To ciekawe

Radioizotopy, czyli izotopy promieniotwórcze, znalazły szerokie zastosowanie w badaniach naukowych, medycynie, technice i wielu gałęziach przemysłu. W tym e‑materiale dowiesz się, jak działają radioizotopowe generatory termoelektryczne zasilające m.in. sondy kosmiczne i marsjańskie łaziki. Generatory tego typu znajdują się np. w sondach Voyager 1 i 2, które są jedynymi wykonanymi przez człowieka urządzeniami, które dotarły do tzw. przestrzeni międzygwiezdnej.

R1BUBJZq8IGXm

Rys. 1. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczna jest startująca rakieta kosmiczna. Na ciemnoniebieskim nocnym tle nieba widoczna jest biała, cylindryczna rakieta skierowana pionowo w górę. Rakieta wznosi się ku górze. Z dolnej części rakiety wydobywają się płomienie. Płomienie są efektem spalania paliwa podczas wynoszenia rakiety na orbitę. Płonące Gazy wylotowe pozostawiają za sobą smugę białego dymu. Zdjęcie przedstawia wystrzelenie sondy Voyager dwa w dniu dwudziestego sierpnia tysiąc dziewięćset siedemdziesiątego siódmego roku.

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