Радиоизотопный термоэлектрический генератор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

РИТЭГ (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, РИТЭГи значительно меньше и конструктивно проще. В них нет движущихся деталей, поэтому они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы. Срок работы может исчисляться десятилетиями. Однако выходная мощность весьма невелика (до сотен ватт), КПД мал. Это обуславливает их применение в труднодоступных местах.

Применение[править | править вики-текст]

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

РИТЭГи, как правило, являются наиболее приемлемым источником энергии для автономных систем, нуждающихся в нескольких десятках-сотнях ватт при очень длительном времени работы, слишком долгим для топливных элементов или аккумуляторов.

В космосе[править | править вики-текст]

РИТЭГи являются основным источником электропитания на космических аппаратах, имеющих продолжительную миссию 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 New Horizons к Плутону нашёл свое применение в качестве источника питания для аппаратуры космического аппарата[1]. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида 238Pu, производившего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и 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. Это устройство производит 125 Вт электрической мощности, а по истечению 14 лет — 100 Вт[6].

РИТЭГ SNAP-27, применявшийся в миссии Аполлон-14 (в центре).

Несколько килограммов 238PuO2 использовались на некоторых миссиях Аполлонов. Генератор электроэнергии SNAP-27 (англ. Systems for Nuclear Auxiliary Power), тепловая и электрическая мощность которого составляла 1480 Вт и 63,5 Вт соответственно, содержал 3,735 кг диоксида плутония-238.

На земле[править | править вики-текст]

РИТЭГ 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, 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 РИТЭГ в малодоступных местах прекратили.

Плутоний-236 и плутоний-238 применяется для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца (кардиостимулятор)[7][8]. По состоянию на 2003 г. в США было 50—100 человек, имеющих плутониевый кардиостимулятор[9]. Применение плутония-238 может распространиться на костюмы водолазов и космонавтов[10].

Топливо[править | править вики-текст]

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

  • Достаточно высокая 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 длительный период 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 экологии 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, но и другие изотопы, такие как полоний-210, прометий-147, цезий-137, церий-144, рутений-106, кобальт-60, кюрий-242 и изотопы тулия были также изучены.

Плутоний-238 чаще всего применяется в космических аппаратах. α-распад с энергией 5,5 МЭв (один грамм дает ~0,5 Вт). Период полураспада 88 лет (потеря мощности 0,78 % в год) с образованием высокостабильного изотопа 234U. Стронций-90 широко применялся в наземных РИТЭГ советского производства. Цепочка из двух β-распадов дает суммарную энергию 2.8 МЭв (один грамм дает ~0,1 Вт). Период полураспада 29 лет с образованием стабильного 90Zr. И плутоний и стронций получают из отработавшего топлива ядерных реакторов.

Выведенные из эксплуатации РИТЭГи

Наземные РИТЭГ в России[править | править вики-текст]

Во времена СССР было изготовлено 1007 РИТЭГ для земной эксплуатации. Почти все они делались на базе радиоактивного тепловыделяющего элемента (РИТ) 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.[11] РИТЭГ оснащался одной или несколькими капсулами РИТ, радиационной защитой (зачастую на основе обедненного урана), термоэлектрическим генератором, радиатором охлаждения, герметичным корпусом, электроцепями. Типы выпускавшихся в СССР РИТЭГ:[12][11]

Тип Начальная активность, кКи Тепловая мощность, Вт Электрическая мощность, Вт Масса, кг Год начала выпуска
Эфир-МА 104 720 30 1250 1976
ИЭУ-1 465 2200 80 2500 1976
ИЭУ-2 100 580 14 600 1977
Бета-М (англ.)русск. 36 230 10 560 1978
Гонг 47 315 18 600 1983
Горн 185 1100 60 1050 1983
ИЭУ-2М 116 690 20 600 1985
Сеностав 288 1870 - 1250 1989
ИЭУ-1М 340 2200 120 2100 1990

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[13], при этом сами похитители получили смертельную дозу облучения[14].

В настоящее время проходит процесс их демонтажа и утилизации под надзором Международного агентства по атомной энергии и при финансировании США, Норвегии и других стран[11]. К началу 2011 года демонтировано 539 РИТЭГ[15]. По состоянию на 2012 год 72 РИТЭГ эксплуатируются, 3 утеряны, 222 на хранении, 31 в процессе утилизации[16][17].

Новые РИТЭГи для навигационных нужд больше не производятся, вместо них устанавливаются ветроэнергетические установки и фотоэлектрические преобразователи[14].

Требования к конструкции РИТЭГ[править | править вики-текст]

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 приемки 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 твердое основание с высоты 9 м, а также после воздействия на него температуры в 800°С в течение 30 мин.
  • Температура всех доступных поверхностей РИТЭГ не должна превышать 80 °С[18].

Инциденты с РИТЭГ на территории СНГ[править | править вики-текст]

Источники данных — НКО «Беллона»[19] и МАГАТЭ[11]

Дата Место
1983, март Мыс Нутэвги, Чукотка Сильное повреждение РИТЭГа по пути к месту установки. Факт аварии был скрыт персоналом, обнаружен комиссией Госатомнадзора в 1997 году.
1987 Мыс Низкий, Сахалинская обл. При транспортировке вертолет уронил РИТЭГ типа ИЭУ-1 в Охотское море. Принадлежал Минообороны СССР. Поисковые работы с перерывами продолжаются по сей день[20].
1997 Таджикистан, Душанбе Три отслуживших свой срок РИТЭГа хранились в разобранном неизвестными лицами виде на угольном складе в центре Душанбе, вблизи был зарегистрирован повышенный гамма-фон[21].
1997, август Мыс Марии, Сахалинская обл. При транспортировке вертолет уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1, который оставался на дне на глубине 25-30 м. Спустя 10 лет был поднят и отправлен на утилизацию[22][23].
1998, июль Корсаковский порт, Сахалинская обл. В пункте приема металлолома обнаружен в разобранном виде РИТЭГ, принадлежащий Минобороны РФ.
1999 Ленинградская обл. РИТЭГ был разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент (фон вблизи — 1000 Р/ч) был найден на автобусной остановке в Кингиссеппе.
2000 Мыс Бараниха, Чукотка Естественный фон близ аппарата был превышен в несколько раз вследствие неисправности РИТЭГ.
2001, май Кандалакшский залив, Мурманская обл. С маяков на острове были похищены 3 радиоизотопных источника, которые были обнаружены и отправлены в Москву.
2002, февраль Западная Грузия В районе села Лия Цаленджихского района местными жителями было найдено два РИТЭГа, которые были ими использованы как источники тепла, а затем разобраны. В результате несколько человек получили высокие дозы облучения[24].
2003 о. Нунэанган, Чукотка Установлено, что внешнее излучение аппарата превышало допустимые пределы в 5 раз по причине недостатка в конструкции.
2003 о. Врангеля, Чукотка Вследствие размыва берега установленный здесь РИТЭГ упал в море, где был замыт грунтом. В 2011 г. штормом был выброшен на побережье. Радиационная защита аппарата не повреждена[25].
2003, март Пихлисаар, Ленинградская обл. РИТЭГ был разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент был выброшен на ледовое покрытие. Горячая капсула со стронцием, проплавив лёд, ушла на дно, фон вблизи составил 1000 Р/ч. Капсула была вскоре найдена в 200 м от маяка.
2003, август Шмидтовский район, Чукотка Инспекция не обнаружила РИТЭГ типа «Бета-М» № 57 в месте установки у реки Кывэквын, по официальной версии предполагалось возможное замывании РИТЭГа в песок в результате сильного шторма или его похищение.
2003, сентябрь Остров Голец, Белое море Персонал 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, ноябрь Кольский залив, губа Оленья и остров Южный Горячинский Два РИТЭГа, принадлежащие Северному флоту, разграблены охотниками за цветными металлами, а их элементы РИТ-90 найдены неподалеку.
2004, март п. Валентин, Приморский край РИТЭГ, принадлежащий Тихоокеанскому флоту, найден разобранным, по-видимому, охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент РИТ-90 обнаружен неподалеку.
2004, июль Норильск На территории воинской части было обнаружено три РИТЭГа, мощность дозы на расстоянии 1 м от которых в 155 раз превышала естественный фон.
Июль, 2004 Мыс Наварин, Чукотка Механические повреждения корпуса РИТЭГа неизвестного происхождения, в результате чего произошла разгерметизация и часть радиоактивного топлива выпала наружу. Аварийный РИТЭГ вывезен на утилизацию 2007 году, поражённые участки прилегающей территории были дезактивировны[26].
Сентябрь, 2004 Земля Бунге, Якутия Аварийный 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.
2012 о. Лишний, Таймыр В месте установки РИТЭГа проекта «Горн» обнаружены его обломки. Предполагается, что аппарат был смыт в море[27].

В массовой культуре[править | править вики-текст]

В фильме «Как я провёл этим летом» часть сюжетной линии разворачивается вокруг станционного РИТЭГа. Главный герой отогревается около неисправной установки, как у печки, и получает дозу радиации.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Константин Лантратов Плутон стал ближе (рус.) // Газета Коммерсантъ : статья. — Коммерсантъ, 2006. — В. 3341. — № 10.
  2. Александр Сергеев Зонд к Плутону: безупречный старт большого путешествия (рус.). — Элементы.Ру, 2006.
  3. Тимошенко, Алексей Космическая эра — человек оказался не нужен (рус.)(недоступная ссылка — история). gzt.ru (16 сентября 2010). Проверено 22 октября 2010. Архивировано из первоисточника 19 апреля 2010.
  4. Энергия чистой науки: Ток из коллайдера (рус.) // physics arXiv blog Популярная механика : статья. — 12.08.10.
  5. В NASA провели первый тест-драйв нового марсохода (рус.). Lenta.ru (26 июля 2010). Проверено 8 ноября 2010. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2012.
  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.
  7. Дриц М. Е. и др. Свойства элементов. — Справочник. — М.: Металлургия, 1985. — 672 с. — 6500 экз.
  8. Venkateswara Sarma Mallela, V Ilankumaran, N.Srinivasa Rao Trends in Cardiac Pacemaker Batteries (англ.) // Indian Pacing Electrophysiol J : статья. — 1 октября 2004. — В. 4. — № 4.
  9. Plutonium Powered Pacemaker (1974) (англ.). Oak Ridge Associated Universities (23 марта 2009). Проверено 15 января 2011. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.
  10. Bayles, John J.; Taylor, Douglas. SEALAB III – Diver's Isotopic Swimsuit-Heater System (англ.). Department of Defense (1970). Проверено 15 января 2011. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.
  11. 1 2 3 4 Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ
  12. Радиоизотопные термоэлектрические генераторы — Bellona
  13. Чернобыльское разгильдяйство сегодня: под Норильском раскурочены бесхозные ритэги — НКО «Беллона», 12 апреля 2006
  14. 1 2 Опыт военных гидрографов РФ может ускорить очистку Севпорпути от РИТЭГов— Российское атомное сообщество, 18 января 2012
  15. Международное сотрудничество по решению проблем наследия «холодной войны»
  16. Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ, 2012
  17. Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ, 2011
  18. СанПиН 2.6.1.2749-10 «Гигиенические требования по обеспечению радиационной безопасности при обращении с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами»
  19. Р. Алимов. Рабочие материалы «Беллоны». НКО «Беллона» (2 апреля 2005). Проверено 5 июля 2013. Архивировано из первоисточника 6 июля 2013.
  20. ИА «Сахалин-Курилы», 11.06.2013
  21. В.Касымбекова. Радиация в таджикском Файзабаде — угрозы нет? — ЦентрАзия, 11.04.2011
  22. Со дна Охотского моря подняли аварийно затопленный РИТЭГ. Regnum (13 сентября 2007). Проверено 25 мая 2013. Архивировано из первоисточника 25 мая 2013.
  23. Фото поднятого РИТЭГа
  24. IAEA Annual Report 2003
  25. Последний РИТЭГ. Администрация Чаунского муниципального района (28 мая 2012). Проверено 8 июля 2013. Архивировано из первоисточника 9 июля 2013.
  26. Ликвидирована авария на мысе Наварин Беринговского района Чукотки — chukotken.ru, 11 Сентября 2003
  27. А. Криворучек. Две энергоустановки для питания автономных маяков на Севморпути бесследно исчезли. Известия (23 августа 2013). Проверено 15 сентября 2013.

Ссылки[править | править вики-текст]