RTG: calor prosaica y electricidad para las naves espaciales





Dio la casualidad de que en la serie «Мирный átomo cósmico » estamos pasando de la ciencia ficción a extenderse. La última vez que hablamos de los reactores de potencia, el siguiente paso obvio - que contar acerca de los generadores termoeléctricos de radioisótopos. Recientemente Habré fue un gran post sobre RTG sonda "Cassini» , y consideramos que esta cuestión desde un punto de vista más amplio.

La física del proceso h4>

Calor h5> En contraste con el reactor nuclear que utiliza el fenómeno de la reacción nuclear en cadena, generadores de radioisótopos utilizan la descomposición natural de los isótopos radiactivos. Recordemos que los átomos están compuestos de protones, electrones y neutrones. Dependiendo del número de neutrones en el núcleo de un átomo en particular, puede ser estable o mostrar una tendencia a la desintegración espontánea. Por ejemplo, el átomo de cobalto 59 sup> Co con 27 protones y 32 neutrones en el núcleo es estable. Este cobalto utilizado por la humanidad desde el antiguo Egipto. Pero si añadimos a la 59 sup> Co un neutrón (por ejemplo, mediante la colocación de un cobalto "ordinaria" en un reactor nuclear), obtenemos 60 sup> Co, un isótopo radiactivo con una vida media de 5, 2 años . El término "semivida" significa que después de 5, 2, divide un átomo con una probabilidad de 50%, y de cien átomos, será aproximadamente la mitad. Todos los elementos "normales" tiene sus isótopos con diferentes vidas medias:




mapa 3D de isótopos, agradezco el usuario de LiveJournal crustgroup por imagen. I>

Al seleccionar un isótopo adecuado puede ser obtenido con la vida útil requerida RTG y otros parámetros:
Isótopos th> El método para producir th> La densidad de potencia, W / g th> alimentación a granel, W / cc th> < th> La vida media th> decaimiento de energía integrada del isótopo, en kWh / d th> isótopo Hoja de trabajo th> 60 < / sup> Co (cobalto-60) irradiado en un reactor 2, 9 ~ 26 5, 271 años < / 193, 2 La aleación de metal 238 sup> Pu (plutonio-238) td > reactor nuclear 0, 568 6, 9 86 608 7 < carburo de plutonio 90 sup> Sr (estroncio-90) fragmentos de fisión 0, 93 0, 7 28 años 162 721 SrO, SrTiO 3 sub> 144 sup> Ce (cerio-144) fragmentos de fisión 2, 6 < 12 5 285 días 57, 439 CeO 2 sub> 242 sup> Cm (curio-242) reactor nuclear 121 1169 162 días 677 8 Cm 2 sub> O 3 sub> 147 sup> Pm (prometio-147) fragmentos de fisión 0, 37 1, 1 2, 64 años 12 34 Pm 2 sub> O 3 sub> 137 sup> Cs (cesio-137) fragmentos de fisión 0, 27 1, 27 td > '33 230 24 CsCl 210 sup> Po (poloniy- 210) bismuto irradiación 142 1320 138 días 677 59 aleaciones con el plomo, el itrio, el oro 244 sup> Cm (curio-244) reactor nuclear td > 2, 8 33 25 18, 1 año 640 6 Cm 2 sub> O 3 sub> 232 sup> T (uranio-232) irradiado torio 8, 097 ~ 88, 67 68, 9 años de edad 4887, 103 dióxido de carburo, nitruro de uranio 106 sup> Ru (rutenio-106) fragmentos de fisión 29 8 369 818 ~ 371, 63 días 9, 854 aleación de metal El hecho de que la desintegración de isótopos se produce de forma independiente, lo que significa que la RTG no se puede controlar. Después de cargar el combustible que va a calentar y producir electricidad durante años, poco a poco degradante. Reducir la cantidad de isótopo fisionable significa que habrá desintegraciones nucleares menos, menos calor y electricidad. Además, una gota de energía eléctrica va a exacerbar la degradación del generador eléctrico.
Hay una versión simplificada de la RTG en el que el decaimiento del isótopo utilizado para la calefacción, no hay electricidad. Dicho módulo se llama un bloque de calefacción o RHG (radioisótopos generador de calor).

La conversión de calor en electricidad h5> Como en el caso de un reactor nuclear en la salida se obtiene de calor, que de alguna manera se debe convertir en electricidad. Usted puede usar:
Термоэлектрический convertidor. La combinación de los dos conductores de diferentes materiales (por ejemplo, Chromel y alumel) y la calefacción es uno de ellos, puede obtener la fuente de electricidad. Термоэмиссионный convertidor. En este caso, el tubo de electrones. Su cátodo se calienta y electrones recibe suficiente energía para "saltar" hacia el ánodo, creando una corriente eléctrica. termofotovoltaica < / a>. En este caso, la fuente de calor conectado fotocélula funciona en la gama de infrarrojos. La fuente de calor emite fotones que son detectados por fotocélula y transformar en electricidad. . . En este caso, para la conversión de calor en electricidad usando un electrolito de sales fundidas, sodio y azufre - térmica Máquina para la conversión de la diferencia de temperatura en el trabajo mecánico. La electricidad se obtiene a partir del trabajo mecánico con cualquier generador.

Historia h4> Las primeras fuentes de energía de radioisótopos experimental fue introducido en 1913. Pero sólo en la segunda mitad del siglo XX, la propagación de los reactores nucleares, que podrían recibir los isótopos en escala industrial, RTG se han utilizado activamente.

EE.UU. h5> En los Estados Unidos dedicada a RTG ya familiar para usted en la organización post anterior SNAP.
SNAP-1
Este fue un piloto de RTG 144 sup> Ce y el generador en (máquina de vapor) con mercurio como refrigerante. El generador ha trabajado con éxito 2.500 horas en el mundo, pero no volar en el espacio.

SNAP-3
En primer RTG volar en el espacio en los satélites de navegación 4A y 4B de Tránsito. Alimentación de energía 2 W, peso 2 kg, que se utiliza plutonio-238.



Sentry
RTG para satélites meteorológicos. Fuente de alimentación con 4, 5 W, isótopo - estroncio-90
.
SNAP-7
Familia terrestres faros RTG, boyas luminosas, estaciones meteorológicas, sonoboyas, y similares. Muy gran peso los modelos 850 a 2720 kg. Energy Power - decenas de vatios. Por ejemplo, SNAP-7D - 30 vatios a 2 toneladas de peso
.
SNAP-9
RTG serie de satélites de navegación de tránsito. La masa de 12 kg, la potencia eléctrica de 25 W.

SNAP-11
Experimental RTG para las estaciones de aterrizaje lunar Surveyor. Propone utilizar isótopos curio-242. Energía eléctrica - 25 vatios. No se utiliza.

SNAP-19
RTG serie utilizado en una variedad de misiones - satélites meteorológicos Nimbus, sondas "Pioneer" -10 y -11, estación de aterrizaje marciano "Vikingo". Isótopos --plutonio 238 potencia de salida de 40W ~
.


SNAP-21 y -23
RTG para su uso bajo el agua de estroncio-90.

SNAP-27
RTG a programa de equipamiento científico de alimentación "Apollo". 3 a 8 kg. El plutonio-238 se le dio salida de potencia de 70 vatios. Equipamiento científico lunar ha sido desactivado en 1977 (personas y equipos en el mundo exigieron dinero, y ellos no tienen), y RTG todavía están trabajando, y la pérdida de sólo el 10% de la capacidad inicial.



MHW-RTG
El nombre significa "mnogosotvattny RTG". 4, 5 kg. El plutonio-238 se le dio 2.400 W de potencia térmica y 160 vatios de electricidad. Estos RTG estaban de pie en el Lincoln experimental satélite (LES-8, 9) y tiene 37 años de proporcionar calor y electricidad "Voyager". 2014 RTG proveen alrededor del 53% de su capacidad inicial.


GPHS-RTG
Los más poderosos RTG espaciales. 7, 8 kg de plutonio-238 dio 4.400 vatios de potencia térmica y 300 vatios de electricidad. Se utiliza en la sonda solar "Ulises", la sonda "Galileo", "Cassini-Huygens" y vuela a Plutón a "nuevos horizontes».


MMRTG
RTG para "Kyuriositi." 4 kg de plutonio-238 de 2000 W de potencia de calefacción de 100 W elekticheskoy.


Warm plutonio cubo de tubo. I>



RTG nos unía-in. I>

Cuadro resumen:
Nombre th> Transportistas (el número de la unidad) th> Potencia máxima th> Isótopos th> Peso de combustible kg th> Peso total, kg th> Eléctrica, W th> Calor, W th> ~ 110 td > ~ 2000 238 sup> Pu ~ 4 & lt; 45 < , , , 300 < / 4400 238 sup> Pu 7.8 55,9-57,8 < , , 160 2400 238 sup> Pu ~ 4.5 td > 37.7 (1) 2.7 52.5 238 sup> Pu ? 2.1 SNAP-9A (1) 25 525 238 sup> Pu < / ~ 1 12.3 SNAP-19 (2), , 40.3 525 238 sup> Pu ~ 1 13.6 td > modificación de SNAP-19 42.7 525 238 sup> Pu < ~ 1 15.2 SNAP-27 (1) 73 1, 480 238 sup> Pu 3.8 < 20
URSS / Rusia h5> En la URSS y RTG espaciales rusos eran pocos. En primer generador experimental fue RTG "Limón-1" en el polonio-210, creado en 1962:


.

Los primeros RTG espaciales eran "Orion-1" de energía eléctrica de 20 vatios por el polonio-210 y que se ejecutan en la serie de satélites conectado "Strela-1" - "Kosmos-84" y "Kosmos-90". Bloques de calefacción estaban en el "Lunokhod" -1 y -2, y RTG fue en una misión "Mars-96»:


Al mismo tiempo, los RTG se utilizan muy activamente en los faros, boyas de navegación y otros equipos de tierra - una serie de "BETA", "RTG-IED" y muchos otros
.

Diseño h4> Prácticamente todos los RTG utilizar convertidores termoeléctricos, y por lo tanto tienen la misma estructura:


Outlook h4> Todas las moscas RTG son muy baja eficiencia - por regla general, la energía eléctrica es menos de 10% del calor. Así que a principios del siglo XXI en el proyecto de la NASA fue lanzado - RTG con un motor Stirling. Previsión de aumentos de eficiencia de hasta el 30%, y 140 vatios de energía eléctrica a 500 vatios de calor. Por desgracia, el proyecto se detuvo en 2013 debido a los excesos de costes. Pero, en teoría, el uso de convertidores más eficientes de calor en electricidad puede aumentar seriamente la eficacia de RTG.

Ventajas y desventajas h4> Ventajas:

Diseño muy simple. Puede funcionar durante años y décadas, poco a poco degradante. Puede ser utilizado tanto para la calefacción y el poder. No requiere . la gestión y supervisión Desventajas:
Se busca isótopos raros y caros como combustible. complejo de producción de combustible, caro y lento. Baja eficiencia. El poder está limitado por los cientos vatios. RTG kilovatio de energía eléctrica ya débilmente justificado, MW - casi no tiene sentido: será demasiado caro y pesado
.  La combinación de estas ventajas y desventajas significar que RTG y unidades de calefacción tienen su lugar en la energía cósmica, y guardarlo para continuar. Ellos le permiten fácilmente y de manera eficiente el calor y la electricidad para alimentar a la nave espacial interplanetaria, pero no debe esperar ningún avance energía.

Fuentes h4> También se usa Wikipedia:

Tema "Noticias de la Cosmonáutica» . . NASA.

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