RITEG: Просаїчне тепло та електрика для космічних апаратів

Так сталося, що в серії «Peaceful Space Atom» ми переїжджаємо з фантастичного до загального. Останнім часом ми говорили про реактори живлення, очевидний наступний крок полягає в тому, щоб розповісти про термоелектричні генератори радіоізотопу. Останнім часом на Habra було велике повідомлення про зонд Cassini RITEG, і ми розглянемо цю тему з більш широкої точки зору.

На відміну від ядерного реактора, який використовує феномен ядерної ланцюгової реакції, радіоізотопні генератори використовують природну декаю радіоактивних ізотопів. Пам'ятайте, що атоми виготовляються з протонів, електронів і нейтронів. Залежно від кількості нейтронів в ядрі конкретної атоми, вона може бути стабільною або схильною до спонтанно знепаду. Наприклад, атом 59Co cobalt з 27 протонами і 32 нейтронами в її ядрі стабільний. Кобалт використовується людям з давнього Єгипту. Але якщо ми додаємо одну нейтрон до 59Co (наприклад, шляхом введення «нормального» кобальту в ядерному реакторі), ми отримуємо 60Co, радіоактивний ізотоп з півліттям 5,2 років. Термін «халф-лайф» означає, що після 5,2 років одна атома розпаде з ймовірністю 50%, а близько половини сотень атомів залишаться. Всі «нормальні» елементи мають свої ізотопи з різною половиною живцями:



3D-карта ізотопів, спасибі LJ користувач crustgroup за картину.

Вибір відповідного ізотопу можна отримати RITEG з необхідною терміном служби та іншими параметрами:
Ізотоп Спосіб отримання конкретної потужності, Вт/г Об'ємна потужність, Вт/см3 Інтегрована енергія розпаду ізотопу, кВт·год/г Робоча форма ізотопу 60К (кобальт-60) Зрошування в реакторі 2.9 ~26 5,271 років 193,2 Метал, сплав 238К0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 Після того, як паливо навантажується, вона нагріває і виготовить електроенергію протягом років, поступово деградує. Зменшення кількості сітчастого ізотопу означає менше ядерного розпаду, менше тепла і менше електроенергії. Плюс, падіння електричної енергії збільшить деградацію електрогенератора.
Існує спрощена версія RITEG, в якій западок ізотопу використовується тільки для опалення, не генеруючи електрику. Цей модуль називається нагрівальним блоком або RHG (Радіоізотопний генератор тепла).

Як у випадку ядерного реактора, на виході ми отримуємо тепло, яке необхідно якось перетворити в електрику. Це може бути зроблено:

• Термоелектричний перетворювач. Підключаючи два провідники різних матеріалів (наприклад, хромель і алюміній) і нагріваючи одну з них, можна отримати джерело електроенергії.
• Термовипуск перетворювача. У цьому випадку використовується електронна лампа. Його катодом нагрівають, а електрони отримують достатню кількість енергії до «стрибка» до аноду, створюючи електричний струм.
• Термофотоелектричний перетворювач. У цьому випадку фотоклітинка, що працює в інфрачервоному діапазоні, підключена до джерела тепла. Джерело тепла видає фотон, які захоплюються фотоклітиною і перетворюються на електроенергію.
• Термоелектричний перетворювач на лужних металах. Тут використовується електроліт з розплавленої натрію та сірки для перетворення тепла в електрику.
• Двигун Stirling - це теплова машина для перетворення різниці температур в механічну роботу. Електроенергія виходить з механічної роботи за допомогою генератора.

У 1913 році введено перший експериментальний джерело енергії радіоізотопу. Але тільки з другої половини XX століття з поширенням ядерних реакторів, які можуть виготовити ізотопи на промисловому масштабі, RITEG почали активно використовуватися.

У Сполучених Штатах, RITEGS керувалася організацією SNAP, вже знайомий з вами з минулого повідомлення.
САП-1й
Це був експериментальний RTG на 144Ce і з генератором циклу рангіна (пара двигуна) з ртуті як охолоджуюча речовина. Генератор успішно працює 2,500 годин на Землі, але не літав в космос.

САП-3й
Перший RITEG літати в космос на супутниках Transit 4A та 4B. Вихід потужності 2 Вт, вагою 2 кг, використовується флютоній-238.


Сестри.
RITEG для метеорологічного супутника. Потужність енергії 4,5 Вт, ізотоп - strontium-90.

САП-7й
Сім'я наземних RITEGs для маяків, легких буйок, метеорологічних станцій, акустичних буйок і таких як. Дуже великі моделі, вагою від 850 до 2720 кг. Вихід потужності становить десятки ват. Наприклад, SNAP-7D - 30 Вт на масі 2 т.

САП-9
Serial RITEG для навігаційних супутників Вага 12 кг, електрична потужність 25 Вт.

САП-11
Експериментальні RITEG для місячних АЗС Опитувальник. Пропонується використовувати іотопедний curium-242. Електрична потужність: 25 Вт. Не використовується.

САП-19
Серійне RITEG, що використовується в багатьох місіях - метеорологічні супутники Nimbus, зонди "Pioneer" -10 і -11, мартіанські станції "Viking". The isotope is plutonium-238, з енергоємністю ~40 Вт.


САП-21 і -23
RITEGs для підводного використання на strontium-90.

САП-27
RITEGS для живлення наукового обладнання програми Аполлон. 3.8 кг. plutonium-238 дав енергію 70 Вт. Наземне обладнання було відключено в 1977 році (наркотики та обладнання на Землі вимагали гроші, і не було достатньо), а RITG все ще працюють, і втратили лише 10% від початкової потужності.


МХВ-РТГ
Назва стоїть на “multi-watt RITEG”. 4.5 кг. plutonium-238 дав 2400 Вт теплової потужності і 160 Вт електричної енергії. На дослідних супутниках Лінкольна (LES-8.9) було надано теплову та електрику в Voyagers протягом 37 років. З 2014 року RITEG надає близько 53% від початкової потужності.


ГПКС-РТГ
Найпотужніший простір RITEGs. 7.8 кг plutonium-238 дав 4400 Вт теплової потужності і 300 Вт електроживлення. Використовували сонячні промені Улісса, проби Galileo, Cassini-Huygens і летить до Плуто на нові горизонти.


ММРТГ
RITG для куріозності. 4 кг плютонію-238, 2000 Вт теплової потужності, 100 Вт електричної енергії.


Трохи про теплу трубку плютонію.



У.С. РИТЕГІЇ з посиланням на час.

Резюме таблицю:
Ім'я носіїв (кількість за апарат) 1 2 3 4 5 4 5 6 7 8 9 10 10 11 10 11 12 13 14 15 16 17 16 17 16 17 16 17 16 17 16 17 16 17 16 17 16 17 16 17 16 17 16 17 17 19 20 21 22 21 22 23 24 25 30 21 22 23 24 25 26 25 30 21 22 21 22 23 24 25 26 25 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 15 17 17 17 19 20 21 22 23 25 25 26 25 30 30 30 30 30 30 30 31
У СРСР і Росії було мало космосу. Перший експериментальний генератор був РИТЕГ "Лемон-1" на Полон-210, створений в 1962 році:


й

Перший простір RITEG були Orion-1 з електричною потужністю 20 Вт на Полонієв-210 і запустили на супутники зв'язку серії Strela-1 - Cosmos-84 і Cosmos-90. Опалювальні блоки були на Луноходах -1 і -2, а RITEG стояли на Марс-96 місії:


У той же час RITEG були дуже активно використані в маяках, навігаційних буйках та інших наземних обладнаннях - серії BETA, RITEG-IEU та багато інших.


Майже всі RTGs використовують термоелектричні перетворювачі і тому мають однаковий дизайн:


Всі літаючі RITEG відрізняються дуже низькою ефективністю - як правило, електрична потужність менше 10% теплової потужності. Тому на початку ХХІ століття НАСА запустив проект АСГ - РИТЕГ з двигуном стерлінгу. Очікується збільшити ефективність до 30% та 140 Вт електроенергії на 500 Вт теплової потужності. На жаль, проект було припинено в 2013 році за рахунок бюджету. Але, теоретично, використання більш ефективних теплових перетворювачів в електрику може серйозно збільшити ефективність RITEG.

Переваги та недоліки Гідності:

1. Дуже простий дизайн.
2. Це може працювати протягом багатьох років, деградація поступово.
3. Використовується одночасно для опалення та живлення.
4. Не вимагає управління або нагляду.

Недоліки:

1. Раритетні та дорогі ізотопи потрібні як паливо.
2. Видобуток палива – це комплексний, дорогий і повільний.
3. Низька ефективність.
4. Потужність обмежується сотнями ват. РИТГ електричної потужності кВт вже погано виправданий, мегават практично не має сенсу: він буде занадто дорогим і важким.

Поєднання таких переваг і недоліків означає, що RTGs і нагрівальні установки займають нішу в космічній енергії і зберігають її далі. Вони дозволяють легко і ефективно спекотно-енергетичні транспортні засоби, але вони не повинні очікувати відриву енергії.

На додаток до Вікіпедії були використані наступні джерела:

• «Космічна атомна енергетика: відкриття останнього горизонту»
• Тема «Fatherly RITEG» на «Космічні новини».
• РИТГ.
• Теледине спадщина.
• RTG на сайті НАСА.

Джерело: habrahabr.ru/post/231197/