РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов

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 ЖЖ пользователю 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), 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	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:

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».
Тема «Отечественные РИТЭГ» на «Новостях Космонавтики».
Отечественные РИТЭГи.
Teledyne heritage.
RTG на сайте NASA.

Источник: habrahabr.ru/post/231197/

РИТЭГ МКА