Радіоізотопний термоелектричний генератор (РТГ, рітег) — пристрій, що генерує електроенергію із тепла, що виділяється при розпаді радіоактивного матеріалу, за рахунок ефекту Зеебека, використовуючи масив термопар. Такий генератор не має рухомих частин.

Рітеги використовуються як джерела живлення в супутниках, космічних зондах та безекіпажних віддалених об'єктах, як-от ряд маяків, побудованих колишнім Радянським Союзом всередині Полярного кола. Рітеги зазвичай є найбажанішим джерелом живлення для ситуацій без технічної підтримки, коли потрібно кілька сотень ватів (або менше) енергії для настільки довгого часу, що паливні елементи, батареї або генератори стають економічно невигідними, і в місцях, де сонячні батареї не є практичними. Безпечне використання рітега вимагає зберігання радіоізотопів довгий час після закінчення терміну експлуатації пристрою. Дороговизна рітегів, як правило, обмежує їхнє використання нішевим застосування у рідкісних або особливих ситуаціях.

Історія

Рітег був винайдений у 1954 році вченими Mound Laboratories Кеном Джорданом та Джоном Бірденом. Їх було внесено до Національної зали слави винахідників у 2013 році. Джордан та Бірден працювали над контрактом армійського сигнального корпусу (R-65-8-998 11-SC-03-91) починаючи з 1 січня 1957 року, проводячи дослідження радіоактивних матеріалів та термопар, придатних для прямого перетворення тепла в електричну енергію використовуючи полоній-210 як джерело тепла. Рітеги були розроблені у США наприкінці 1950-х років Mound Laboratories у Маямісбурзі, штат Огайо, за контрактом з Комісією з атомної енергії США. Проектом керував доктор Бертрам К. Бланке.

Першим рітегом, запущеним у космос США, був SNAP 3B в 1961 році, що працював на 96 грамах металічного плутонію-238 на борту космічного корабля ВМС Transit 4A. Одне із перших наземних застосувань рітегів було в 1966 році, коли ВМС США використовували його у безлюдному острові на Алясці. Рітеги використовувались на цій ділянці до 1995 року.

Поширеним застосуванням рітега є живлення космічних апаратів. Системи для допоміжного ядерного живлення (SNAP) використовувались для зондів, які подорожують далеко від Сонця, що робить сонячні батареї недоцільними. Як такі вони використовувались на космічних апаратах «Піонер-10», «Піонер-11», «Вояджер-1», «Вояджер-2», «Галілео», «Улісс», «Кассіні», New Horizons та в Марсіанській науковій лабораторії. Рітеги використовувалися для живлення двох спускних апаратів «Вікінг» і для наукових експериментів, залишених на Місяці екіпажами місій «Аполлон» від -12 до -17 (SNAP 27s). Оскільки місія на Місяць «Аполлон-13» була перервана, його рітег перебуває в Південному Тихому океані, в околицях жолоба Тонга. Рітеги також використовувались для супутників , Transit та . Для порівняння, лише декілька космічних апаратів запущені з використанням повноцінних ядерних реакторів: радянської серії УС-А та американської .

Окрім космічних кораблів, Радянський Союз сконструював багато безекіпажних та навігаційних маяків, що працюють на рітегах.

ВВС Сполучених Штатів використовують рітеги для живлення станцій дистанційного зондування для радіолокаційних систем Top-ROCC та SEEK IGLOO, розташованих переважно на АлясціAlaska fire threatens air force nukes , WISE

Раніше в імплантованих серцевих кардіостимуляторах використовувались невеликі «плутонієві клітини» (дуже малі рітеги, що працюють на 238Pu), щоб забезпечити дуже тривалий «термін служби акумулятора»Nuclear-Powered Cardiac Pacemakers , LANL. Станом на 2004 рік близько 90 з них ще використовувались. На кінець 2007 року було повідомлено про лише дев'ять. Програма Mound Laboratory Cardiac Pacemaker розпочалася 1 червня 1966 року спільно з NUMEC. Коли було виявлено, що джерело тепла не залишатимуться неушкодженими під час кремації, програму було скасовано у 1972 році, оскільки не було можливості повністю забезпечити те, щоб агрегати не були кремовані з органами своїх користувачів.

Будова Конструкція рітега проста за стандартами ядерних технологій: головний компонент — міцний контейнер з радіоактивним матеріалом (паливом). Термопари розміщуються в стінках ємності, зовнішній кінець кожної термопари з'єднаний з тепловідводом. Радіоактивний розпад палива виробляє тепло. Саме різниця температур між паливом та радіатором дає термопарам змогу виробляти електроенергію.

Термопара — це термоелектричний прилад, який може перетворювати теплову енергію безпосередньо в електричну енергію, використовуючи ефект Зеебека. Він виготовлений з двох видів металу (або напівпровідників), які можуть одночасно проводити електрику. Якщо вони з'єднані один з одним у замкнутому колі і два переходи знаходяться при різній температурі, у петлі протікатиме електричний струм. Зазвичай велика кількість термопар з'єднуються послідовно для отримання більш високої напруги.

Паливо

Критерії вибору ізотопів Радіоактивний матеріал, що використовується в рітегу, повинен мати кілька характеристик:

Його період напіврозпаду повинен бути достатньо довгим для того, щоб він вивільняв енергію з відносно постійною швидкістю протягом розумної кількості часу. Кількість енергії, що виділяється за час (потужність) даної кількості матеріалу, обернено пропорційна періоду напіврозпаду. Ізотоп із подвоєним періодом напіврозпаду і однаковою енергією розпаду вивільнить енергію з половиною швидкості на моль. Типовий період напіврозпаду для радіоізотопів, використовуваних у рітегах, становить декілька десятиліть, хоча ізотопи з меншим періодом напіврозпаду можуть використовуватися для спеціалізованих застосувань. Для використання у космічному польоті паливо повинно виробляти велику кількість енергії на масу та об'єм (густина). Густина і вага не такі важливі для наземного використання, якщо немає обмежень розміру. можна обчислити, якщо відома енергія радіоактивного випромінювання або втрата маси до і після радіоактивного розпаду. Вивільнення енергії на кількість матеріалу, що розпався, пропорційне виробництву електроенергії на моль. Альфа-розпад загалом вивільняє приблизно в десять разів більше енергії, ніж бета-розпад стронцію-90 або цезію-137. Випромінювання повинне бути такого типу, що легко поглинається та трансформується в теплове випромінювання, бажано альфа-випромінювання. Бета-випромінювання може виділяти значну кількість гамма/рентгенівських променів через гальмування і, отже, вимагає важкого екранування. Ізотопи не повинні виробляти значну кількість гамма, нейтронного випромінювання чи загалом проникаючого випромінювання через інші режими розпаду або продукти радіоактивного ряду.

Перші два критерії обмежують кількість можливих видів палива до менше ніж тридцяти атомних ізотопів у всій таблиці нуклідів.

Плутоній-238, кюрій-244 та стронцій-90 — найчастіше цитовані ізотопи-кандидати, але інші ізотопи, такі як полоній-210, , цезій-137, церій-144, , кобальт-60, кюрій-242, також були вивчені ізотопи америцію-241 та тулій. +МатеріалЕкрануванняГустина потужності (Вт/г)Період напіврозпаду (років)238PuНизьке0,5487,790SrВисоке0,4628,8210PoНизьке1400,378241AmСереднє0,114432

Плутоній-238 Період напіврозпаду плутонію-238 становить 87,7 років, розумна густина потужності 0,57 Вт на грам та винятково низький рівень випромінювання гамма та нейтронів. 238Pu має найнижчі вимоги до екранування. Лише три кандидатних ізотопи відповідають останньому критерію (не всі перераховані вище) та потребують менше 25 мм свинцевого екранування для блокування випромінювання. 238Pu (найкращому з цих трьох) потрібно менше 2,5 мм, і в багатьох випадках екранування в рітегах на 238Pu непотрібне, оскільки сама оболонка є достатньою.

238Pu став найпоширенішим паливом для рітегів у вигляді оксиду плутонію (IV) (PuO2).

Однак оксид плутонію (IV), що містить природний надлишок кисню, викидає нейтрони зі швидкістю ~23·103 н/сек/г плутонію-238. Цей коефіцієнт викидів порівняно високий порівняно зі швидкістю викиду нейтронів металу плутонію-238. Метал, що не містить домішок легких елементів, випромінює ~2,8·103 н/сек/г плутонію-238. Ці нейтрони утворюються при спонтанному розщепленні плутонію-238.

Різниця в коефіцієнтах викидів металу та оксиду обумовлена, головним чином, альфа-випроміненням, нейтронною реакцією з киснем-18 та киснем-17, присутніми в оксиді. Звичайна кількість кисню-18, присутнього в природному вигляді, становить 0,204 %, а кисню-17 — 0,037 %. Зниження концентрації кисню-17 та кисню-18, присутнього в діоксиді плутонію, призведе до значно меншої швидкості викиду нейтронів для оксиду; це може бути досягнуто методом обміну газовою фазою 16O2. Стандартні виробничі партії частинок 238PuO2, осаджених у вигляді гідроксиду, були використані, щоб показати, що великі виробничі партії можуть ефективно обмінюватися 16O2 на регулярній основі.

Зниження коефіцієнта викиду нейтронів PuO2 зі звичайним киснем-16 в п'ять разів було виявлено під час дослідження кардіостимуляторів в Mound Laboratory в 1966 році, частково завдяки досвіду Mound Laboratory з виробництва стабільних ізотопів, починаючи з 1960 року. Для виробництва великих джерел тепла необхідне екранування було б неможливим без цього процесуSee the Pu-238 heat sources fabricated at Mound, revised table: .

На відміну від інших трьох ізотопів у цьому розділі, 238Pu повинен бути спеціально синтезований і не в наявності як ядерний відхід. Сьогодні тільки Росія підтримує об'ємне виробництво, тоді як у США між 2013 та 2018 роками його було виготовлено загалом не більше 50 грамівNASA Doesn't Have Enough Nuclear Fuel For Its Deep Space Missions. Ethan Siegel, Forbes. 13 December 2018.. Американські агенції виявляли бажання розпочати виробництво матеріалу зі швидкістю від 300 до 400 грамів на рік. Якщо б цей план було профінансовано, метою було б налаштувати автоматизацію та масштабування процесів, щоб отримувати в середньому 1,5 кг на рік до 2025 рокуPlutonium supply for NASA missions faces long-term challenges. Jeff Foust. Space News, 10 October 2017..

Стронцій-90 Радянський Союз використовував стронцій-90 у наземних рітегах. 90Sr розпадається шляхом β-розпаду, з незначним γ-виділенням. Незважаючи на те, що його період напіврозпаду 28,8 років і значно коротший, ніж у 238Pu, він також має меншу енергію розпаду з густиною потужності 0,46 Вт на грам. Оскільки вихід енергії нижчий, він також сягає нижчих температур, ніж 238Pu, що призводить до зниження ККД рітегів. 90Sr є високопродуктивним відходом ядерного поділу і доступний у великих кількостях за низькою ціною.

Полоній-210 Деякі прототипи рітегів, уперше побудовані в 1958 році Комісією з атомної енергії США, використовували полоній-210. Цей ізотоп забезпечує феноменальну густину потужності (чистий 210Po випромінює 140 Вт/г) через високу швидкість розпаду, але має обмежене використання через дуже короткий період напіврозпаду у 138 днів. Півграмовий зразок 210Po досягає температури понад 500 °C. Оскільки Po-210 є чистим альфа-випромінювачем і не випромінює значного гамма- чи рентгенівських променів, вимоги до екранування такі ж низькі, як і для Pu-238.

Америцій-241