Un generador termoeléctrico ( RTG ) del radioisótopo del es un generador eléctrico simple que obtiene su energía del decaimiento radiactivo . En tal dispositivo, el calor lanzado por el decaimiento de un material radiactivo conveniente es convertido en la electricidad por el efecto de Seebeck usar un arsenal de termopares que RTGs se puede considerar como tipo de la batería y haber utilizado como fuentes de energía en las puntas de prueba de espacio de los satélites y la función a distancia acobardada. RTGs es generalmente la fuente de energía más deseable para las situaciones sin tripulación o unmaintained que necesitan unas centenas vatios o menos de energía para las duraciones demasiado de largo para las baterías de las pilas de combustible y los generadores de proporcionar económicamente, y en lugares donde no están viables las células solares .

Diseño

El diseño de un RTG es simple por los estándares de la tecnología nuclear : el componente principal es un envase robusto de materiales radioactivos (el combustible). Los termopares se colocan en las paredes del envase, con el extremo externo de cada termopar conectado con un disipador de calor . El decaimiento radiactivo del combustible produce el calor que atraviesa los termopares al disipador de calor, generando electricidad en el proceso.

Un termopar es un dispositivo termoeléctrico que convierte la energía termal directo en el eléctrico consumidor de energía el efecto de Seebeck . Se hace de dos clases de metal (o de semiconductores) que puedan conducir electricidad. Están conectados el uno al otro en un lazo cerrado. Si las dos ensambladuras están en diversas temperaturas una corriente eléctrica fluirá en el lazo.

Combustibles

Los materiales radioactivos usados en RTGs deben tener varias características:

el período debe ser suficientemente largo que producirá energía a una tarifa relativamente continua para una cantidad de tiempo razonable. Sin embargo, al mismo tiempo, el período necesita ser bastante corto de modo que decaiga suficientemente rápidamente para generar una cantidad usable de calor. Los períodos típicos para los radioisótopos usados en RTGs son por lo tanto varias décadas, aunque los isótopos con períodos más cortos se podrían utilizar para los usos especializados.
Para el uso del vuelo espacial, el combustible debe producir una gran cantidad de energía por la masa y el volumen (densidad ). La densidad y el peso no están como importante para el uso terrestre, a menos que haya restricciones del tamaño.
Debe producir la radiación que tiene penetración baja, preferiblemente radiación alfa de la alta energía. La radiación beta puede emitir considerables cantidades de la radiación de la gamma/de la radiografía con la producción de la radiación secundaria de Bremsstrahlung, así requiriendo blindar pesado. Los isótopos no deben producir cantidades significativas de gamma, de la radiación de neutrón o de radiación penetrante en general a través de otros modos de decaimiento o de productos de la cadena de decaimiento .

Los primeros dos criterios limitan el número de combustibles posibles a menos de 30 isótopos atómicos dentro de la tabla entera del isótopo de elementos. El Plutonium-238, el Curium-244 y el Strontium-90 son los isótopos lo más a menudo posible citados del candidato, pero otros isótopos tales como Polonium-210, Promethium-147, Caesium-137, Cerium-144, Ruthenium-106, Cobalt-60, Curium-242 e isótopos del tulio también se han estudiado. Del antedicho, ²³⁸Pu tiene los requisitos que blindan más bajos y el período más largo. Solamente tres isótopos del candidato cumplen el criterio pasado (no todos son mencionados arriba) y necesitan menos que 25  milímetro del plomo que blinda para controlar la radiación indeseada. ²³⁸Pu (el mejor de estos tres) necesita menos que 2.5  no se necesita el milímetro, y en muchos casos el ningún blindar en un ²³⁸Pu RTG, pues la cubierta sí mismo es adecuada.

²³⁸Pu se ha convertido en el combustible más ampliamente utilizado para RTGs, bajo la forma de plutonio (IV) el óxido (PuO₂). ²³⁸Pu tiene un período de 87.7 años, densidad de energía razonable y gamma y los niveles de radiación excepcionalmente bajos de neutrón. Algún RTGs terrestre ruso ha utilizado el ⁹⁰Sr ; este isótopo tiene un período más corto, densidad de una energía mucho más baja y produce la radiación gamma, pero es más barato. Un cierto prototipo RTGs, primero construido en 1958 por la Comisión de energía atómica de los E., ha utilizado el ²¹⁰Po ; este isótopo proporciona densidad de energía fenomenal, pero tiene uso limitado debido a su período muy corto y producción significativa del rayo gama. Un kilogramo de ²¹⁰Po puro bajo la forma de cubo estaría sobre 48  los milímetros (cerca de 2 pulgadas) en un lado y emiten cerca de 63.5 kilovatios de calor (sobre 140  W/g), fácilmente capaz de la fusión entonces vaporizándose. ²⁴²Cm y ²⁴⁴Cm también se han estudiado bien, pero requieren blindar pesado de la radiación de neutrón de la gamma y producida de la fisión espontánea .

El Americium-241 es un isótopo del candidato potencial con un período más largo que ²³⁸Pu: ²⁴¹Am tiene un período de 432 años y podría accionar hipotético un dispositivo por siglos. Sin embargo, la densidad de energía de ²⁴¹Am es solamente 1/4 el de ²³⁸Pu, y ²⁴¹Am produce una radiación más penetrante a través de productos de la cadena de decaimiento que ²³⁸Pu y necesita sobre 18  milímetro de valor de blindar del plomo. Sin embargo, sus requisitos que blindan en un RTG son los segundos lo más bajo posible de todos los isótopos posibles: solamente ²³⁸Pu requiere menos.

Uso

El primer RTG lanzado en espacio por los Estados Unidos era en 1961 a bordo del BROCHE DE PRESIÓN 3 en la nave espacial del tránsito 4A de la marina de guerra. Una de las primeras aplicaciones terrestres de RTGs era en 1966 de la marina de guerra de los E. en la isla deshabitada de la roca del espacio abierto en Alaska, en donde seguía siendo funcionando hasta su retiro en 1995.

Un uso común de RTGs está como fuentes de energía en la nave espacial. Las unidades (RÁPIDAS) nucleares del programa de la potencia auxiliar de los sistemas fueron utilizadas especialmente para las puntas de prueba que viajan suficientemente lejos del Sun que los paneles solares son no más viables. Como tales ellos se utilizan con el pionero 10, el pionero 11, el viajero 1, el viajero 2, el Galileo, el Ulises, el Cassini y el New Horizons . Además, RTGs fue utilizado para accionar los dos landers de Vikingo y para los experimentos científicos dejados en la luna por los equipos 12 de Apolo a través 17 (27s RÁPIDO), excepto el Apolo 13 porque esa misión nunca alcanzó la superficie de la luna. RTGs también fue utilizado para el Nimbo, el tránsito y los satélites de Les . Por la comparación, solamente algunos vehículos de espacio han sido lanzados usar los reactores nucleares hecho y derecho la serie soviética y el americano SNAP-10A RORSAT .

Además de la nave espacial, el Unión Soviética construyó muchos faros sin tripulación y los faros de la navegación accionados por RTGs. Accionado por el ⁹⁰Sr, son muy confiables y proporcionan una fuente constante de energía. Sin embargo, los críticos sostienen que podrían causar ambiental y problemas de seguridad, pues la salida o el hurto de los materiales radioactivos podría pasar por años (o posiblemente por siempre inadvertido: algunos de estos faros no se pueden encontrar debido a la custodia de registro pobre). Ha habido incluso un caso donde los compartimientos radiactivos fueron abiertos por un ladrón; fue deducido que el envenenamiento resultante de la radiación era fatal. Había también el caso de dos leñadores en el Siberia que pareció uno de estas unidades y dormido cerca de él como fuente de calor durante una noche fría. Ellas ambas muerto del envenenamiento de la radiación dentro de algunos días luego. La unidad fue recuperada y aislada eventual.

Hay aproximadamente 1.000 tal RTGs en Rusia. Todos han agotado de largo sus vidas dirigidas de diez años. Son no más funcionales probable, y pueden estar necesitando desmontar. Algunos de ellos se han convertido en la presa de los cazadores del metal, que pelan las cubiertas del metal del RTGs, sin importar el riesgo de contaminación radiactiva.

RTGs también es utilizado por la fuerza aérea de Estados Unidos para accionar las estaciones de la teledetección para los sistemas del radar de la Tapa-ROCA y del Ahorrar-Iglú establecidos predominante en el Alaska [HTTP //www10.html]

En el pasado, pequeño " cells" del plutonio; (²³⁸Pu-powered muy pequeño RTGs) fueron utilizados en los marcapasos de corazón implantados para asegurar un " muy largo; life" de la batería;. En fecha 2004 cerca de 90 era todavía funcionando. Plantean un peligro si tiran al portador en el pecho con un arma. Si el portador muere y el generador no se quita antes de que la cremación el dispositivo esté conforme a gran calor. Es inverosímil sin embargo, si el plutonio está bajo la forma de dióxido, que ocurrirá la contaminación. Observar que el plutonio 238 puede más dispersarse que el plutonio 239, pero el dióxido es un sólido estable del aire que es normalmente sinterizado en aire en una temperatura mucho más arriba que lo usado en la cremación de restos humanos (aunque los diseñan para sobrevivir la cremación).

Aunque no no terminantemente RTGs, las unidades similares llamadas las unidades del calentador del radioisótopo también sea utilizado por la varia nave espacial incluyendo los vagabundos, Galileo y Cassini de la exploración de Marte. Estos dispositivos utilizan pequeñas muestras de materiales radioactivos para producir calor directo, en vez de electricidad.

Vida

La mayoría del uso ²³⁸Pu de RTGs que decae con un período de 87. RTGs usar este material por lo tanto perderá $1\; -\; \{0.787\%\; de\; su\; capacidad\; por\; año.23\; añosdespués\; de\; la\; producción,\; tal\; RTG\; produciría\; en$ 0.4\%\; de\; su\; capacidad\; que\; comienza.\; Así,\; con\; una\; capacidad\; que\; comienza\; de\; 470\; W,despuésde\; 23\; años\; tendría\; una\; capacidad\; de\; 0.\; Sin\; embargo,\; los\; termopares\; bimetálicos\; usados\; para\; convertir\; la\; energía\; termal\; en\; la\; energía\; eléctrica\; degradan\; también;\; al\; principio\; 2001,\; la\; energía\; generada\; por\; el\; viajero\; RTGs\; había\; caído\; a\; 315\; W\; para\; elviajero\; 1y\; a\; 319\; W\; para\; el\; viajero\; 2.\; Por\; lo\; tanto\; a\; principios\; de\; 2001,\; los\; termopares\; funcionaban\; aproximadamente\; el\; 80\%\; de\; su\; capacidad\; original.$$

Esta vida era de importancia particular durante la misión de Galileo . Se prepuso original lanzar en el 1986, él fue retrasado por el accidente del desafiador de la lanzadera de espacio. Debido a este acontecimiento imprevisto que la punta de prueba tuvo que sentarse en el almacenaje por 4 años antes de lanzar en el 1989 . Posteriormente, su RTGs había decaído algo, haciendo necesario replanificando el presupuesto de energía para la misión.

Eficacia

Pares o " termoeléctricos del uso de RTGs; " de los termopares ;, al calor de convertido de los materiales radioactivos en electricidad. Los termopares, aunque muy confiable y duradero, son muy ineficaces; las eficacias sobre el 10% nunca se han alcanzado y la mayoría del RTGs tiene eficacias entre 3-7%. Los materiales termoeléctricos en misiones espaciales hasta la fecha han incluido las aleaciones del germanio del silicio, el telururo del plomo y los telururos del antimonio, del germanio y de la plata (ETIQUETAS). Los estudios han sido hechos en la mejora de eficacia usando otras tecnologías para generar electricidad del calor. La realización de una eficacia más alta significaría que menos combustible radiactivo es necesario producir la misma cantidad de energía, y por lo tanto de un peso total más ligero para el generador. Esto es un factor críticamente importante en consideraciones del coste del lanzamiento del vuelo espacial.

Los dispositivos de la conversión de energía que confían en el principio de emisión termoiónica pueden alcanzar eficacias entre 10-20%, pero requieren temperaturas más altas que los en las cuales funcionamiento estándar de RTGs. Un cierto prototipo ²¹⁰Po RTG ha utilizado thermionics, y potencialmente otros isótopos extremadamente radiactivos podrían también proporcionar energía por este los medios, pero los períodos cortos hacen éstos infeasible. Varios espacio-limitan los reactores nucleares han utilizado thermionics, pero los reactores nucleares son generalmente demasiado pesados utilizar en la mayoría de las puntas de prueba de espacio.

El trabajo de las células de Thermophotovoltaic por los mismos principios que una célula fotovoltaica, salvo que ellos convierten el que infrarrojos se encienden emitido por una superficie caliente algo que luz visible a electricidad. Las células de Thermophotovoltaic tienen una eficacia levemente más arriba que los termopares y se pueden sobreponer encima de los termopares, eficacia potencialmente de duplicación. Los sistemas con los generadores del radioisótopo simulados por los calentadores eléctricos han demostrado eficacias de el 20%, pero no se han probado con los radioisótopos reales. Algunos diseños thermophotovoltaic teóricos de la célula tienen eficacias hasta el 30%, pero éstos tienen todavía ser construidos o ser confirmados. Las células de Thermophotovoltaic y los thermcouples del silicio degradan más rápidamente que los termopares, especialmente en presencia de la radiación de ionización. La investigación adicional se necesita en esta área.

Los generadores dinámicos pueden proporcionar energía en más de 4 veces la eficacia de conversión de RTGs. La NASA y la GAMA han estado desarrollando una fuente de energía radioisótopo-aprovisionada de combustible next-generation llamada el generador (SRG) del radioisótopo de Stirling los motores de pistones libres de ese de las aplicaciones Stirling juntado a los alternadores lineares al calor de convertido a la electricidad. Los prototipos de SRG demostraron una eficacia media de el 23%. La mayor eficacia puede ser alcanzada aumentando el cociente de la temperatura entre los extremos calientes y de los fríos del generador. El uso de piezas móviles sin impacto, de los cojinetes flexurales de no-degradación, y de un ambiente lubricación-libre y sellado herméticamente, en unidades para prueba, se ha demostrado ninguna degradación apreciable durante años de operación. Los resultados experimentales demuestran que un SRG podría continuar funcionando por décadas sin mantenimiento. La vibración se puede eliminar como preocupación por la puesta en práctica del equilibrio dinámico o el uso del movimiento dual-opuesto del pistón. Los usos potenciales de un sistema eléctrico del radioisótopo de Stirling incluyen el profundo-espacio de las misiones de la exploración y de la ciencia, Marte, y la luna.

Seguridad

Contaminación radiactiva

RTGs puede plantear un riesgo mínimo de la contaminación radiactiva : si el envase que lleva a cabo el combustible se escapa, los materiales radioactivos pueden contaminar el ambiente.

Para la nave espacial, la mayor preocupación es que si un accidente era ocurrir durante lanzamiento o un paso subsecuente de una nave espacial cerca de la tierra, material dañoso se podría lanzar en la atmósfera; y su uso en nave espacial y a otra parte ha atraído controversia.

Sin embargo, este acontecimiento no se considera probablemente con diseños actuales del barril de RTG. Por ejemplo, el estudio de las consecuencias para el medio ambiente para la punta de prueba de Cassini-Huygens puesta en marcha en el 1997 estimaba la probabilidad de los accidentes de la contaminación en las varias etapas en la misión. La probabilidad de una ocurrencia del accidente que causó el lanzamiento radiactivo de uno o más de sus 3 RTGs (o de su RHUs de 129 durante los primeros 3.5 minutos que siguen el lanzamiento era estimada en 1 en 1.400; las ocasiones de un lanzamiento en la subida en órbita eran más adelante 1 en 476; después que la probabilidad de un lanzamiento accidental se cayó agudamente menos a de 1 en millón. Si un accidente que tenía el potencial para causar la contaminación ocurrió durante las fases del lanzamiento (tales como la nave espacial que no puede alcanzar órbita), la probabilidad de la contaminación que era causada realmente por el RTGs era estimada aproximadamente 1 en 10. En el acontecimiento, el lanzamiento era acertado y Cassini-Huygens alcanzó el Saturno .

El plutonio 238 usados en estos RTGs tiene un período de 87.74 años, en contraste con el período de 24.110 años del plutonio 239 usados en las armas nucleares y los reactores . Una consecuencia del período más corto es que el plutonio 238 es cerca de 275 veces más radiactivo que el plutonio 239 (es decir 17.3 el ci / g comparó a 0.6 el kilogramo del plutonio 238 experimenta el mismo número de radiactivo decae por segundo como 1 tonelada del plutonio 239. Puesto que la morbosidad de los dos isótopos en términos de radiactividad absorbente es casi exactamente igual, el plutonio 238 es alrededor 275 veces más tóxico por peso que el plutonio 239.

La radiación alfa que ambos isótopos emiten no penetrará la piel, sino puede irradiar órganos internos si se inhala o se injiere el plutonio. A riesgo está particularmente el esqueleto, la superficie cuyo es probable absorber el isótopo, y el hígado, donde el isótopo recogerá y se concentrará.

Tienen sido seis accidentes sabidos que implican la nave espacial RTG-accionada. Primer era una falta del lanzamiento en el 1964 del 21 de abril en el cual el satélite de navegación Transit-5BN-3 de los E. no pudo alcanzar órbita y quemado para arriba en el norte del reingreso Madagascar .000 ci (630 TBq ) del plutonio del combustible del metal fueron inyectados en la atmósfera sobre el hemisferio meridional donde se consumió, y los rastros del plutonio 238 fueron detectados en el área algunos meses más adelante. El segundo era el satélite de Nimbo B-1 cuyo vehículo del lanzamiento fue destruido deliberadamente poco después de lanzamiento en el 1968 del 21 de mayo debido a trayectoria errática. Lanzado de las bases de las fuerzas aéreas de Vandenberg, su SNAP-19 RTG que contenía el dióxido relativamente inerte del plutonio fue recuperado intacto del fondo del mar en el canal de Santa Barbara cinco meses más adelante y no se detectó ninguna contaminación del medio ambiente.

Dos eran averiados más de las misiones soviéticas del cosmos que contenían vagabundos lunares RTG-accionados en 1969, que lanzó radiactividad mientras que se consumieron. Había también cinco faltas que implicaban la nave espacial soviética o rusa que llevaban los reactores nucleares algo que RTGs entre 1973 y 1993.

La falta 1970 de la misión de Apolo 13 en abril significó que el módulo lunar entró la atmósfera de nuevo que llevaba un RTG y quemó para arriba sobre el Fiji . Llevó un SNAP-27 RTG que contenía 44.650 TBq) del dióxido del plutonio que sobrevivió reingreso en la atmósfera de tierra intacto, como fue diseñada para hacer, la trayectoria que era arreglada de modo que hundiera en 6-9 kilómetros de agua en el foso de Tonga en el Océano Pacífico . La ausencia de contaminación del plutonio 238 en el muestreo atmosférico y del agua de mar confirmó la asunción que el barril está intacto en el fondo del mar. Se espera que el barril contenga el combustible por lo menos 10 períodos (es decir 870 años).

El Ministerio de los E. de Energía ha conducido pruebas del agua de mar y determinado que la cubierta del grafito, que fue diseñada para soportar reingreso, es estable y ningún lanzamiento del plutonio debe ocurrir. Las investigaciones subsecuentes no han encontrado ningún aumento en la radiación de fondo natural en el área. El accidente de Apolo 13 representa un panorama extremo debido a las altas velocidades del reingreso del arte que vuelve de espacio cislunar. Este accidente ha servido validar el diseño de tarde-generación RTGs como alto seguro.

Para reducir al mínimo el riesgo de los materiales radioactivos que son lanzados, el combustible se almacena en unidades modulares individuales con su propio blindar del calor. Son rodeadas por una capa de metal del iridio y encajonadas en bloques de alta resistencia del grafito . Estos dos materiales son corrosión y a prueba de calor. El cerco de los bloques del grafito es un aeroshell, diseñado para proteger a la asamblea entera contra el calor de la atmósfera de tierra que entra de nuevo. El combustible de plutonio también se almacena en una forma de cerámica que sea a prueba de calor, reduciendo al mínimo el riesgo de vaporización y de nebulización. El de cerámica es también alto el insoluble.

El accidente más reciente que implicaba una nave espacial RTG era la falta del lanzamiento ruso de la punta de prueba de Marte 96 en el 1996 del 16 de noviembre . Los dos totales a bordo 200 g de RTGs adentro llevados de plutonio y se asumen para haber sobrevivido reingreso (pues fueron diseñados para hacer). Son pensados ahora para mentir en alguna parte en un óvalo de funcionamiento del noreste-sudoeste 320 kilómetros de largo por 80 kilómetros de ancho que se centre 32 kilómetros al este Iquique, Chile .

Mucho el Beta-m RTGs produjo por el Unión Soviética para accionar los faros y los faros tienen fuentes dejadas huérfano convertidas de radiación. Varias de estas unidades se han desmontado ilegal para la chatarra dando por resultado la exposición completa la fuente Sr-90, caído en el océano, o tienen blindar defectuoso debido al diseño pobre o al daño físico. El programa cooperativo de la reducción de la amenaza del Departamento de Defensa de los E. ha expresado la preocupación que el material del RTGs Beta-m se puede utilizar por los terroristas para construir una bomba sucia .

Fisión nuclear

Uso de RTGs un diverso proceso de la generación de calor de eso usado por las estaciones de la energía atómica . Las centrales nucleares generan energía por una reacción en cadena en la cual la fisión nuclear de un átomo lance los neutrones que hacen otros átomos experimentar la fisión. Esto permite la reacción rápida de una gran cantidad de átomos, de tal modo produciendo granes cantidades de calor para la producción eléctrica. Sin embargo, si la reacción cuidadosamente no se controla el número de átomos experimentar la fisión (y la producción de calor) puede crecer exponencial, llegando a ser muy rápido bastante caliente para destruir el reactor.

Las reacciones en cadena no ocurren dentro de RTGs, así que una fusión tan nuclear no es posible. De hecho, se diseña algún RTGs de modo que la fisión no ocurra en absoluto; algo, las formas del decaimiento radiactivo que no pueden accionar el otro radiactivo decaen se utilizan en lugar de otro. Consecuentemente, el combustible en un RTG se consume mucho más lentamente y menos energía se produce mucho.

No hay riesgos de la proliferación nuclear asociados a plutonium-238 porque es inadecuado para hacer las armas nucleares . La razón principal para esto es que plutonium-238 experimenta la fisión espontánea a una alta tasa y emite así los neutrones aleatoriamente, haciendo la reacción en cadena comenzar demasiado temprano en el proceso que acciona. Esto causaría una bomba plutonium-238 al " fizzle", grandemente reduciendo su confiabilidad y energía. Por otra parte debido a la velocidad del decaimiento, plutonium-238 genera cantidades copiosas de calor y complicaría así el proceso de fabricación.

Modelos de RTG

Ver también

Reactor nuclear
Isótopo radiactivo
Cassini-Huygens
Batería atómica
Betavoltaics
Batería nuclear optoeléctrica
Unidades del calentador del radioisótopo
Termal alcalina-metálica al convertidor eléctrico
Beta-m

.

Zenithic

Stone-working

Random links:

Señor Kitchener (calypsonian) | Stronsay | Joel Spolsky | Sociedad química | Ust-Ilimsk