Термоэлектрические явления
Принципы
Термоэлектрические явления эффект Зеебека эффект Пельтье эффект Томсона эффект Эттингсгаузена Эффект Нернста — Эттингсгаузена
Применения
Термоэлектрические материалы Термопара Элемент Пельтье Термоэлектрогенератор

РИТЭ́Г (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 , РИТЭГ и значительно меньше, и конструктивно проще. Выходная мощность РИТЭГа весьма невелика (до нескольких сотен ватт ) при небольшом КПД . Зато в них нет движущихся частей, и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями, благодаря чему могут применяться в космосе для работы автоматических межпланетных станций или на Земле для работы радиомаяков.

Применение

РИТЭГи применимы как источники энергии для автономных систем, удалённых от традиционных источников электроснабжения и нуждающихся в нескольких десятках-сотнях ватт при очень длительном времени работы, слишком долгом для топливных элементов или аккумуляторов .

В космосе

РИТЭГи являются основным источником электропитания на космических аппаратах , выполняющих продолжительное задание 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 « Новые горизонты » к Плутону нашёл своё применение в качестве источника питания для аппаратуры космического аппарата . Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида ²³⁸ Pu, производящего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и, по расчётам, 200 Вт к концу) .

Зонды « Галилео » и « Кассини » были также оборудованы источниками энергии, в качестве топлива для которых служил плутоний . Марсоход « Curiosity » получает энергию благодаря плутонию-238 . Марсоход использует последнее поколение РИТЭГов, называемое . Это устройство производит 125 Вт электрической мощности , а по истечении 14 лет — 100 Вт .

Несколько килограммов ²³⁸ PuO ₂ использовались на некоторых полётах « Аполлонов » для электропитания приборов ALSEP . Генератор электроэнергии ( англ. ), тепловая и электрическая мощность которого составляла 1480 Вт и 63,5 Вт соответственно, содержал 3,735 кг диоксида плутония-238.

На Земле

РИТЭГи 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, в СССР 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 РИТЭГов в малодоступных местах прекратили.

В США РИТЭГи использовались не только для наземных источников питания, но и для морских буев и подводных установок. Например, в 1988 году СССР обнаружил два американских РИТЭГа рядом с советскими кабелями связи в Охотском море. Точное количество установленных США РИТЭГов неизвестно, оценки независимых организаций указывали 100—150 установок на 1992 год .

Плутоний-236 и плутоний-238 применялся для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца ( кардиостимулятор ) . По состоянию на 2003 г. в США было 50—100 человек, имеющих плутониевый кардиостимулятор . До запрета на производство ^{[ источник не указан 3027 дней ]} плутония-238 в США, ожидалось, что его применение может распространиться на костюмы водолазов и космонавтов .

Топливо

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

• Достаточно высокая объёмная 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 длительное время 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 окружающей среды 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. Другие изотопы, такие как полоний-210 , прометий -147, цезий-137 , церий -144, рутений -106, кобальт-60 , кюрий-242 и изотопы тулия были также изучены. Например, полоний-210 имеет период полураспада всего 138 дней при огромном начальном тепловыделении в 140 Вт на грамм. Америций -241 с периодом полураспада 433 года и тепловыделением 0,1 Вт/грамм .

Плутоний-238 чаще всего применяется в космических аппаратах. Альфа-распад с энергией 5,5 МэВ (один грамм даёт ~0,54 Вт). Период полураспада 88 лет (потеря мощности 0,78 % в год) с образованием высокостабильного изотопа 234 U . Плутоний-238 является почти чистым альфа-излучателем, что делает его одним из самых безопасных радиоактивных изотопов с минимальными требованиями к биологической защите. Однако получение относительно чистого 238-го изотопа требует эксплуатации специальных реакторов, что делает его дорогим .

Стронций-90 широко применялся в наземных РИТЭГах советского и американского производства. Цепочка из двух β-распадов даёт суммарную энергию 2,8 МэВ (один грамм дает ~0,46 Вт). Период полураспада 29 лет с образованием стабильного . Стронций-90 получают из отработавшего топлива ядерных реакторов в больших количествах. Дешевизна и обилие этого изотопа определяет его широкое использование в наземном оборудовании. В отличие от плутония-238, стронций-90 создаёт значительный уровень ионизирующего излучения высокой проницаемости, что предъявляет относительно высокие требования к биологической защите .

Существует концепция подкритических РИТЭГов . Подкритический генератор состоит из источника нейтронов и делящегося вещества. Нейтроны источника захватываются ядрами делящегося вещества и вызывают их деление. Основное преимущество такого генератора в том, что энергия, выделяемая при реакции деления, гораздо выше энергии альфа-распада. Например, для плутония-238 это примерно 200 МэВ против 5,6 МэВ , выделяемых этим нуклидом при альфа-распаде. Соответственно, необходимое количество вещества гораздо ниже. Количество распадов и радиационная активность в пересчёте на тепловыделение также ниже. Это снижает вес и размеры генератора.

Наземные РИТЭГ в России

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

Тип	Начальная активность, кКи	Тепловая мощность, Вт	Электрическая мощность, Вт	КПД, %	Масса, кг	Год начала выпуска
Эфир-МА	104	720	30	4,167	1250	1976
ИЭУ-1	465	2200	80	3,64	2500	1976
ИЭУ-2	100	580	14	2,41	600	1977
(англ.) (	36	230	10	4,35	560	1978
Гонг	47	315	18	5,714	600	1983
Горн	185	1100	60	5,455	1050	1983
ИЭУ-2М	116	690	20	2,899	600	1985
Сеностав	288	1870	-	-	1250	1989
ИЭУ-1М	340	2200	120	5,455	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 , при этом сами похитители получили смертельную дозу облучения .

В настоящее время проходит процесс их демонтажа и утилизации под надзором Международного агентства по атомной энергии и при финансировании США, Норвегии и других стран . К началу 2011 года демонтировано 539 РИТЭГ . По состоянию на 2012 год 72 РИТЭГ эксплуатируются, 2 утеряны, 222 на хранении, 32 в процессе утилизации . Четыре установки эксплуатировались в Антарктиде .

Новые РИТЭГи для навигационных нужд больше не производятся, вместо них устанавливаются ветроэнергетические установки и фотоэлектрические преобразователи , в некоторых случаях дизель‑генераторы. Эти устройства получили название АИП ( альтернативные источники питания). Состоят из панели солнечных батарей (или ветрогенератора), набора необслуживаемых аккумуляторных батарей, светодиодного маяка (кругового или створного), программируемого электронного блока, который задает алгоритм работы маяка.

Требования к конструкции РИТЭГ

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 приёмки и методы испытаний».

• Мощность эквивалентной дозы ионизирующего излучения на внешней поверхности РИТЭГ не должна превышать 2,0 м Зв /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 твёрдое основание с высоты 9 м, а также после воздействия на него температуры в 800 °C в течение 30 мин.
• Температура всех доступных поверхностей РИТЭГ не должна превышать 80 °С .

Инциденты с РИТЭГ на территории СНГ

Источники данных — НКО «Беллона» и МАГАТЭ

Дата	Место
1983, март	, Чукотка	Сильное повреждение РИТЭГа по пути к месту установки. Факт аварии был скрыт персоналом, обнаружен комиссией Госатомнадзора в 1997 году. По состоянию на 2005 год данный РИТЭГ был заброшен и оставался на мысе Нутэвги. По состоянию на 2012 год все РИТЭГи из Чукотского автономного округа вывезены .
1987	, Сахалинская область	При транспортировке вертолёт уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1, который принадлежал Министерству обороны СССР. По состоянию на 2013 поисковые работы, с перерывами, продолжаются .
1997	Душанбе , Таджикистан	Три отслуживших свой срок РИТЭГа хранились неизвестными лицами в разобранном виде на угольном складе в центре Душанбе, вблизи был зарегистрирован повышенный гамма-фон .
1997, август	, Сахалинская область	При транспортировке вертолёт уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1 № 11 1995 года выпуска, который оставался на дне на глубине 25—30 м. Спустя 10 лет, 2 августа 2007 года РИТЭГ был поднят и отправлен на утилизацию . Произведён внешний осмотр и замеры радиоактивного излучения. Результаты внешнего осмотра показали, что защитный корпус не поврежден, специалисты РХБЗ СГ ВМР [ расшифровать ] сделали заключение: мощность гамма-излучения и отсутствие радиоактивного загрязнения соответствуют нормальной радиационной обстановке ..
1998, июль	Корсаковский порт , Сахалинская область	В пункте приема металлолома обнаружен в разобранном виде РИТЭГ, принадлежащий Минобороны РФ.
1999	Ленинградская область	РИТЭГ разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент (фон вблизи — 1000 Р/ч) был найден на автобусной остановке в Кингисеппе .
2000	Мыс Бараниха , Чукотка	Естественный фон близ аппарата был превышен в несколько раз вследствие неисправности РИТЭГ.
2001, май	Кандалакшский залив , Мурманская область	С маяков на острове похищены 3 радиоизотопных источника, которые были обнаружены и отправлены в Москву.
2002, февраль	Западная Грузия	В районе села Цаленджихского района местными жителями найдено два РИТЭГа, которые были ими использованы как источники тепла, а затем разобраны. В результате несколько человек получили высокие дозы облучения .
2003	Остров Нунэанган , Чукотка	Установлено, что внешнее излучение аппарата превышало допустимые пределы в 5 раз по причине недостатков в его конструкции.
2003	Остров Врангеля , Чукотка	Вследствие размыва берега установленный здесь РИТЭГ упал в море, где был замыт грунтом. В 2011 г. штормом выброшен на побережье. Радиационная защита аппарата не повреждена . В 2012 вывезен с территории Чукотского автономного округа .
2003	мыс Шалаурова Изба , Чукотка	Радиационный фон вблизи установки был превышен в 30 раз ввиду недостатка в конструкции РИТЭГ .
2003, март	, Ленинградская область	РИТЭГ разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент был выброшен на ледовое покрытие. Горячая капсула со стронцием-90, 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, что РИТЭГ был замыт в песок в результате сильного шторма или что он был похищен.
2003, сентябрь	, 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 , Оленья Губа и остров	Два РИТЭГа, принадлежащие Северному флоту, разграблены охотниками за цветными металлами, а их элементы РИТ-90 найдены неподалёку.
2004	Приозерск , Казахстан	Чрезвычайная ситуация, произошедшая вследствие несанкционированной разборки шести РИТЭГов.
2004, март	с. Валентин , Приморский край	РИТЭГ, принадлежащий Тихоокеанскому флоту, найден разобранным, по-видимому, охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент РИТ-90 обнаружен неподалёку.
Июль, 2004	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 в 2007 году, поражённые участки прилегающей территории были дезактивированы .
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 м Зв /ч.
2012	Остров Лишний , Таймыр	В месте установки РИТЭГа проекта «Гонг» обнаружены его обломки. Предполагается, что аппарат был смыт в море .
8 августа 2019	Полигон Нёнокса , Архангельская область	По заявлениям СМИ, ЧП, унесшее жизни пяти человек , произошло при полигонных испытаниях перспективного ускорителя — жидкостной реактивной двигательной установки, на борту которой были смонтированы радиоизотопные «батарейки» .

См. также

• Радиоизотопные источники энергии
• Термоэлектрический генератор

Примечания

Ссылки

• (неопр.) . Ростехнадзор (14 декабря 2006). Дата обращения: 8 июля 2013.