Радиоизотопный термоэлектрический генератор

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Термоэлектрические явления
Принципы
Применения

РИТЭ́Г (радиоизотопный термоэлектрический генератор) — радиоизотопный источник электроэнергии, использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующий её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.

По сравнению с ядерными реакторами, использующими цепную реакцию, РИТЭГ значительно меньше и проще конструктивно. Выходная мощность РИТЭГа весьма невелика (до нескольких сотен ватт) при небольшом КПД. Зато в таком генераторе нет движущихся частей. Он не требует обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями.

Применение

РИТЭГ космического аппарата «New Horizons»
Схема РИТЭГа, используемого на космическом аппарате «Кассини-Гюйгенс»

РИТЭГи применимы как источники энергии для автономных систем, удалённых от традиционных источников электроснабжения и нуждающихся в нескольких десятках-сотнях ватт при очень длительном времени работы, слишком долгом для топливных элементов или аккумуляторов.

В космосе

РИТЭГи являются основным источником электропитания на космических аппаратах, выполняющих продолжительное задание и сильно удаляющихся от Солнца (например, «Вояджер-2» или «Кассини-Гюйгенс»), где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно.

Плутоний-238 в 2006 г. при запуске зонда «Новые горизонты» к Плутону нашёл своё применение в качестве источника питания для аппаратуры космического аппарата[1]. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида 238Pu, производящего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и, по расчётам, 200 Вт к концу)[2][3].

Зонды «Галилео» и «Кассини» были также оборудованы источниками энергии, в качестве топлива для которых служил плутоний[4]. Марсоход «Curiosity» получает энергию благодаря плутонию-238[5]. Марсоход использует последнее поколение РИТЭГов, называемое Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator[англ.]. Это устройство производит 125 Вт электрической мощности, а по истечении 14 лет — 100 Вт[6].

РИТЭГ SNAP-27, применявшийся в полёте «Аполлона-14» (в центре)

Несколько килограммов 238PuO2 использовались на некоторых полётах «Аполлонов» для электропитания приборов ALSEP. Генератор электроэнергии SNAP-27[англ.], тепловая и электрическая мощность которого составляла 1480 Вт и 63,5 Вт соответственно, содержал 3,735 кг диоксида плутония-238.

На Земле

РИТЭГи применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В частности, в СССР их использовали в качестве источников питания навигационного оборудования, установленного на побережье Северного Ледовитого океана вдоль трассы Северного морского пути. В настоящее время[], в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГов в малодоступных местах прекратили.

В США РИТЭГи использовались не только для наземных источников питания, но и для морских буев и подводных установок. Например, в 1988 году СССР обнаружил два американских РИТЭГа рядом с советскими кабелями связи в Охотском море. Точное количество установленных США РИТЭГов неизвестно, оценки независимых организаций указывали 100—150 установок на 1992 год[7].

Плутоний-236 и плутоний-238 применялся для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца (кардиостимулятор)[8][9]. По состоянию на 2003 г. в США было 50—100 человек, имеющих плутониевый кардиостимулятор[10]. До запрета на производство[] плутония-238 в США, ожидалось, что его применение может распространиться на костюмы водолазов и космонавтов[11].

Топливо

Радиоактивные материалы, используемые в РИТЭГах, должны соответствовать следующим характеристикам:

  • Достаточно высокая объёмная активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки. Минимальный объём ограничен тепловой и радиационной стойкостью материалов, слабоактивные изотопы ухудшают энергомассовое совершенство установки. Обычно это значит что период полураспада изотопа должен быть достаточно мал для высокой интенсивности распадов и распад должен давать достаточно много легкоутилизируемой энергии.
  • Достаточно длительное время поддержания мощности для выполнения задачи. Обычно это значит, что период полураспада изотопа должен быть достаточно велик для заданной скорости падения энерговыделения. Типичные времена полураспада изотопов, используемых в РИТЭГах, составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с коротким периодом полураспада могут быть использованы для специализированных применений.
  • Удобный для утилизации энергии вид ионизирующего излучения. Гамма-излучение легко вылетает из конструкции, унося с собой энергию распада. Относительно легко могут улетать также нейтроны. Образующиеся при β-распаде высокоэнергетичные электроны неплохо задерживаются, однако при этом образуется тормозное рентгеновское излучение, уносящее часть энергии. При α-распаде образуются массивные α-частицы, эффективно отдающие свою энергию практически в точке образования.
  • Безопасный для окружающей среды и аппаратуры вид ионизирующего излучения. Значительные гамма-, рентгеновское и нейтронное излучения зачастую требуют специальных конструктивных мер по защите персонала и близкорасположенной аппаратуры.
  • Относительная дешевизна изотопа и простота его получения в рамках имеющихся ядерных технологий.

Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами. Другие изотопы, такие как полоний-210, прометий-147, цезий-137, церий-144, рутений-106, кобальт-60, кюрий-242 и изотопы тулия были также изучены. Например, полоний-210 имеет период полураспада всего 138 дней при огромном начальном тепловыделении в 140 Вт на грамм. Америций-241 с периодом полураспада 433 года и тепловыделением 0,1 Вт/грамм[12].

Плутоний-238 чаще всего применяется в космических аппаратах. Альфа-распад с энергией 5,5 МэВ (один грамм даёт ~0,54 Вт). Период полураспада 88 лет (потеря мощности 0,78 % в год) с образованием высокостабильного изотопа 234U. Плутоний-238 является почти чистым альфа-излучателем, что делает его одним из самых безопасных радиоактивных изотопов с минимальными требованиями к биологической защите. Однако получение относительно чистого 238-го изотопа требует эксплуатации специальных реакторов, что делает его дорогим[13][14].

Стронций-90 широко применялся в наземных РИТЭГах советского и американского производства. Цепочка из двух β-распадов даёт суммарную энергию 2,8 МэВ (один грамм дает ~0,46 Вт). Период полураспада 29 лет с образованием стабильного 90Zr. Стронций-90 получают из отработавшего топлива ядерных реакторов в больших количествах. Дешевизна и обилие этого изотопа определяет его широкое использование в наземном оборудовании. В отличие от плутония-238, стронций-90 создаёт значительный уровень ионизирующего излучения высокой проницаемости, что предъявляет относительно высокие требования к биологической защите[14].

Существует концепция подкритических РИТЭГов[15][16]. Подкритический генератор состоит из источника нейтронов и делящегося вещества. Нейтроны источника захватываются ядрами делящегося вещества и вызывают их деление. Основное преимущество такого генератора в том, что энергия, выделяемая при реакции деления, гораздо выше энергии альфа-распада. Например, для плутония-238 это примерно 200 МэВ против 5,6 МэВ, выделяемых этим нуклидом при альфа-распаде. Соответственно, необходимое количество вещества гораздо ниже. Количество распадов и радиационная активность в пересчёте на тепловыделение также ниже. Это снижает вес и размеры генератора.

Выведенные из эксплуатации РИТЭГи

Наземные РИТЭГ в России

Во времена СССР было изготовлено 1007 РИТЭГов для наземной эксплуатации. Почти все они делались на базе радиоактивного тепловыделяющего элемента с изотопом стронций-90 (РИТ-90). Тепловыделяющий элемент представляет собой прочную герметичную сварную капсулу, внутри которой находится изотоп. Выпускалось несколько вариантов РИТ-90 с разным количеством изотопа[17]. РИТЭГ оснащался одной или несколькими капсулами РИТ, радиационной защитой (зачастую на основе обеднённого урана), термоэлектрическим генератором, радиатором охлаждения, герметичным корпусом, электроцепями. Типы выпускавшихся в Советском Союзе РИТЭГов:[17][18]

ТипНачальная активность, кКиТепловая мощность, ВтЭлектрическая мощность, Вт КПД, %Масса, кгГод начала выпуска
Эфир-МА10472030 4,16712501976
ИЭУ-1465220080 3,6425001976
ИЭУ-210058014 2,416001977
Бета-М[англ.]3623010 4,355601978
Гонг4731518 5,7146001983
Горн185110060 5,45510501983
ИЭУ-2М11669020 2,8996001985
Сеностав2881870- -12501989
ИЭУ-1М3402200120 5,45521001990

Срок службы установок может составлять 10—30 лет, у большинства из них он закончился. РИТЭГ представляет собой потенциальную опасность, так как размещается в безлюдной местности и может быть похищен, а затем использован в качестве грязной бомбы. Были зафиксированы случаи разукомплектации РИТЭГов охотниками за цветными металлами[19], при этом сами похитители получили смертельную дозу облучения[20].

В настоящее время[] проходит процесс их демонтажа и утилизации под надзором Международного агентства по атомной энергии и при финансировании США, Норвегии и других стран[17]. К началу 2011 года демонтировано 539 РИТЭГ[21]. По состоянию на 2012 год 72 РИТЭГ эксплуатируются, 2 утеряны, 222 на хранении, 32 в процессе утилизации[22][23]. Четыре установки эксплуатировались в Антарктиде[24].

Новые РИТЭГи для навигационных нужд больше не производятся, вместо них устанавливаются ветроэнергетические установки и фотоэлектрические преобразователи[20], в некоторых случаях дизель‑генераторы. Эти устройства получили название АИП (альтернативные источники питания). Состоят из панели солнечных батарей (или ветрогенератора), набора необслуживаемых аккумуляторных батарей, светодиодного маяка (кругового или створного), программируемого электронного блока, который задает алгоритм работы маяка.

Требования к конструкции РИТЭГ

В СССР требования к РИТЭГ устанавливались ГОСТ 18696-90 «Генераторы радионуклидные термоэлектрические. Типы и общие технические требования». и ГОСТ 20250-83 «Генераторы радионуклидные термоэлектрические. Правила приёмки и методы испытаний».

  • Мощность эквивалентной дозы ионизирующего излучения на внешней поверхности РИТЭГ не должна превышать 2,0 мЗв/ч, а на расстоянии 1 м от неё — 0,1 мЗв/ч.
  • Конструкция РИТЭГ должна обеспечивать отсутствие выхода из него радионуклидов и сохранение защитных характеристик радиационной защиты при падении РИТЭГ на твёрдое основание с высоты 9 м, а также после воздействия на него температуры в 800 °C в течение 30 мин.
  • Температура всех доступных поверхностей РИТЭГ не должна превышать 80 °С[25].

Инциденты с РИТЭГ на территории СНГ

Источники данных — НКО «Беллона»[26] и МАГАТЭ[17]

ДатаМесто
1983, мартМыс Нутэвги, ЧукоткаСильное повреждение РИТЭГа по пути к месту установки. Факт аварии был скрыт персоналом, обнаружен комиссией Госатомнадзора в 1997 году. По состоянию на 2005 год данный РИТЭГ был заброшен и оставался на мысе Нутэвги. По состоянию на 2012 год все РИТЭГи из Чукотского автономного округа вывезены[27].
1987Мыс Низкий, Сахалинская областьПри транспортировке вертолёт уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1, который принадлежал Министерству обороны СССР. По состоянию на 2013 поисковые работы, с перерывами, продолжаются[28].
1997Душанбе, ТаджикистанТри отслуживших свой срок РИТЭГа хранились неизвестными лицами в разобранном виде на угольном складе в центре Душанбе, вблизи был зарегистрирован повышенный гамма-фон[29].
1997, августМыс Марии, Сахалинская областьПри транспортировке вертолёт уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1 № 11 1995 года выпуска, который оставался на дне на глубине 25—30 м. Спустя 10 лет, 2 августа 2007 года РИТЭГ был поднят и отправлен на утилизацию[30][31]. Произведён внешний осмотр и замеры радиоактивного излучения. Результаты внешнего осмотра показали, что защитный корпус не поврежден, специалисты РХБЗ СГ ВМР[расшифровать] сделали заключение: мощность гамма-излучения и отсутствие радиоактивного загрязнения соответствуют нормальной радиационной обстановке[32]..
1998, июльКорсаковский порт, Сахалинская областьВ пункте приема металлолома обнаружен в разобранном виде РИТЭГ, принадлежащий Минобороны РФ.
1999Ленинградская областьРИТЭГ разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент (фон вблизи — 1000 Р/ч) был найден на автобусной остановке в Кингисеппе.
2000Мыс Бараниха, ЧукоткаЕстественный фон близ аппарата был превышен в несколько раз вследствие неисправности РИТЭГ.
2001, майКандалакшский залив, Мурманская областьС маяков на острове похищены 3 радиоизотопных источника, которые были обнаружены и отправлены в Москву.
2002, февральЗападная ГрузияВ районе села Лия местными жителями найдено два РИТЭГа, которые были ими использованы как источники тепла, а затем разобраны. В результате несколько человек получили высокие дозы облучения[33][34].
2003Остров Нунэанган, ЧукоткаУстановлено, что внешнее излучение аппарата превышало допустимые пределы в 5 раз по причине недостатков в его конструкции.
2003Остров Врангеля, ЧукоткаВследствие размыва берега установленный здесь РИТЭГ упал в море, где был замыт грунтом. В 2011 г. штормом выброшен на побережье. Радиационная защита аппарата не повреждена[35]. В 2012 вывезен с территории Чукотского автономного округа[27].
2003мыс Шалаурова Изба, ЧукоткаРадиационный фон вблизи установки был превышен в 30 раз ввиду недостатка в конструкции РИТЭГ[36].
2003, мартПихлисаар, Ленинградская областьРИТЭГ разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент был выброшен на ледовое покрытие. Горячая капсула со стронцием-90, проплавив лёд, ушла на дно, фон вблизи составил 1000 Р/ч. Капсула была вскоре найдена в 200 м от маяка.
2003, августШмидтовский район, ЧукоткаИнспекция не обнаружила РИТЭГ типа «Бета-М» № 57 в месте установки у реки Кывэквын; по официальной версии предполагалось, что РИТЭГ был замыт в песок в результате сильного шторма или что он был похищен.
2003, сентябрьОстров Голец, Белое мореПерсонал Северного флота обнаружил хищение металла биологической защиты РИТЭГа на острове Голец. Была также взломана дверь в помещение маяка, где хранился один из наиболее мощных РИТЭГов с шестью элементами РИТ-90, которые украдены не были.
2003, ноябрьКольский залив, Оленья Губа и остров Южный ГорячинскийДва РИТЭГа, принадлежащие Северному флоту, разграблены охотниками за цветными металлами, а их элементы РИТ-90 найдены неподалёку.
2004Приозерск, КазахстанЧрезвычайная ситуация, произошедшая вследствие несанкционированной разборки шести РИТЭГов.
2004, мартс. Валентин, Приморский крайРИТЭГ, принадлежащий Тихоокеанскому флоту, найден разобранным, по-видимому, охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент РИТ-90 обнаружен неподалёку.
Июль, 2004НорильскНа территории воинской части было обнаружено три РИТЭГа, мощность дозы на расстоянии 1 м от которых в 155 раз превышала естественный фон.
Июль, 2004Мыс Наварин, ЧукоткаМеханические повреждения корпуса РИТЭГа неизвестного происхождения, в результате чего произошла разгерметизация и часть радиоактивного топлива выпала наружу. Аварийный РИТЭГ вывезен на утилизацию в 2007 году, поражённые участки прилегающей территории были дезактивированы[37].
Сентябрь, 2004Земля Бунге, ЯкутияАварийный сброс двух перевозимых РИТЭГов с вертолёта. В результате удара о землю целостность радиационной защиты корпусов была нарушена, мощность дозы гамма-излучения вблизи места падения составляла 4 мЗв/ч.
2012Остров Лишний, ТаймырВ месте установки РИТЭГа проекта «Гонг» обнаружены его обломки. Предполагается, что аппарат был смыт в море[24].
8 августа 2019Полигон Нёнокса, Архангельская областьПо заявлениям СМИ, ЧП, унесшее жизни пяти человек, произошло при полигонных испытаниях перспективного ускорителя — жидкостной реактивной двигательной установки, на борту которой были смонтированы радиоизотопные «батарейки»[38].

См. также

Примечания

  1. ↑ Константин Лантратов. Плутон стал ближе // Газета Коммерсантъ : статья. — Коммерсантъ, 2006. — Вып. 3341, № 10.
  2. ↑ Александр Сергеев. Зонд к Плутону: безупречный старт большого путешествия. — Элементы.Ру, 2006. Архивировано 13 апреля 2010 года.
  3. ↑ Тимошенко, Алексей Космическая эра — человек оказался не нужен. gzt.ru (16 сентября 2010). Дата обращения: 22 октября 2010. Архивировано 19 апреля 2010 года.
  4. ↑ Энергия чистой науки: Ток из коллайдера // physics arXiv blog Популярная механика : статья. — 12.08.10.
  5. ↑ В NASA провели первый тест-драйв нового марсохода. Lenta.ru (26 июля 2010). Дата обращения: 8 ноября 2010. Архивировано 2 ноября 2012 года.
  6. ↑ Ajay K. Misra. Overview of NASA Program on Development of Radioisotope Power Systems with High Specific Power (англ.) // NASA/JPL : обзор. — San Diego, California, июнь 2006. Архивировано 9 августа 2012 года.
  7. ↑ World Information Service on Energy. Alaska fire threatens air force nukes. Дата обращения: 7 декабря 2014. Архивировано 25 февраля 2021 года.
  8. ↑ Дриц М. Е. и др. Свойства элементов. — Справочник. — М.: Металлургия, 1985. — 672 с. — 6500 экз.
  9. ↑ Venkateswara Sarma Mallela, V Ilankumaran, N.Srinivasa Rao. Trends in Cardiac Pacemaker Batteries (англ.) // Indian Pacing Electrophysiol J : статья. — 1 октября 2004. — Iss. 4, no. 4. Архивировано 29 августа 2023 года.
  10. ↑ Plutonium Powered Pacemaker (1974) (англ.). Oak Ridge Associated Universities (23 марта 2009). Дата обращения: 15 января 2011. Архивировано 22 августа 2011 года.
  11. ↑ Bayles, John J.; Taylor, Douglas. SEALAB III – Diver's Isotopic Swimsuit-Heater System (англ.). Department of Defense (1970). Дата обращения: 15 января 2011. Архивировано 23 августа 2011 года.
  12. ↑ Nuclear and Emerging Technologies for Space (2012). Development and testing of Americium-241 radioisotope thermoelectric generator. Дата обращения: 18 июля 2015. Архивировано 24 февраля 2021 года.
  13. ↑ Nuclear power: Desperately seeking plutonium. Дата обращения: 7 декабря 2014. Архивировано 28 ноября 2014 года.
  14. ↑ 1 2 Atomic Insights, Sept 1996, RTG Heat Sources: Two Proven Materials. Дата обращения: 7 декабря 2014. Архивировано 2 декабря 2014 года.
  15. ↑ Center of Space Nuclear Research. Дата обращения: 7 декабря 2014. Архивировано из оригинала 6 октября 2014 года.
  16. ↑ Journal of the British Interplanetary Society. Advanced Subcritical Assistance Radioisotope Thermoelectric Generator. Дата обращения: 7 декабря 2014. Архивировано 6 августа 2020 года.
  17. ↑ 1 2 3 4 Перспективы завершения программы утилизации российских РИТЭГов // МАГАТЭ. — 2013 Архивная копия от 20 декабря 2013 на Wayback Machine (текст, схемы и фотоснимки)
  18. ↑ Радиоизотопные термоэлектрические генераторы — Bellona. Дата обращения: 12 апреля 2013. Архивировано 3 марта 2013 года.
  19. ↑ Чернобыльское разгильдяйство сегодня: под Норильском раскурочены бесхозные ритэги Архивная копия от 1 марта 2008 на Wayback Machine — НКО «Беллона», 12 апреля 2006
  20. ↑ 1 2 Опыт военных гидрографов РФ может ускорить очистку Севпорпути от РИТЭГов Архивная копия от 20 декабря 2013 на Wayback Machine— Российское атомное сообщество, 18 января 2012
  21. ↑ Международное сотрудничество по решению проблем наследия «холодной войны». Дата обращения: 5 марта 2014. Архивировано 7 марта 2014 года.
  22. ↑ Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ, 2012. Дата обращения: 19 декабря 2013. Архивировано 20 декабря 2013 года.
  23. ↑ Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ, 2011. Дата обращения: 19 декабря 2013. Архивировано 20 декабря 2013 года.
  24. ↑ 1 2 А. Криворучек. Две энергоустановки для питания автономных маяков на Севморпути бесследно исчезли. Известия (23 августа 2013). Дата обращения: 15 сентября 2013. Архивировано 14 сентября 2013 года.
  25. ↑ СанПиН 2.6.1.2749-10 Архивная копия от 20 декабря 2013 на Wayback Machine «Гигиенические требования по обеспечению радиационной безопасности при обращении с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами»
  26. ↑ Р. Алимов. Рабочие материалы «Беллоны». НКО «Беллона» (2 апреля 2005). Дата обращения: 5 июля 2013. Архивировано 6 июля 2013 года.
  27. ↑ 1 2 С Чукотки вывезен последний радиоизотопный термоэлектрический генератор. Дата обращения: 18 июля 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.
  28. ↑ ИА «Сахалин-Курилы» Архивная копия от 29 июня 2015 на Wayback Machine, 11.06.2013
  29. ↑ В.Касымбекова. Радиация в таджикском Файзабаде — угрозы нет? Архивная копия от 8 августа 2014 на Wayback Machine — ЦентрАзия, 11.04.2011
  30. ↑ Со дна Охотского моря подняли аварийно затопленный РИТЭГ. Regnum (13 сентября 2007). Дата обращения: 25 мая 2013. Архивировано 28 декабря 2013 года.
  31. ↑ Фото поднятого РИТЭГа. Дата обращения: 25 мая 2013. Архивировано 26 декабря 2013 года.
  32. ↑ "Радиоизотопная энергетическая установка поднята со дна моря у мыса Марии". sakhalin.info. Архивировано 14 августа 2017. Дата обращения: 11 августа 2017.
  33. ↑ IAEA Annual Report 2003. Дата обращения: 12 апреля 2013. Архивировано 3 февраля 2013 года.
  34. ↑ IAEA. [https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1660web-81061875.pdf THE RADIOLOGICAL ACCIDENT IN LIA, GEORGIA] (англ.). IAEA.org. Дата обращения: 22 мая 2020. Архивировано 12 июля 2017 года.
  35. ↑ Последний РИТЭГ. Администрация Чаунского муниципального района (28 мая 2012). Дата обращения: 8 июля 2013. Архивировано из оригинала 9 июля 2013 года.
  36. ↑ В. Литовка. Перманентная вялотекущая радиационная авария. информационный бюллетень "Кайра-вестник" (сентябрь 2002). Дата обращения: 15 сентября 2013. Архивировано из оригинала 17 января 2010 года.
  37. ↑ Ликвидирована авария на мысе Наварин Беринговского района Чукотки Архивная копия от 14 декабря 2014 на Wayback Machine — chukotken.ru, 11 Сентября 2003
  38. ↑ Алексей Рамм, Роман Крецул, Алексей Козаченко. Реактивный прорыв: под Северодвинском испытывались «ядерные батарейки». Известия (15 августа 2019). Дата обращения: 17 августа 2019. Архивировано 1 марта 2021 года.

Ссылки