РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов
Так получилось, что в серии «Мирный космический атом» мы движемся от фантастического к распространенному. В прошлый раз мы поговорили об энергетических реакторах, очевидный следующий шаг — рассказать о радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Недавно на Хабре был отличный пост про РИТЭГ зонда «Кассини», а мы рассмотрим эту тему с более широкой точки зрения.Физика процессаПроизводство тепла
В отличие от ядерного реактора, который использует явление цепной ядерной реакции, радиоизотопные генераторы используют естественный распад радиоактивных изотопов. Вспомним, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. В зависимости от количества нейтронов в ядре конкретного атома, он может быть стабильным, или же проявлять тенденцию к самопроизвольному распаду. Например, атом кобальта 59Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к 59Co один нейтрон (например, поместив «обычный» кобальт в атомный реактор), то получится 60Co, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5,2 года. Термин «период полураспада» означает, что через 5,2 года один атом распадется с вероятностью 50%, а от ста атомов останется примерно половина. У всех «обычных» элементов есть свои изотопы с разным периодом полураспада: 
3D карта изотопов, спасибо ЖЖ пользователю crustgroup за картинку.
Подбирая подходящий изотоп, можно получить РИТЭГ с требуемым сроком службы и другими параметрами:
Изотоп
Способ получения
Удельная мощность, Вт/г
Объёмная мощность, Вт/см³
Период полураспада
Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/г
Рабочая форма изотопа
60Со (кобальт-60)
Облучение в реакторе
2,9
~26
5,271 года
193,2
Металл, сплав
238Pu (плутоний-238)
атомный реактор
0,568
6,9
86 лет
608,7
Карбид плутония
90Sr (стронций-90)
осколки деления
0,93
0,7
28 лет
162,721
SrO, SrTiO3
144Ce (церий-144)
осколки деления
2,6
12,5
285 дней
57,439
CeO2
242Cm (кюрий-242)
атомный реактор
121
1169
162 дня
677,8
Cm2O3
147Pm (прометий-147)
осколки деления
0,37
1,1
2,64 года
12,34
Pm2O3
137Cs (цезий-137)
осколки деления
0,27
1,27
33 года
230,24
CsCl
210Po (полоний-210)
облучение висмута
142
1320
138 дней
677,59
сплавы со свинцом, иттрием, золотом
244Cm (кюрий-244)
атомный реактор
2,8
33,25
18,1 года
640,6
Cm2O3
232U (уран-232)
облучение тория
8,097
~88,67
68,9 лет
4887,103
диоксид, карбид, нитрид урана
106Ru (рутений-106)
осколки деления
29,8
369,818
~371,63 сут
9,854 металл, сплав
То, что распад изотопов происходит самостоятельно, означает, что РИТЭГом нельзя управлять. После загрузки топлива он будет нагреваться и производить электричество годами, постепенно деградируя. Уменьшение количества делящегося изотопа означает, что будет меньше ядерных распадов, меньше тепла и электричества. Плюс, падение электрической мощности усугубит деградация электрического генератора.Существует упрощённая версия РИТЭГа, в котором распад изотопа используется только для обогрева, без получения электричества. Такой модуль называется блоком обогрева или RHG (Radioisotope Heat Generator).Превращение тепла в электричество
Как и в случае атомного реактора, на выходе у нас получается тепло, которое надо каким-либо образом преобразовать в электричество. Для этого можно использовать: Термоэлектрический преобразователь. Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества.
Термоэмиссионный преобразователь. В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы «допрыгнуть» до анода, создавая электрический ток.
Термофотоэлектрический преобразователь. В этом случае к источнику тепла подсоединяется фотоэлемент, работающий в инфракрасном диапазоне. Источник тепла испускает фотоны, которые улавливаются фотоэлементом и преобразуются в электричество.
Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах. Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы.
Двигатель Стирлинга — тепловая машина для преобразования разности температуры в механическую работу. Электричество получается из механической работы с использованием какого-либо генератора.
История
Первый экспериментальный радиоизотопный источник энергии был представлен в 1913 году. Но только со второй половины XX века, с распространением ядерных реакторов, на которых можно было получать изотопы в промышленных масштабах, РИТЭГи стали активно использоваться.США
В США РИТЭГами занималась уже знакомая вам по прошлому посту организация SNAP.SNAP-1.Это был экспериментальный РИТЭГ на 144Ce и с генератором на цикле Ренкина (паровая машина) со ртутью в качестве теплоносителя. Генератор успешно проработал 2500 часов на Земле, но в космос не полетел.SNAP-3.Первый РИТЭГ, летавший в космос на навигационных спутниках Transit 4A и 4B. Энергетическая мощность 2 Вт, вес 2 кг, использовал плутоний-238.
SentryРИТЭГ для метеорологического спутника. Энергетическая мощность 4,5 Вт, изотоп — стронций-90.
SNAP-7.Семейство наземных РИТЭГов для маяков, световых буев, погодных станций, акустических буев и тому подобного. Очень большие модели, вес от 850 до 2720 кг. Энергетическая мощность — десятки ватт. Например, SNAP-7D — 30 Вт при массе 2 т.
SNAP-9Серийный РИТЭГ для навигационных спутников Transit. Масса 12 кг, электрическая мощность 25 Вт.
SNAP-11Экспериментальный РИТЭГ для лунных посадочных станций Surveyor. Предлагалось использовать изотоп кюрий-242. Электрическая мощность — 25 Вт. Не использовались.
SNAP-19Серийный РИТЭГ, использовался во множестве миссий — метеорологические спутники Nimbus, зонды «Пионер» -10 и -11, марсианские посадочные станции «Викинг». Изотоп — плутоний-238, энергетическая мощность ~40 Вт.
SNAP-21 и -23РИТЭГи для подводного применения на стронции-90.
SNAP-27РИТЭГи для питания научного оборудования программы «Аполлон». 3,8 кг. плутония-238 давали энергетическую мощность 70 Вт. Лунное научное оборудование было выключено ещё в 1977 году (люди и аппаратура на Земле требовали денег, а их не хватало), а РИТЭГи всё ещё работают, и потеряли всего лишь 10% от начальной мощности.
MHW-RTGНазвание расшифровывается как «многосотваттный РИТЭГ». 4,5 кг. плутония-238 давали 2400 Вт тепловой мощности и 160 Вт электрической. Эти РИТЭГи стояли на Экспериментальных Спутниках Линкольна (LES-8,9) и уже 37 лет обеспечивают теплом и электричеством «Вояджеры». На 2014 год РИТЭГи обеспечивают около 53% своей начальной мощности.
GPHS-RTGСамый мощный из космических РИТЭГов. 7,8 кг плутония-238 давали 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Использовался на солнечном зонде «Улисс», зондах «Галилео», «Кассини-Гюйгенс» и летит к Плутону на «Новых горизонтах».
MMRTGРИТЭГ для «Кьюриосити». 4 кг плутония-238, 2000 Вт тепловой мощности, 100 Вт электической.
Тёплый ламповый кубик плутония.
РИТЭГи США с привязкой по времени.
Сводная таблица:
Название
Носители (количество на аппарате)
Максимальная мощность
Изотоп
Вес топлива, кг
Полная масса, кг
Электрическая, Вт
Тепловая, Вт
MMRTG
MSL/Curiosity rover
~110
~2000
238Pu
~4
<45
GPHS-RTG
Cassini (3), New Horizons (1), Galileo (2), Ulysses (1)
300
4400
238Pu
7.8
55.9–57.8
MHW-RTG
LES-8/9, Voyager 1 (3), Voyager 2 (3)
160
2400
238Pu
~4.5
37.7
SNAP-3B
Transit-4A (1)
2.7
52.5
238Pu
?
2.1
SNAP-9A
Transit 5BN1/2 (1)
25
525
238Pu
~1
12.3
SNAP-19
Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4), Pioneer 11 (4)
40.3
525
238Pu
~1
13.6
модификация SNAP-19
Viking 1 (2), Viking 2 (2)
42.7
525
238Pu
~1
15.2
SNAP-27
Apollo 12–17 ALSEP (1)
73
1,480
238Pu
3.8
20
СССР/Россия
В СССР и России космических РИТЭГов было мало. Первым экспериментальным генератором стал РИТЭГ «Лимон-1» на полонии-210, созданный в 1962 году:
.Первыми космическими РИТЭГами стали «Орион-1» электрической мощностью 20 Вт на полонии-210 и запущенные на связных спутниках серии «Стрела-1» — «Космос-84» и «Космос-90». Блоки обогрева стояли на «Луноходах» -1 и -2, и РИТЭГ стоял на миссии «Марс-96»: 
В то же время РИТЭГи очень активно использовались в маяках, навигационных буях и прочем наземном оборудовании — серии «БЭТА», «РИТЭГ-ИЭУ» и многие другие.
Конструкция
Практически все РИТЭГи используют термоэлектрические преобразователи и поэтому имеют одинаковую конструкцию: 
Перспективы
Все летавшие РИТЭГи отличает очень низкий КПД — как правило, электрическая мощность меньше 10% от тепловой. Поэтому в начале XXI века в NASA был запущен проект ASRG — РИТЭГ с двигателем Стирлинга. Ожидалось повышение КПД до 30% и 140 Вт электрической мощности при 500 Вт тепловой. К сожалению, проект был остановлен в 2013 году из-за превышения бюджета. Но, теоретически, применение более эффективных преобразователей тепла в электричество способно серьезно поднять КПД РИТЭГов.Достоинства и недостатки
Достоинства: Очень простая конструкция.
Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
Не требует управления и присмотра.
Недостатки: Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.
Производство топлива сложное, дорогое и медленное.
Низкий КПД.
Мощность ограничивается сотнями ватт. РИТЭГ киловаттной электрической мощности уже слабо оправдан, мегаваттной — практически не имеет смысла: будет слишком дорогим и тяжелым.
Сочетание таких достоинств и недостатков означает, что РИТЭГи и блоки обогрева занимают свою нишу в космической энергетике и сохранят её и далее. Они позволяют просто и эффективно обогревать и питать электричеством межпланетные аппараты, но от них не стоит ждать какого-либо энергетического прорыва.
Источники Кроме Википедии использовались:
