emitter liten skjerming. Siden halveringstiden er lav på 138.376 dager, ble den bare brukt i RHU i Lunochod , siden oppdragets varighet der var tilstrekkelig kort. Den forfaller til den stabile blyisotopen 206 Pb.
- Plutonium 238 Pu
- er spesielt produsert for bruk i radionuklide batterier. Den brukes i de fleste rom-RTG-er. Typiske generatorer for romsonder er fylt med keramisk plutoniumdioksid (PuO 2 ) i form av faste blokker. Den er kjemisk stabil, uoppløselig i vann, forstøver ikke og har et høyere smeltepunkt enn metallisk plutonium. Drivstoffets varmeeffekt som følge av radioaktivt forfall er rundt 500 W / kg.
- 238 Pu er en alfa-emitter med lav spontan fisjonrate og derfor lave nøytron- og gammautslipp med en halveringstid på 87,7 år. Den relativt lange halveringstiden (= flere tiår med bruk av RTG) og lav stråling som er vanskelig å skjerme, betyr at bare den tynneste strålingsskjerming av nuklidene som er nevnt her er påkrevd. En mengde på 300 g 238 Pu gir etter termoelektrisk konvertering ca. 8% effektivitet, for eksempel ca. 11 W elektrisk kraft, dvs. ca. 933 kWh elektrisk energi innen 10 år .
- Curium 242 cm
- har den nest høyeste energitettheten og en veldig kort halveringstid på 162,8 dager. Produksjonen er kompleks og veldig dyr. Den brytes direkte ned til 238 Pu og er bare nevnt her for fullstendighetens skyld.
- Curium 244 cm
- må inkuberes i atomreaktorer og har en halveringstid på 18,1 år. Det er en alfa-emitter, men dens spontane fissionsfrekvens og dermed nøytron- og gammastrålingen er høyere enn 238 Pu, så skjermingen må være tykkere. Halveringstiden er mye kortere, så en RTG med den vil ha en mye kortere brukstid.
- Americium 241 Am
- oppstår fra beta-forfall på 241 Pu, som inkuberes i små mengder i atomreaktorer . Med en halveringstid på 432,2 år, ville det være egnet for RTG-er som må levere elektrisk energi ikke bare i flere tiår, men i århundrer. Imidlertid er americium ikke en ren alfa-emitter, men avgir store mengder relativt myk gammastråling når den forfaller, fordi bare omtrent 0,35% av alle 241 Am-atomer gir hele forfallsenergien til alfapartikkelen. Nøytronutslippet er høyere enn med 238 Pu. Derfor vil RTG-er med denne isotopen trenge et litt tykkere skjold enn de med 238 Pu-fylling.
- Americium 243 Am
- oppstår fra beta-forfallet av plutonium 243 Pu, som produseres i svært små mengder av atomreaktorer . Med en halveringstid på 7.370 år, vil det være egnet for RTG med en levetid på rundt 5000 år.
Konverter
Flere prinsipper kommer i tvil eller har blitt testet for energiomdannelse:
- Termoelektrisk generator
- (Engelsk radioisotop termoelektrisk generator , kort fortalt RTG ) et radionuklid genererer varme og driver en termoelektrisk generator , som ligner på et Peltier-element ( Seebeck-effekt eller invers Peltier-effekt ). Denne typen isotopgenerator er den vanligste. Den inneholder ett eller flere radioaktive varmeelementer som settes direkte inn i radioisotopgeneratoren. Radioisotopgeneratoren består av en metallsylinder i veggen som termoelementene er innebygd i. Den har kjøleribber på ytterveggen for å avgi varmen som genereres av varmeelementene og dermed skape den temperaturforskjellen som er nødvendig for driften av termoelementene. Effektiviteten er 3 til 8 prosent.
- Termionisk generator
- den bruker glødemisjonen fra elektroner fra en glødekatode oppvarmet av radionuklidet . Effektivitet rundt 10 til 20 prosent, men høye temperaturer på minst rundt 750 ° C er nødvendig.
- Termofotovoltaisk generator
- den bruker den infrarøde strålingen fra radionuklidet , som varmes opp til glødepunktet, og konverterer den til elektrisitet med fotodioder, i likhet med solceller . Effektiviteten er i utgangspunktet 20 til 30 prosent, men de brytes ganske raskt når de brukes med radionuklider på grunn av strålingsskader.
- Betavoltaiske batterier
- de konverterer betastråling i en halvleder, lik en fotodiode, direkte til elektrisk strøm. Problemet her er den dårlige effektiviteten, som er rundt 7 prosent. Faget er gjenstand for forskning fra USAF. Den varmen av forfallet ikke spiller en rolle her.
- Alfavoltaiske batterier
- de omdanner alfastråler til elektrisk energi. Nedbrytnings varmen blir heller ikke brukt.
- Alkali-metall-termisk-elektrisk omformer
- (Engelsk alkalimetall termisk til elektrisk omformer , eller AMTEC for kort ). Den bruker komponenter fra natrium-svovelbatteriet . Strukturen ligner en brenselcelle : Natrium fordampet av radionuklidets varme presses gjennom en solid elektrolytt laget av keramisk aluminiumoksid. Siden keramikken bare leder Na + -ioner, må elektronet strømme til den andre enden av keramikken via en forbruker. Der kombineres natriumioner og elektroner og blir flytende i en kondensator. Det flytende natrium transporteres til fordamperen ved hjelp av en magnetohydrodynamisk pumpe, og syklusen starter på nytt. Effektiviteten er 15 til 25 prosent, i fremtiden anses opptil 40 prosent å være mulig.
- Stirling-motor
- (Engelsk stirling radioisotopgenerator , kort SRG ). Varmen generert av radioisotopene driver en Stirling-motor. Effektiviteten (20 til 30 prosent) er høyere enn for termoelektriske elementer, men i motsetning til termoelektriske eller AMTEC-omformere bruker den bevegelige deler. Advanced Stirling Radioisotope Generators utviklet i mellomtiden har ennå ikke blitt brukt. På grunn av risikoen som de bevegelige delene av generatorene utgjør, planlegger NASA å teste dem først på et billig oppdrag før de brukes på et dyrt oppdrag.
applikasjoner
rom
I romfart brukes RTG for strømforsyning og RHU for oppvarming. Utover Mars bane, inntil nylig (nå utenfor Jupiter ), var ikke strålingen fra den fjerne solen lenger tilstrekkelig til å dekke energibehovet til sonder med solceller av praktisk størrelse. I tillegg er gassplanetene (spesielt Jupiter) omgitt av så sterke strålingsbelter at solcellene brytes ned eller ødelegges for raskt . RTG er for øyeblikket de eneste generatorene som er lette og pålitelige nok til å bli integrert i en sonde, og som kan levere strøm i lang nok periode. Alle romsonder som ble sendt til planeten Jupiter eller lenger frem til 2010 , som Pioneer 10 , Pioneer 11 , Voyager 1 , Voyager 2 , Galileo , Ulysses , Cassini og New Horizons , var derfor utstyrt med isotopbatterier. Juno- romsonden, lansert i 2011, bruker solceller i Jupiters bane . Dette er imidlertid bare mulig fordi den planlagte polarbanen til sonden stort sett ligger utenfor strålingsbeltet. Den planlagte " Jupiter Icy Moons Explorer " , som dukket opp fra Europa Jupiter System Mission , vil også bruke solceller, siden månen Ganymedes ligger utenfor Jupiters sterke strålingsbelte. "Jupiter Europa Orbiter" til den forlatte Europa Jupiter System Mission, derimot, bør bruke RTG, ettersom månen Europa er nærmere Jupiter i strålingsbeltet. Den Rosetta plass sonde , som undersøkte Churyumov-Gerasimenko komet til 2016, også benyttes solceller, selv om det nå har beveget seg lenger bort fra solen enn Jupiter. Imidlertid fantes hoveddelen av oppdraget da kometen var i sin eksentriske bane nær periheliet (og dermed nær solen). Så det var nok energi tilgjengelig under selve oppdraget på kometen. Det må også tas med i betraktningen her at ESA ennå ikke har utviklet noen RTG-er, men vurderer utvikling og konstruksjon av RTG-er som skal være klare i 2020-årene. Americium 241 Am forventes å bli brukt som et radionuklid .
De automatiske målestasjonene ( ALSEP ) som ble satt opp på månen av Apollo- astronautene på begynnelsen av 1970-tallet , fikk også energi fra isotopbatterier for å kunne jobbe kontinuerlig.
Landeren til den kinesiske månesonden Chang'e-3 har en RTG ombord slik at den kan fortsette å jobbe i løpet av 14-dagers månenatt.
Med militære satellitter spiller den mindre størrelsen sammenlignet med solceller en rolle, så vel som større ufølsomhet for stråling. Satellitter som kretser i en lav bane ( LEO ) reduseres av den høye atmosfæren , små dimensjoner er spesielt viktige her.
Russland (eller Sovjetunionen) brukte også RTG i både sivile og militære oppdrag, men i romfartssektoren hadde det en tendens til å fokusere på atomreaktorer ( RORSAT ). Det er veldig lite publisert om sovjetiske / russiske aktiviteter, så listen nedenfor er USA-dominert. Det kan imidlertid antas at Sovjetunionen brukte RTG minst like ofte.
år | Etternavn | oppdrag | Nummer |
Radio nuklide |
elektrisk kraft per RTG i W (start) |
---|---|---|---|---|---|
1958 | SNAP-1 | Slettet i 1958 | ? | 144 Ce | 500 |
1958 | SNAP-1A | 1958 jordprøve | ? | 125 | |
1961 | SNAP-3 | Transitt 4A | 1 | 238 Pu | 2.7 |
1961 | SNAP-3 | Transitt 4B | 1 | 2.7 | |
1963 | SNAP-9 | Transitt 5BN-1 | 1 | 25 | |
1963 | SNAP-9 | Transitt 5BN-2 | 1 | 25 | |
1965 | Orion-1 | Kosmos 84 | 1 | ? | ? |
1965 | Orion-1 | Kosmos 90 | 1 | ? | |
1965 | SNAP-17 | Kommunikasjonssatellitt , slettet | ? | 90 Sr | 25 |
1966 | SNAP-11 | Landmåler (slettet), jordprøve | ? | 242 cm | 25 |
1969 | SNAP-29 | USAF | ? | 210 Po | 400 |
1969 | SNAP-19B3 | Nimbus B | 2 | 238 Pu | 28.2 |
1969 | SNAP-19B3 | Nimbus III | 2 | 28.2 | |
1969 | SNAP-27 | EALSEP | 1 | 75 | |
1969 | SNAP-27 | ALSEP A1 | 1 | 75 | |
1970 | SNAP-27 | ALSEP B | 1 | 75 | |
1971 | SNAP-27 | ALSEP C | 1 | 75 | |
1971 | SNAP-27 | ALSEP A2 | 1 | 75 | |
1972 | SNAP-19 | Pioneer 10 | 4. plass | 40 | |
1972 | SNAP-27 | ALSEP D | 1 | 75 | |
1972 | Transitt RTG | Triade 1 | 1 | ? | ? |
1972 | SNAP-27 | ALSEP E | 1 | 238 Pu | 75 |
1973 | SNAP-19 | Pioneer 11 | 4. plass | 40 | |
1975 | SNAP-19 | Viking 1 | 2 | 43 | |
1975 | SNAP-19 | Viking 2 | 2 | 43 | |
1976 | MHW-RTG | LES-8 | 2 | 154 | |
1976 | MHW-RTG | LES-9 | 2 | 154 | |
1977 | MHW-RTG | Voyager 2 | 3 | 158 | |
1977 | MHW-RTG | Voyager 1 | 3 | 158 | |
1989 | GPHS-RTG | Galileo | 2 | 290 | |
1990 | GPHS-RTG | Ulysses | 1 | 280 | |
1996 | RTG fiskestang | Mars 96 | 4. plass | Ikke relevant | |
1997 | GPHS-RTG | Cassini-Huygens | 3 | 285 | |
2006 | GPHS-RTG | Nye horisonter | 1 | 240 | |
2011 | MMRTG | Nysgjerrighet | 1 | 110 | |
2013 | ? | Chang'e-3 | 1 | 238 Pu | ? |
2020 | MMRTG | Utholdenhet | 1 | 238 Pu | ? |
jord
Før det var små og langvarige batterier, ble RTG-er basert på 238 Pu brukt til å drive pacemakere . Slike pacemakere ble også implantert i Tyskland mellom 1971 og 1976. De inneholdt 200 mg plutonium.
Før det hadde selskapet Biotronik allerede produsert en hjertepacemaker som brukte beta- voltaisk prinsipp på grunnlag av beta-forfall på 147 mikrometer for å generere energi .
RTG ble brukt til å levere fyr og belysning i avsidesliggende regioner i Sovjetunionen . Med rundt 1000 stykker ble det brukt 90 Sr-generatorer av Beta-M-typen hyppigst . Noen av dem er fortsatt i drift i dag.
sikkerhet
rom
I de tidlige dagene av romfart ble RTG bare bygget med lite skjerming. Skjoldet var designet for å beskytte satellittinstrumentene mot stråling fra radioisotopen. Siden beskyttelsestiltak mot kosmisk stråling uansett var på plass, var dette ganske enkelt å implementere. På den tiden var ikke RTG-ene designet for atmosfærisk gjeninntreden , men de ble bygget på en slik måte at de skulle brenne opp i atmosfæren i tilfelle en ulykke. Drivstoffene ville dermed ha spredt seg over et stort område som støv og deretter falle ut. Den resulterende radioaktive forurensningen fra en RTG-enhet (maksimalt 8 kg drivstoff) ble ansett å være ubetydelig med tanke på atomvåpenforsøkene som foregår over hele verden og mengden radioaktivt materiale som frigjøres og produseres som et resultat (flere 1000 tonn). Ulykker med satellitter med atomreaktorer i stedet for radionuklidbatterier som energikilde, som Sovjet Kosmos 954 , førte imidlertid til et langt større nivå av radioaktiv forurensning.
I oktober 1963 trådte traktaten om forbud mot atomvåpenprøver i atmosfæren, i rom og under vann i kraft. Den ioniserende strålingen gikk raskt tilbake over hele verden.
21. april 1964 startet Able Star øvre trinn i en Thor DSV2A Able Star-bærerakett som skulle skyte satellittene Transit 5BN-3 og Transit 5E-3 ut i rommet. Satellittene kom inn i jordens atmosfære igjen, med SNAP-9A-radionuklidbatteriet av Transit 5BN-3 som brant opp i en høyde på rundt 50 km, og frigjør 238 Pu med en aktivitet på 629 T Bq (17.000 Curie ). Det kan fortsatt måles over hele verden i dag.
På grunn av endringen i bildet av atomteknologi på 1960- og 70-tallet og ovennevnte krasj, flyttet RTGs også inn i fokus for politikk og publikum. Fra nå av var maksimal sikkerhet topprioritet. Siden da har alle RTG-er blitt designet for at raketten skal komme inn på nytt og eksplodere på sjøplaten, noe som imidlertid drastisk forverret forholdet mellom masse og ytelse og kjørte opp kostnadene. Følgende er strukturen til en moderne GPHS-RTG (varmekilde for generell bruk - radioisotop termoelektrisk generator) for å illustrere sikkerhetstiltakene, de ble brukt i Cassini-Huygens , New Horizons , Galileo og Ulysses :
- Drivstoffet (plutoniumdioksid) er fylt i iridiumblokker for å beskytte mot korrosjon .
- To drivstoffblokker er fylt i en liten grafitt-sylinder, atskilt fra hverandre med en membran og skrudd sammen (Graphite Impact Shell).
- To av disse grafitt-sylindrene settes parallelt inn i en større grafittblokk, som skrus fast og sikres mot å skru ut (Aeroshell).
- Ni av disse blokkene er stablet oppå hverandre og festet mot hverandre.
- Den resulterende enheten settes inn i en sylinder som inneholder termiske svingere; dette blir fulgt av en partisjon (Midspan Heat Source Support), deretter en annen bunke.
- Veggen som inneholder de termoelektriske omformerne er isolert.
- Er utenfor radiatorene av aluminium festet og en avlastningsventil for utslipp fra alfapartikler som resulterer i helium .
Den ferdige enheten veier ca. 57 kg, hvorav 7,8 kg er drivstoff. Sikkerhetskonseptet fungerer som følger: Når atmosfæren kommer inn igjen, brenner aluminiumsradiatorene opp, varmeisolasjonen beskytter interiøret til det også brenner opp. Grafittblokkene (Aeroshell) overlever re-entry. Hvis de treffer overflaten, bryter de og slipper grafittflasken (Graphite Impact Shell). På land kan restene nå gjenvinnes lokalt, ettersom grafittblokkene faller som en enhet. Segmenteringen er ment å øke sikkerheten i tilfelle skade før re-entry. Redning er ikke planlagt i tilfelle en påvirkning i sjøen. Grafitsylindrene går umiddelbart under. Grafitt er veldig motstandsdyktig mot korrosjon. Hvis sylindrene blir skadet etter flere tiår, er drivstoffet fortsatt omgitt av et lag iridium , det mest korrosjonsbestandige elementet.
Funksjonen til disse sikkerhetstiltakene er bevist med Nimbus B og Apollo 13 . Den Thorad-SLV2G Agena-D rakett fra Nimbus B og den sekundære nyttelasten SECOR 10 måtte bli blåst opp kort tid etter lansering. Bensinkapslene til de to SNAP 19 RTG fra Nimbus B holdt tett til tross for raketteksplosjonen og kunne gjenopprettes fra havet foran Vandenberg Air Force Base . Den 238 Pu ble gjenbrukt i Nimbus 3. Da Apollo 13- månemodulen brant opp i jordens atmosfære nær Fiji- øyene, var en SNAP-27 RTG om bord og falt i Tonga-grøften . I påfølgende luft- og vannmålinger ble det ikke funnet 238 Pu : containeren tålte åpenbart støtet.
En multi-mission radioisotop termoelektrisk generator MMRTG ble også brukt på Mars Lander Perseverance for en sikker energiforsyning.
jord
På grunn av den store mengden radioaktivt materiale, blir bruken i etterfølgerstatene i Sovjetunionen sett på som problematisk. 1007 radioisotopgeneratorer ble produsert der mellom 1976 og 1990-tallet. De ble designet for bruk som strømforsyning til fjerntliggende fyr eller militære radiostafettstasjoner, hvor store mengder (opptil 100 kg) radioaktivt materiale, for det meste 90 strontium , ble brukt på grunn av de høye strømkravene til disse applikasjonene og lav effektivitet av kraftproduksjonen . Den 90 Sr ble brukt ved hver RTG i forbindelsen strontium titanat eller som en komponent av borsilikatglass .
Alle disse enhetene kommer fra sovjettiden og har nå overskredet den forventede levetiden. På grunn av den langsomme demonteringen og avhendingen fra de ansvarlige myndighetene, den ufullstendige dokumentasjonen av typene og stedene og den mest utilstrekkelige sikkerheten til disse systemene, var det utslipp av radioaktivt materiale gjennom korrosjon og spesielt metalltyveri til minst 2006.
Det ble rapportert fra Georgia at i 2001 fant to loggere de forlatte komponentene i to isotopbatterier fra tidligere mobile militære radiosystemer i skog, varmet seg med dem om natten og måtte deretter behandles på et sykehus for massive symptomer på strålesyke. Tilsvarende rapporter ble sendt til IAEA. For den påfølgende evakueringsoperasjonen var det sterke beskyttelseskrav som var nødvendige. I Georgia leter IAEA og den georgiske regjeringen aktivt etter såkalte foreldreløse emittere ("forlatte emittere"), ettersom alvorlige strålingsskader allerede har oppstått. I tillegg til RTG-er som inneholder 90 Sr , er det fremfor alt 137 kilder til cesium fra militær og landbruksbruk.
Innen 2012 hadde de 1007 russiske radioisotopgeneratorene blitt samlet inn med hjelp fra Frankrike, Norge, Canada og USA. Radioisotopgeneratorene ble deretter lagret på DalRAO nær Vladivostok og på RosRAO nær Moskva . De gjenværende radioisotopgeneratorene som fremdeles er tilgjengelige, skal også samles inn de kommende årene, slik at det fra 2025 ikke blir flere RTG på russisk territorium. Tre russiske radioisotopgeneratorer er savnet i Arktis .
Pasienter som har en RTG-operert pacemaker implantert i utlandet er ikke sentralt registrert i Tyskland. Problemer kan oppstå med kremering av avdøde bærere av plutoniumbatterier eller med resirkulering av metallimplantatene som er igjen i asken.
litteratur
- Tilmann Althaus: Cassini og kjernekraft. I: Stjerner og rom . 1998, 37 (3), s. 220-223.
- Steve Aftergood: Bakgrunn om romkjernekraft . I: Vitenskap og global sikkerhet. 1989, bind I, s. 93-107, pdf @ princeton.edu, åpnet 15. april 2011.
- Gary L. Bennett: Space Nuclear Power: Opening the Final Frontier . I: 4. internasjonale Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC) . American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2006, doi : 10.2514 / 6.2006-4191 ( PDF ).
weblenker
- NASA RTG FAQ om Cassini-oppdraget
- Radioisotopelementene om bord på Cassini og atomreaktorer i satellitter.
- Nettsted for Caltech-JPL Thermoelectrics (engelsk)
- Strålevernhensyn når det gjelder krasj av atomdrevne satellitter. Uttalelse fra strålevernkommisjonen. Bonn 6. desember 1989 ( Memento 27. september 2007 i Internettarkivet ) (PDF-fil; 33 kB)
- Atomreaktorer for verdensrommet
- Utvide leting med avanserte radioisotopkraftsystemer (engelsk)
- Plutonium pacemaker (engelsk)
- RTG-historie og nye horisonter (engelsk)
- Ricard R. Furlong og Earl J. Wahlquist: amerikanske romoppdrag ved bruk av radioisotopkraftsystemer (PDF-fil; 930 kB) Nuclear News, april 1999 (engelsk)
- Radioisotope Power: A Key Technology for Deep Space Exploration (PDF-fil; 2,7 MB), 28. september 2008
- Solar System Exploration: radioisotopes Power Systems: Radio Isotope Thermoelectric Generator (engelsk)
- Advanced Stirling Radioisotope Generator Fakta (engelsk; PDF-fil; 704 kB)
Individuelle bevis
- ↑ En "(radio) isotopgenerator" brukes til å generere energi. Begrepet blir noen ganger brukt synonymt (og derfor forveksles) med radionuklid-generator (brukt for å generere radionuklider ).
- ↑ Radioisotopiske varmeenheter. Department of Energy, arkivert fra originalen 5. august 2012 ; åpnet 9. mars 2011 .
- ^ Støtteundersøkelse om Cassini-programmet. (PDF; 1,4 MB) (Ikke lenger tilgjengelig online.) Jet Propulsion Laboratory, juli 1994, s. 45–72 , arkivert fra originalen 24. desember 2016 ; åpnet 9. juni 2013 .
- ↑ a b c Bernd Leitenberger: Radioisotopelementene om bord på romfølere. Hentet 12. mai 2013 .
- ↑ Dr. Ralph L. McNutt, Jr.: Fase II sluttrapport, NASA Institute for Advanced Concepts, A Realistic Interstellar Explorer. (PDF; 4,2 MB) Johns Hopkins University, Applied Physics Laboratory, 14. oktober 2003, s. 39 , åpnet 9. juni 2013 .
- ↑ a b Grunnleggende elementer av statiske RTG-er. (PDF; 297 kB) Rockwell International, åpnet 10. juni 2013 (engelsk).
- ^ A b c Martin Nuclear Division: Feasibility of Isotopic Power for Manned Lunar Missions, Volume 2 - Mission, Fuel, and Nuclear Safety and Radiation , Mai 1964, s. 49.
- ↑ a b Ralph L. McNutt, Jr.: Fase II sluttrapport, NASA Institute for Advanced Concepts, A Realistic Interstellar Explorer (PDF; 4.2 MB), The Johns Hopkins University, Applied Physics Laboratory, 14. oktober 2003 (engelsk), Side 21
- ↑ a b Rashid Alimov: Radioisotop termoelektriske generatorer. ( Memento av 13. oktober 2013 i Internet Archive ) Belonia, april 2005, åpnet 9. mars 2011
- ↑ a b Stephen Clark: romorganisasjoner takle avtagende plutoniumlagre. Romfart nå, 9. juli 2010, åpnet 9. mars 2011 .
- ↑ Merk: Estimering basert på den laveste temperaturen på oksidens varme katode i elektronrør . Tilsvarende 823 K, glødende farge om oransje-rød.
- ↑ Frank Grotelüschen: Atomkraft til baklommen. Deutschlandradio, 8. september 2005, åpnet 9. mars 2011 .
- ↑ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925963518300761
- Cl Stephen Clark: NASA planlegger test av avansert atomkraftgenerator. Romfart nå, 9. mai 2011, åpnet 14. mai 2011 .
- ↑ Gunter Krebs: JUICE. I: Gunters romside. 3. mai 2012, åpnet 12. mai 2012 .
- ↑ Gunter Krebs: JEO. I: Gunters romside. 27. september 2010, åpnet 9. mars 2011 .
- ↑ Gunter Krebs: Chang'e 3 (CE 3) / Yutu , på Gunters romfartsside, åpnet 3. desember 2013
- ↑ a b c d e f g h i j k l Gunter Krebs: Atomdrevne nyttelaster. I: Gunters romside. 22. oktober 2010, åpnet 12. mai 2012 .
- ^ Nuclear Systems Energy Energy driver Mars Rover. US Department of Energy Office of Public Affairs, åpnet 6. august 2012 .
- ↑ Emily Lakdawalla: Chang'e 3 månelander og rover, forventes å komme i gang sent i år. Planetary Society, 9. januar 2013, åpnet 26. januar 2015 .
- ↑ Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG) . NASA, 2020
- ↑ plutonium. periodictable.com, åpnet 9. mars 2011 .
- ↑ Atomisk batteri i brystet. Spiegel Online, 22. november 2009, åpnet 9. mars 2011 .
- ↑ https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-642-66187-7_25
- ↑ Rashid Alimov: radioisotoper termoelektrisk generator. Bellona, 24. november 2003, arkivert fra originalen 19. juni 2013 ; åpnet 9. mars 2011 .
- ↑ Merk: Mange av de frigitte radioisotopene har kort halveringstid .
- ↑ Gunter Krebs: Thor-DSV2A Able-Star. I: Gunters romside. 4. juli 2012, åpnet 9. juni 2013 .
- ↑ Steven Aftergood: Bakgrunnen for Space Nuclear Power (PDF-fil, 1,6 MB), 1989, åpnet 02.06.2011.
- ↑ Gunter Krebs: Thorad-SLV2G Agena-D. I: Gunters romside. Hentet 9. juni 2013 .
- ↑ a b Gunter Krebs: Nimbus B, 3. I: Gunters romside. 29. januar 2013, åpnet 9. juni 2013 .
- ↑ Ricard R. Furlong og Earl J. Wahlquist: amerikanske romoppdrag ved bruk av radioisotopkraftsystemer (PDF; 930 kB) Nuclear News, april 1999.
- ^ NASA-kunngjøring
- ↑ Jet Propulsion Laboratory Pasadena
- ^ A b Peter Lobner: Marine Nuclear Power 1939–2018. Lyncean Group, 2018. s. 142–146.
- ↑ a b Senior feltlege Dr. Bernd Schmitt: Introduksjon og optimalisering av personlig dosimetri ved bruk av elektroniske gammadosimetre for tyske UNOMIG-soldater i Georgia for overvåking og risikovurdering med hensyn til herreløsere . I: Militærmedisinsk månedlig . teip 53 , nei. 3. september 2009, s. 268-269 .
- ↑ Rashid Alimov, Vera Ponomareva: Tsjernobyllignende sløvhet i dag: RTG blir vandalisert nær Norilsk. (Ikke lenger tilgjengelig online.) Bellona 4. november 2006, arkivert fra originalen 4. juni 2011 ; åpnet 9. mars 2011 . Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Vennligst sjekk originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen.
- ↑ Problemet med panikkvåpen. ZDF, 9. juli 2012, arkivert fra originalen 20. juli 2012 ; Hentet 10. juni 2013 .
- G Malgorzata K. Sneve: Fjernkontroll. (PDF; 279 kB) I: IAEA Bulletin Volum 48, nr. 1. IAEA, september 2006, s. 42-47 , arkivert fra originalen 6. september 2008 ; åpnet 9. mars 2011 .
- Mün Daniel Münter: atombatteri i brystet. Urapportert antall uregistrerte atombatterier. I: [W] som kunnskap . Das Erste , 21. august 2012, åpnet 11. august 2020 .