シリーズ「Peaceful Cosmic Atom」では 、幻想的なものから広範囲にわたるものに移行しました。 前回、発電用原子炉について話しましたが、明らかな次のステップは、放射性同位体熱電発電機について話すことです。 最近Habré で、CassiniプローブのRTGに関する素晴らしい投稿がありました。このトピックをより広い観点から検討します。
プロセス物理学
熱発生
核連鎖反応の現象を使用する原子炉とは異なり、放射性同位体発生器は放射性同位体の自然崩壊を使用します。 原子は陽子、電子、中性子で構成されていることを思い出してください。 特定の原子の核内の中性子の数に応じて、それは安定している場合もあれば、自然崩壊する傾向を示す場合もあります。 たとえば、核内に27個の陽子と32個の中性子を持つ59 Coのコバルト原子は安定しています。 そのようなコバルトは、古代エジプト以来人類によって使用されてきました。 しかし、1つの中性子を59 Coに追加すると（たとえば、原子炉に「通常の」コバルトを配置することにより）、半減期5.2年の放射性同位体60 Coが得られます。 「半減期」という用語は、5.2年で1つの原子が50％の確率で崩壊し、原子の約半分が残ることを意味します。 すべての「通常の」要素には、異なる半減期の同位体があります。
写真のLJユーザーcrustgroupに感謝します。
適切な同位体を選択すると、必要な耐用年数とその他のパラメーターを備えたRTGを取得できます。
| 同位体 | 生産方法 | 比出力、W / g | ボリュームパワー、W /cm³ | 半減期 | 統合された同位体崩壊エネルギー、kW・h / g | 同位体の作業形態 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 60 Co（コバルト-60） | 原子炉照射 | 2.9 | 〜26 | 5,271歳 | 193.2 | 金属合金 |
| 238 Pu（プルトニウム238） | 原子炉 | 0.568 | 6.9 | 86歳 | 608.7 | プルトニウムカーバイド |
| 90 Sr（ストロンチウム90） | 核分裂片 | 0.93 | 0.7 | 28歳 | 162,721 | SrO、SrTiO 3 |
| 144 Ce（セリウム-144） | 核分裂片 | 2.6 | 12.5 | 285日 | 57,439 | CeO 2 |
| 242 Cm（キュリウム242） | 原子炉 | 121 | 1169 | 162日間 | 677.8 | Cm 2 O 3 |
| 147 Pm（プロメチウム-147） | 核分裂片 | 0.37 | 1,1 | 2.64歳 | 12.34 | Pm 2 O 3 |
| 137 Cs（セシウム137） | 核分裂片 | 0.27 | 1.27 | 33歳 | 230.24 | Cscl |
| 210 Po（ポロニウム-210） | ビスマスの照射 | 142 | 1320 | 138日間 | 677.59 | 鉛、イットリウム、金との合金 |
| 244 Cm（キュリウム-244） | 原子炉 | 2,8 | 33.25 | 18.1歳 | 640.6 | Cm 2 O 3 |
| 232 U（ウラン-232） | トリウム照射 | 8,097 | 〜88.67 | 68.9歳 | 4887,103 | 二酸化物、炭化物、窒化ウラン |
| 106 Ru（ルテニウム-106） | 核分裂片 | 29.8 | 369,818 | 〜371.63日 | 9,854 | 金属合金 |
同位体の崩壊が独立して発生するという事実は、RTGを制御できないことを意味します。 燃料を積み込んだ後、何年も加熱して発電し、徐々に劣化します。 核分裂性同位体の量を減らすことは、核崩壊が少なくなり、熱と電気が少なくなることを意味します。 さらに、電力の低下は、発電機の劣化を悪化させます。
RTGの簡易版では、同位体の崩壊が加熱のみに使用され、発電は行われません。 このようなモジュールは、加熱ユニットまたはRHG（放射性同位体熱発生器）と呼ばれます。
熱を電気に変換する
原子炉の場合のように、出口で熱を受け取ります。それは何らかの方法で電気に変換する必要があります。 これを行うには、次を使用できます。
- 熱電コンバータ 。 異なる材料（たとえば、クロメルとアルメル）の2つの導体を接続し、それらの1つを加熱することにより、電力源を得ることができます。
- 熱電子コンバータ 。 この場合、電子ランプが使用されます。 そのカソードは加熱され、電子はアノードに「ジャンプ」するのに十分なエネルギーを得て、電流を生成します。
- 熱光電変換器 。 この場合、赤外線フォトセルが熱源に接続されます。 熱源は光子を放出します。光子はフォトセルに取り込まれ、電気に変換されます。
- アルカリ金属上の熱電変換器 。 ここでは、溶融ナトリウムと硫黄塩からの電解質を使用して、熱を電気に変換します。
- スターリングエンジンは、温度差を機械的仕事に変換する熱機関です。 電気は、任意の発電機を使用して機械的な仕事から得られます。
物語
最初の実験的放射性同位体エネルギー源は1913年に導入されました。 しかし、工業規模で同位体を製造できる原子炉が急増した20世紀後半から、RTGが積極的に使用されるようになりました。
アメリカ
米国では、RTGはSNAP組織によって処理されましたが、これは以前の投稿で既に知っていました。
SNAP-1
144 Ceでの実験的RTGであり、クーラントとして水銀を使用したランキンサイクル （蒸気エンジン）の発電機を備えていました 。 発電機は地球上で2500時間正常に動作しましたが、宇宙に飛びませんでした。
SNAP-3 。
Transit 4Aおよび4B航法衛星で宇宙に飛ぶ最初のRTG。 エネルギー2 W、重量2 kg、プルトニウム238を使用。
セントリー
気象衛星のRTG。 エネルギー出力4.5 W、同位体-ストロンチウム90。
SNAP-7
灯台、ライトブイ、気象観測所、音響ブイなどの地上ベースのRTGのファミリー。 非常に大きなモデル、重量850〜2720 kg。 エネルギー出力-数十ワット。 たとえば、SNAP-7Dは2トンの質量で30ワットです。
SNAP-9
トランジットナビゲーション衛星用のシリアルRTG。 重量12 kg、電力25ワット。
SNAP-11
月面着陸ステーション測量のための実験的RTG。 Curium-242同位体を使用することが提案されました。 電力-25ワット。 使用されません。
SNAP-19
シリアルRTGは多くのミッションで使用されました-ニンバス気象衛星、パイオニア-10および-11プローブ、バイキング火星着陸ステーション。 同位体はプルトニウム238、エネルギー出力は約40ワットです。
SNAP-21および-23
ストロンチウム90での水中使用のためのRTG。
SNAP-27
Apolloの科学機器に電力を供給するためのRTG。 3.8キロ プルトニウム238は70ワットのエネルギーを出力しました。 月の科学機器は1977年までオフにされていました（地球上の人々と機器はお金を要求しましたが、十分ではありませんでした）。 1977年のRTGは、36〜60ワットの電力を生成しました。
Mhw-rtg
名前は「multiswt RTG」の略です。 4.5キロ プルトニウム238は、2,400ワットの火力と160ワットの電力を生成しました。 これらのRTGはリンカーン実験衛星（LES-8.9）にあり、37年間ボイジャーに熱と電気を供給しています。 2014年、RTGは初期容量の約53％を提供します。
GPHS-RTG
最も強力なスペースRTG。 7.8 kgのプルトニウム238は、4400ワットの火力と300ワットの電力を生成しました。 ユリシーズの太陽探査機、ガリレオ、カッシーニ-ホイヘンスの探査機で使用され、ニューホライズンズのPl王星に飛ぶ。
MMRTG
好奇心のためのRTG。 4 kgのプルトニウム238、2000ワットの火力、100ワットの電力。
暖かいプルトニウム
時間参照付きの米国RTG。
要約表：
| 役職 | メディア（ユニットの番号） | 最大出力 | 同位体 | 燃料重量kg | 総重量 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 電気、W | サーマル、W | |||||
| MMRTG | MSL /好奇心ローバー | 〜110 | 〜2000 | 238 Pu | 〜4 | <45 |
| GPHS-RTG | カッシーニ（3） 、 ニューホライズン（1） 、 ガリレオ（2） 、 ユリシーズ（1） | 300 | 4400 | 238 Pu | 7.8 | 55.9–57.8 |
| Mhw-rtg | LES-8 / 9 、 ボイジャー1（3） 、 ボイジャー2（3） | 160 | 2400 | 238 Pu | 〜4.5 | 37.7 |
| SNAP-3B | トランジット-4A （1） | 2.7 | 52.5 | 238 Pu | ？ | 2.1 |
| SNAP-9A | トランジット5BN1 / 2 （1） | 25 | 525 | 238 Pu | 〜1 | 12.3 |
| SNAP-19 | ニンバス-3 （2）、 パイオニア10（4） 、 パイオニア11（4） | 40.3 | 525 | 238 Pu | 〜1 | 13.6 |
| SNAP-19の変更 | バイキング1（2）、バイキング2（2） | 42.7 | 525 | 238 Pu | 〜1 | 15.2 |
| SNAP-27 | アポロ12-17 ALSEP （1） | 73 | 1,480 | 238 Pu | 3.8 | 20 |
ソ連/ロシア
ソ連とロシアでは、スペースRTGはほとんどありませんでした。 最初の実験ジェネレーターは、1962年に作成されたポロニウム210のRTG「レモン1」でした。
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最初の宇宙RTGは、ポロニウム210で20 Wの電力を備えたOrion-1で、Strela-1シリーズの接続された衛星で打ち上げられたCosmos-84およびCosmos-90です。 加熱ユニットはルノホッズ-1および-2にあり、RTGは火星96ミッションにありました。
同時に、RTGは、灯台、航海ブイ、その他の地上設備で非常に積極的に使用されていました-ベータ、RTG-IEUシリーズなど。
建設業
ほとんどすべてのRTGは熱電変換器を使用しているため、同じ設計になっています。
見込み
すべての飛行RTGは非常に低い効率で区別されます-原則として、電力は熱の10％未満です。 したがって、XXI世紀の初めに、NASAはASRGプロジェクト（スターリングエンジンを搭載したRTG）を開始しました。 500ワットの熱で効率を30％、140ワットにまで高めることが期待されていました。 残念ながら、予算を超過したため、プロジェクトは2013年に停止されました。 しかし、理論的には、より効率的な熱から電気への変換器を使用すると、RTGの効率が大幅に向上します。
長所と短所
利点：
- 非常にシンプルなデザイン。
- それは数年から数十年にわたって機能し、徐々に劣化します。
- 加熱と電源供給に同時に使用できます。
- 管理と監督は必要ありません。
短所：
- 燃料として希少で高価な同位体が必要です。
- 燃料の生産は複雑で、高価で、時間がかかります。
- 低効率。
- 電力は数百ワットに制限されています。 キロワット電力のRTGはすでに十分に正当化されておらず、メガワットです-それはほとんど意味がありません：それはあまりにも高価で重いでしょう。
このような長所と短所の組み合わせは、RTGと加熱ユニットが宇宙エネルギーのニッチを占有し、それをさらに節約することを意味します。 それらを使用すると、惑星間宇宙船を電気で簡単かつ効率的に加熱および駆動できますが、エネルギーの突破は期待できません。
ソース
ウィキペディアに加えて、次のものが使用されました。
- 宇宙原子力エネルギー：最後の地平線を開く 。
- 「宇宙論ニュース」のトピック「国内RTG 」。
- 国内RTG 。
- テレダインの遺産 。
- NASA WebサイトのRTG 。