הקדמה: התפקיד המשולב של רדיואיזוטופ Thermoelectric Generators

רדיואיזוטופים Thermoelectric גנרטורים (RTGs) כבר הוכרו כמקור כוח אמין למשימות חלל עמוקות, שבו אור השמש אינו מספיק עבור לוחות סולאריים וחיי סוללה מוגבל.המכשירים האלה להמיר את החום המשוחרר מהשפל הטבעי של איזוטופים כגון פלוטוניום-238 לתוך חשמל פונקציונלי במהלך אפקט Seebeck.

מדע מאחורי רדיואיזוטופים Thermoelectric Generator

כיצד RTGs להמיר Decay Heat לחשמל

בליבת RTG שוכנת איזוטופ רדיואקטיבי העובר דעיכה ספונטנית, פולט חלקיקי אלפא או חלקיקים בטא ושחרור אנרגיה תרמית בתהליך.עבור חלל ויישומים של אחריות גבוהה, איזוטופ המועדף הוא plutonium-238, אשר יש לו מחצית חיים של 87.7 שנים פולט בעיקר את קרינת אלפא.

מפתחי איסופים ואופייהם

מעבר plutonium-238, איזוטופים אחרים נחקרו או השתמשו ב- RTGs. Strontium-90, עם מחצית חיים של 28.8 שנים, הועסקו ב- RTGs הארציים על ידי ברית המועצות לשעבר כדי לכפות אורות מרוחקות ותחנות מזג אוויר.קליום 244 (חצי חיים 18.1 שנים) מציעות צפיפות כוח גבוהה יותר, אך מציג אתגרים גדולים יותר של הגנה עקב פליטה.

שיקולים של כוח ועוצמה

RTGs המסורתית יש יעילות המרה של רק 3-8%, כלומר רוב החום הדעיכה הוא בזבז.עם זאת, כי הדלק הוא חימום עצמי המערכת פועלת באופן פסיבי, אפילו יעילות נמוכה יכול להיות מקובל על יישומים שבהם אמינות מפצה צפיפות כוח.Newer thermoelectric חומרים - כגון skutterudites, חצי-Heus תרכובות, ותרמואלקטריות - הוכיחו יעילות בטווח של 10-15%, אך הם עדיין פחות לחץ עלות לחץ חשמלי קריטי.

RTGs ו-Nemour Safety Systems

Need for highly Reliable Backup Power

תחנות כוח גרעיניות מודרניות נועדו עם שכבות מרובות של מערכות בטיחות, כולל גנרטורים דיזל אדום ובנקים סוללה לספק כוח במהלך תנאים קשים. תאונת Fukushima Daiichi בשנת 2011 הפגינו ברעב את ההשלכות כאשר הן על בסיס האתר והן מחוץ לאתר הכוח אבדו לתקופות מורחבות.תחנת Blackouts unable קירור, מונעת את הפירוק של חום מתמשך ומובילה לנזקים של מערכות גיבוי לאמנתי על בסיס קבוע (רקדני) או על ידי שימוש בדלק חיצוני (לעיתים רחוקות) או על ידי RTG, רק על ידי שימוש קבוע, לאחר זמן קצר) או ירידה חלקית, לאחר מכן, לאחר מכן, החל ממכשירים, לאחר מכן, החל ממכשירים של דלק חיצוני, לאחר זמן מוגבל של דלקים ריקים (או מוגבל), החל ממכשירים ריקים).

יישומים ספציפיים ב-Reactor Safety

Decay Heat Removal Cooling Pumps

לאחר התמוטטות כור, הדלק ממשיך לייצר חום מדעיכה רדיואקטיבית בקצב שמידרדר שעות וימים. מערכות קירור ליבה של חירום (ECCS) ומשאבות חום שאריות (RHR) חייבות לפעול כדי לשמור על מחזור קריר.אם משאבות אלה מאבדות כוח, הליבה יכולה להיות משוחררת יתר על המידה והיתוך. RTG מוקדשת לעוצמה של משאבה קטנה, רציפה - או לטעון נזיטור עבור ניתוח איטי של פעילות גופנית - אפילו בתנאי שייתכן כי ניתן להגביל את רכיבי חשמל קבועים לפחות.

מערכות בקרה ובקרה

כלי שיט אמין הוא חיוני עבור ניטור פרמטרים (טמפרטורה, לחץ, ניטרון פלוקס, רמת מים) במהלך פעילות גופנית רגילה וחירום. מכשירים רבים דורשים אספקה קבועה של חשמל כדי להפעיל חיישנים, משדרים, וגליצרי נתונים. בתרחיש ארוך טווח של blackoutout, בנקים סוללה בסופו של דבר יהיה depleted. An RTG יכול לשמור על רמה בסיסית של כוח חשוב לכלים קריטיים, להבטיח כי מפעילי אבטחה (אורד) יש פעולות זיהוי מוקדם של יעילות עבור פעילות גופנית מתקדמת של יעילות מתקדמת של פעילות גופנית מתקדמת.

תכונות בטיחות פאסיביות ושליטה רוד דרייב

כמה עיצובים מתקדמים של כור משלבים תכונות בטיחות פסיביות שמסתמך על הכבידה או על זרימת הטבע ואינם דורשים חשמל.עם זאת, שליטה במנגנוני כונן מוט, שסתום בידוד ומערכות תרסיס עדיין זקוקות לחשמל. An RTG יכול לשמש מקור חשמל ייעודי עבור מערכות הפעלה אלה, המאפשר להם לתפקד באופן עצמאי של רשת החשמל הראשי והפסקת חירום.

היתרונות של Integrating RTGs לתוך בטיחות תגובה

חוסר התאמה בין אחריות באמצעות פשטות

היעדר חלקים נעים הוא היתרון החשוב ביותר של RTGs. No משאבות, טורבינות, דחוסים, גנרטורים או מנועים שיכולים לתפוס, ללבוש, או לא להתחיל.ההה תרמואלקטרית היא תהליך מוצק של מדינה, ומקור החום הוא עצמי המכיל עצמו עצמי ו- RTG התחממות עצמית, שכן אין צורך לספק את הפחתת דלק נשאר שלם, RTG ייצור כוח 24/7 עבור כל החיים שלה, כאשר יש צורך ברזולוציה גבוהה 10G.

עשרות שנים של פעילות ללא דלק

מחצית החיים של פלוטוניום-238 (87.7 שנים) פירושה ש- RTG יכול לספק כוח שימושי במשך כמה עשורים.גם לאחר 30 שנה, מקור פלוטוניום-238 עדיין מספק 80% מהתפוקה הראשונית שלו חום. מסגרת זמן זו או עולה על החיים התפעוליים המורשות של רוב הכורים הגרעיניים (בדרך כלל 40-60 שנים עם התחדשות), מערכת גיבוי RTG לא יהיה צורך בדלקים או להפחית את החיים העלולים לצמצום של דלקים ארוכים.

עצמאות מתשתית חיצונית

מערכות כוח חירום תלויות באספקת דלק חיצונית (לעיתים רחוקות, גז טבעי) או בחיבורי רשת עבור טעינה.במקרה חמור שפוגע בתשתיות - למשל, רעידת אדמה משבשת כבישים ושרשראות אספקה - לעתים רחוקות משלוחים כאלה עשויים להפסיק. RTGs הם לחלוטין המכילים עצמי.הם מייצרים חשמל מחום פנימי, לא דורשים או ממזג אוויר, ויכולים להיות ממוקמים במזג אווירי אוויר חתומה, בתנאי שמזג אוויר זה גם גורם למזג אוויר פונקציונלי למזג אוויר פעיל.

דרישות תחזוקה מינימליות

מכיוון של- RTGs אין חלקים נעים לייצר מוצרים של בעירה, התחזוקה היחידה הנדרשת בדרך כלל היא ניטור תקופתי של ביצועים תרמואלקטריים והשלמות הפיזית של מיכל מקור החום.זה עומד בניגוד חד לגנרטורים דיזל, הדורשים שינויים בנפט, בדיקות איכות דלק, תחזוקה מערכת קרירה, ובדיקות מערכת ממצה.

אתגרים ודאגות עם RTG Deployment

הידלינג והובלת חומרים רדיואקטיביים

הדלק המשמש RTGs הוא בין החומרים המסוכנים ביותר בקיומה. פלוטוניום-238 הוא פליטת אלפא חזקה, ואם החיפוי הדלק הוא פריצה, הזיהום וכתוצאה מכך עלול לגרום לסיכוני בריאות חמורים.ייצור, תחבורה, והתקנת RTGs דורש פרוטוקולי בטיחות קפדניים מאוד, קניסטרים מיוחדים, ומכלי משלוח מוסמכים.

ארועים סביבתיים בתאונות

אם RTG היה נפגע בתאונה חמורה - למשל, היתוך ליבה שגורם למבנה ההחזקה להתמוטטות, או להשפעה גדולה של מטוסים - יש סיכון של שחרור חומר רדיואקטיבי לסביבה.למרות שצורות הדלק נועדו להיות עמידים בחום וחמצן-אוקסדציה-עמידה בפני עצמה (למרות שמערכת קרמיקה פלוטוניום היא יציבה מאוד), תנאים קיצוניים יכולים להיות מסוכנים של פגיעה סביבתית, למרות שאותה עלולה להיות בעלת השפעה משמעותית של קירור עצמי.

מנגנוני הביטחון וההורדות

RTGs מסווגים כמקורות רדיואקטיביים, והשימוש בהם במפעל כוח גרעיני אזרחי ייפול תחת סמכות השיפוט של הרגולטורים הלאומיים כגון ועדת הריגולציה הגרעינית של ארה"ב (NRC) או הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית (EA) אשר שולטים בשימוש במקורות בעלי פעילות גבוהה הם קפדניים, המכסים את האבטחה, החשבונאות, התחבורה וההסכמתים הנדרשים להגנה על RTG מפני גניבה או חבלה יכולים לקחת בחשבון את הסיכון הגרעיני, לנקוט בצעדים הנדרשים לבדיקות נרחבות, כמו גם כן, דורשות, החל מתחום התקפים, החל מתחום השמרנים, או לבדיקות של מערכות בטיחותיות, דורשות, החלטיות, החל מתחום אבטחתיים, החל מתחום הגורמות לבדיקות ביטחוניות, החל מתחום בטיחותיות, דורשות, החלטיות, החל מבעוד עשרות שנים רבות יותר, או לבדיקות ביטחוניות, החלטיות, החל מתחום אבטחתיות, דורשות, החל מתחום בטיחותיות, החלות, החל מתחום אבטחתיות, או לבדיקות ביטחוניות, דורשות, דורשות, החלטיות, החלטיות, החלטיות, החלטיות, החלטיות, החלות, החל מתחום אבטחת מידע נוסף, אשר דורשות, החל מתחום אבטחתיות, החל מתחום אבטחתיות,

עלויות הייצור וההפצה

הפחתת פלוטוניום-238 היא יקרה.משרד האנרגיה של ארה"ב מעריך כי הפעלת הייצור והרחבת עד לכמויות של קילוגרם עולה מאות מיליוני דולרים.יחידות RTG למשימות חלל עלות היסטורית עשרות מיליוני דולרים בכל אחד, למרות שהייצור ההמוני ליישומים ארציים עשוי להפחית את העלות.עבור כור כלכלי טיפוסי הדורש אולי 10 קילוואט של כוח, מקור החום יכול להוסיף עשרות מיליוני דולרים בלבד, בעוד שמחירים פחות יעילים למכוניות גרעיניות, אך פחות.

מחקר וכיוונים עתידיים

חומרים נורמטיביים מתקדמים

מחקר בחומרים תרמואלקטריים בעלי ביצועים גבוהים העמיק בשני העשורים האחרונים.Skutterudite תרכובות (כגון CoSb3 מלא אטומים נדירים-earth) הראו שיפורים משמעותיים בנתון של הערך (ZT), אשר ישירות עם יעילות המרה.חצי-הית סגסוגת של Office, כגון TiNiSn, מציע כוח מכני טוב ויציבות תרמית בטמפרטורות חדשות - כולל שימוש תחרותי של חומרים מתקדמים של תרופות להורדת לחץ אווירי רדיו-או-או-או-או-או-או-אופטיים אחרים.

אסטרטגיות חלופיות

מכיוון שפלוטוניום-238 הוא נדיר ויקר, איזוטופים חלופיים נחקרים. Americium-241, שנוצר במהלך מחזור הדלק הגרעיני, הוא בשפע יותר ומהווה סיכון נמוך יותר לתפוצה, מכיוון שלא ניתן להשתמש בו ישירות כדי לייצר נשק גרעיני.סוכנות החלל האירופית פיתחה גם RTGs באמצעות פליטות פחמן 241, עם מחצית חיים של 432 שנים, המציעה כוח ארוך טווח עם צריכת חשמל נמוכה יותר, אך ורק עם כוח סיכון נמוך יותר, כאשר הוא עשוי להיות מחוסן אווירי דם נמוך יותר, הוא עשוי להיות פחות יעיל יותר, RTGate פחמן דו-אווירה, בעוד פחות יעיל יותר, RTGT.

מערכות היברידיות ואינטגרציה עם Grids

רעיון מתפתח אחד הוא לשלב RTGs עם צורות אחרות של אחסון אנרגיה או דור.לדוגמה, RTG יכול לטעון ללא הרף בנק סוללות המספק כוח לטווח קצר גבוה להתחיל משאבות או להפעיל שסתום, בעוד RTG מבטיח כי הסוללה לעולם לא נפסל לחלוטין. Alternative-Orexis יכול להיות יחד עם supercapacitors אור עבור פריקה מהירה, תצורה היברידית, RTG אומר כי לא ניתן לצבור כמות מוגבלת של כורים קצרים של צמיגים קצרים כל כך נמוך של .

מסלול תגמול וסטנדרטים בינלאומיים

יישום של RTGs במפעלי כוח גרעיניים מסחריים ידרוש עדכונים למסגרות רגולטוריות.ה-NRC העריך את השימוש במקורות חום רדיואיזוטופים לחלל (תחת מדיניות החלל הלאומית) אך אין לו הדרכה ספציפית לשימושם בכורים אזרחיים.הצעדים נלקחים: הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית פרסמה תקני בטיחות לשימוש במערכות חשמל של מערכות רדיואיזוטופ, וכמה מדינות (כגון יפן וצרפת) מממנות מחקרים מתקדמים על בסיס פרוטוקולי מעבדה, כגון RTG, אשר יהיו אחראיים לפיתוח אסטרטגי.

מסקנה: A Promising but Challenging Path Forward

שילוב של גנרטורים רדיואיזוטופיים במערכות בטיחות כורים גרעיני מציע חזון משכנע: מקור כמעט בלתי חוקי, תמיד על בסיס כוח גיבוי שיכול לתפקד במשך עשרות שנים ללא תחזוקה או תמיכה חיצונית.הטכנולוגיה מוכחת בחלל, שבו RTGs יש גישה מונעת לפלנטה החיצונית וסביבה הקשה של השמש היא יעילה יותר, אך לא עלות פשוטה של דלק גרעיני, כולל סיכון גרעיני מהיר, כל כוח גרעיני, אך הוא מסוגל לספק הגנה גבוהה יותר, או כוח גרעיני.

(ב) לאלו המעוניינים בפרטים נוספים, ה-FLT:0) NASA Radioisotope Power Systems Pages PageBuildFLT:1 מספק סקירה של ההיסטוריה והטכנולוגיה של RTG:2IAEA Safety Guide on Radioisotope Power SystemssFLT 3: מספק תובנה רגולטורית, ו- RTLT:4U.S של משרד האנרגיה של אנרגיה גרעינית LT5: