Warto przeczytać

Generator termoelektryczny to urządzenie zamieniające energię cieplną na energię elektryczną. Do wytwarzania prądu w generatorze można wykorzystać różne źródła ciepła. W radioizotopowych generatorach termoelektrycznych, w skrócie nazywanych RTG (od radioisotope thermoelectric generator), energia cieplna pochodzi z przemian promieniotwórczych zachodzących w użytym jako paliwo materiale. Do zamiany energii cieplnej na energię elektryczną wykorzystuje się efekt SeebeckaEfekt Seebeckaefekt Seebecka, który polega na powstawaniu siły elektromotorycznej w zamkniętym obwodzie składającym się z dwóch różnych przewodzących metali, tak zwanej termoparyTermoparatermopary, gdy miejsca styku tych metali znajdują się w różnych temperaturach. Najprostsza termopara składa się z dwóch przewodów wykonanych z różnych metali spojonych ze sobą na obu końcach. W RTG jeden koniec termopary znajduje się w kontakcie ze źródłem ciepła, a drugi koniec doprowadzony jest do czynnika chłodzącego, np. radiatora. W praktyce, aby otrzymać wyższe napięcie, używa się wielu połączonych ze sobą termopar. Radioizotopowe generatory termoelektryczne mogą mieć różne rozmiary, w zależności od ich przeznaczenia. Na Rys. 2. pokazano sondę kosmiczną New Horizons z zamontowanym RTG (czarny, walcowaty moduł z lewej strony). Moduł RTG ma 1,14 m długości, 42,2 cm średnicy i waży niecałe 60 kg. Wewnątrz obudowy znajduje się 18 prostopadłościennych modułów paliwowych o rozmiarach 9,9 cm na 9,3 cm na 5,8 cm. W momencie rozpoczęcia misji New Horizons, moc wytwarzanego przez RTG prądu elektrycznego wynosiła niecałe 250 W.

R2Ba2GCMPt5OE

Rys. 2. Ilustracja przedstawia zdjęcie wykonane w hali konstrukcyjnej sondy New Horizon. W hali konstrukcyjnej o białych ścianach widocznych jest dwóch ludzi ubranych w jasne kombinezony pracujących przy konstrukcji sondy. Sonda widoczna jest w postaci urządzenia w kształcie walca ustawionego pionowo z centralnie umieszczonym talerzem anteny satelitarnej u góry urządzenia. Czasza anteny satelitarnej skierowana jest w górę. Sonda pokryta jest folią w kolorze złotym. Z lewej strony urządzenia widoczny jest montowany czarny element w kształcie poziomego walca. Element ten jest to radioizotopowych generator termoelektryczny.

W sondzie New Horizons jako paliwa w RTG użyto tlenku plutonu‑238 Indeks górny 238²³⁸PuOIndeks dolny 2₂ o łącznej wadze 9,75 kg. Na Rys. 3. pokazano wkład wykonany z tlenku plutonu‑238 do jednego modułu paliwowego.

R1TvIW5f3btBd

Rys. 3. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczny jest wkład wykonany z tlenku plutonu używany w modułach paliwowych. Wkład widoczny jest w postaci niewielkiego elementu w kształcie walca koloru czerwonego. Umieszczony jest on na białym podłożu. Czerwony kolor oznacza, że tlenek plutonu przedstawiony na zdjęciu rozgrzany jest do bardzo wysokiej temperatury.

Poza plutonem‑238 Indeks górny 238²³⁸Pu, tylko nieliczne radioizotopy nadają się do stosowania w radioizotopowych generatorach termoelektrycznych. Właściwości, jakie powinien mieć radioizotop wykorzystywany w RTG, to:

• Dostatecznie długi czas połowicznego zanikuCzas połowicznego zanikuczas połowicznego zaniku. W przypadku większości zastosowań RTG powinien generować energię elektryczną przez wiele lat. Krótki czas połowicznego zaniku powoduje, że paliwo szybciej się kończy i nie jest wytwarzana potrzebna ilość ciepła. Czas połowicznego zaniku plutonu‑238 to 87,7 lat, co zapewnia odpowiednio długie działanie RTG w sondach kosmicznych.

• W przypadku misji kosmicznych paliwo powinno dostarczać dużej ilości energii w przeliczeniu na jednostkę masy i jednostkę objętości. W zastosowaniach na Ziemi nie jest to aż tak konieczne. Jeden gram plutonu‑238 dostarcza 0,57 wata mocy, z czego zaledwie kilka procent jest przekształcanych w moc prądu przez RTG.

• Promieniowanie emitowane przez radioizotop i produkty jego przemian powinno być łatwo absorbowane przez materię. Preferowane jest promieniowanie alfa, które nie jest przenikliwe i nie wymaga dodatkowych osłon. Pluton‑238 jest emiterem alfa i ma niskie wymagania co do osłon.

Dwa pierwsze kryteria ograniczają liczbę radioizotopów, które mogą zostać wykorzystane w RTG do około trzydziestu. Badania nad zastosowaniem innych niż pluton‑238 radioizotopów są prowadzone, między innymi z powodu niewystarczającej ilości izotopu plutonu‑238 na świecie. Produkcja plutonu koncentrowała się zawsze na wytwarzaniu plutonu‑239, który ma zastosowanie w energetyce i przemyśle zbrojeniowym. Pluton‑238 występuje naturalnie w śladowych ilościach i do celów aplikacyjnych musi być wytwarzany. Proces jego otrzymywania jest czasochłonny, skomplikowany i możliwy do przeprowadzenia tylko w kilku laboratoriach na świecie. Jednym ze sposobów jest naświetlanie neutronami pochodzącymi z reaktora jądrowego specjalnie przygotowanych próbek neptunu‑237, który jest izotopem odzyskiwanym ze zużytego paliwa jądrowego.

W warunkach ziemskich radioizotopowe generatory termoelektryczne są używane w niektórych bezzałogowych latarniach morskich, nadajnikach i stacjach monitoringu w trudno dostępnych miejscach (np. w Arktyce). Większość tego typu obiektów znajduje się na obecnym terytorium Rosji i została wybudowana za czasów Związku Radzieckiego. W sowieckich RTG jako paliwa używa się strontu‑90 (Indeks górny 90⁹⁰Sr). Stront‑90 jest emiterem promieniowania beta, a jego czas połowicznego zaniku wynosi 28,8 lat. Za użyciem strontu‑90 przemawiają względy ekonomiczne. Izotop ten jest jednym z produktów rozszczepienia uranu i jest dostępny w dużych ilościach po cenach znacznie niższych niż pluton‑238.

Pierwsze radioizotopowe generatory termoelektryczne zostały zbudowane w latach 50 XX wieku. Pierwszy RTG został wystrzelony w kosmos w 1961 roku. Technologia RTG jest cały czas udoskonalana. Generatory tego typu znajdują się w łaziku Curiosity obecnie działającym na Marsie oraz w łaziku Mars 2020.

Słowniczek