Radioisotopgenerator

En radioisotopgenerator (forkortes RTG etter engelsk: Radioisotope Thermoelectric Generator) er en strømkilde som omdanner varmen som frigjøres ved radioaktiv nedbrytning til elektrisk energi. RTG benyttes fortrinnsvis innenfor romfart. RTG har lang levetid ( størrelsesorden 100 ganger levetiden for et kjemisk batteri) og høy energitetthet (størrelsesorden 100 ganger energitettheten for bensin).

Konstruksjon og virkemåte

En radioisotopgenerator er grunnleggende en termogenerator: Hvis ledninger av to forskjellige metaller eller metallegeringer loddes sammen i begge ender, og det ene loddepunktet holdes varmt, det andre kaldt, vil det gå en elektrisk strøm i kretsen. Strømmen skyldes at det som konsekvens av Seebeck-effekten oppstår en spenningsforskjell mellom loddepunktene. Spenningsforskjellen avhenger delvis av materialekombinasjonen, og til dels er den proporsjonal med temperaturforskjellen. Spenningsforskjellen kan økes ved å sammenlodde et antall tråder, hvis halvparten af loddepunktene dreies i den ene retningen og halvparten i den andre (se illustrasjonen).

Prinsipptegning av en RTG

I en RTG skapes temperaturforskjellen av varmen som utvikles ved nedbrytningen av radioaktivt materiale. Til forskjell fra strømproduksjon som bygger på kjernereaktordrevne turbiner har RTG-en ingen bevegelige deler, og den inneholder ingen stoffer som fordamper og fortetter, noe som gjør konstruksjonen ytterst simpel og holdbar.

En radioaktiv isotop er velegnet som kjernebrensel i en RTG hvis isotopens halveringstid hverken er for lang eller for kort. For kort halveringstid betyr at RTG-en raskt brenner ut. For lang halveringstid medfører at aktiviteten og dermed effekten blir for liten. Et velegnet kjernebrensel er videre kjennetegnet ved stor energitetthet, og ved at den ioniserende strålingen som går ut fra brenselet lett lar seg avskjerme.

Det viser seg at plutonium er et velegnet stoff. 1 kg av den $\alpha$-aktive isotopen ²³⁸Pu utvikler varme med en termisk effekt av størrelsesorden 500 W. Halveringstiden for ²³⁸Pu er 88 år, så til mange formål er effekten praktisk talt å regne for konstant.

Alternative radiokilder er isotoper av strontium, promethium, americium og actinium. I Sovjetunionen var ⁹⁰Sr mye brukt, da det er et avfallsprodukt fra kjernekraft. ²⁴¹Am har en halveringstid på 432 år og kan altså brukes i RTG med meget lang levetid. Energitettheten på ²⁴¹Am er riktignok kun 1/4 av energitettheten i ²³⁸Pu. I tillegg kommer den sekundære $\gamma$-stråling som sendes ut fra ²⁴¹Am er hardere (mer gjennomtrengende) enn den som sendes ut fra ²³⁸Pu (det kreves hhv. 18 mm og 2,5 mm bly-avskjermning). ²²⁷Ac er for dyr å fremstille i mengder som overstiger 10 g.

Virkningsgraden av en termogenerator er ca. 8 %, så en typisk RTG-enhet som inneholder 250 g ²³⁸Pu utvikler en elektrisk effekt på 10 watt tilsvarende 1 MWh i løpet av 10 år.

Anvendelse

Bruksområder for en RTG er til forbruk på få hundre watt, kontra brenselsceller, batterier, generatorer og solceller. I Sovjetunionen har man anvendt RTG til å drive ubemannede fyrtårn, værstasjoner og militære radaranlegg i områder med polarmørke. Disse anleggene er ikke tilstrekkelig bevoktet eller vedlikeholdt etter jernteppets fall. I Georgia har skraphandlere skrellet av RTGenes metalhylstre og latt det radioaktive materialet ligge å flyte i naturen.

Noen av de første pacemakerne hadde Pu-RTG som strømkilde og cirka 90 (pr. 2004) pasienter har disse i kroppen. Moderne pacemakere har Litiumbatterier. Ved kremering skulle pacemakerne holde på plutoniumet.

Kontroll av Cassini-Huygens' RTG før oppskyting

Romfartøy i det indre solsystemet vil ha adgang til rikelig sollys til å drive solcellene deres, men i avstander fra Jupiter (5 ganger Jordens avstand) vil sollyset være så svakt at solcellepanelene må være urimelig store. I Jordens avstand vil ½ m² solceller produsere 300 watt, mens i Saturns avstand må det brukes 597 m²; en tiendedels fotballbane. Romsonder som har besøkt Jupiter har alle hatt radioisotopgeneratorer med seg (Pioneer 10 & 11, Voyager 1 & 2, Galileo, Ulysses, Cassini-Huygens og New Horizons).

På Månens overflate har fem Apollo-ekspedisjoner etterlatt ALSEP-instrumentpakker med RTG-energiforsyning, på grunn av den 14 døgn lange månenatten. På overflaten av Mars har de to Vikingfartøyene RTGer, fordi de skulle kunne måle om natten og om vinteren. Når RTGene var anbragt inne i fartøyet har man foruten de 2x35 watt med elektrisk energi utnyttet de 2x525 watt med varmeenergi.

Romsonde-RTGer består av kjeramisk Plutoniumdioxid (PuO₂) i blokker som er kjemisk stabile og har et høyere smeltepunkt enn metallisk plutonium. Blokkene er overtrukket med et Iridiummetall som er korrosjonsbestandig. RTG-blokkene er samlet i en beholder som virker som et varmeskjold ved en eventuell gjeninntreden i atmosfæren.

En RTG mister 0,787% kapasitet pr. år og da Galileo ble forsinket av Challengerulykken (4 år før oppsendelse pluss 5 års lengre reisetid) måtte man planlegge oppdraget annerledes rent strømmessig.

Man kan også utnytte varmeenergien direkte fra ²³⁸Pu i såkalte Radioisotope Heater Units, RHU. Drivstoffventiler, batterier og instrumenter kan utstyres med 1 watts RHU-er (0,56 g Pu) for å beskytte mot kulden (-240 °C.). Det radioaktive materialet er beskyttet som ved RTGene. Saturnsonden Cassini har 82 RHU-er og den medfølgende, europeiske Huygenssonden har 35. Jupitersonden Galileo hadde 84 RHU-er og dens atmosfæresonde hadde 36. De to marsrobotene, Spirit og Opportunity bruker hver 8 RHU-er for å klare nattemperaturer på -105 °C (en marsnatt har nesten samme lengde som en jordnatt), litiumbatterierne krever minst -20 °C. De to sovjetiske Lunokhod månebilene brukte ²¹⁰Po for å holde varmen i den 14 døgn lange månenatten.

US Navy sendte opp den første RTG i rommet med Transit 4A navigasjonssatellitten i 1961. Transit 4As RTG brukte ²¹⁰Po med en halveringstid på 138,4 dager som supplement til satellittens solceller. USA sendte foruten Transit (6 med RTG, hvoraf de 2 var ²¹⁰Po-RTG) også opp Nimbus værsatellitter (2 med RTG) og LES (Lincoln Experimental Satellite) kommunikasjonssatellitter (2 med RTG).

Sovjetunionen sendte opp to ²¹⁰Po-RTG-forsynte militære kommunikasjonssatellitter, Kosmos 84 og 90 i 1965. De sendte også opp RORSAT-flåteovervåkningssatellitter med egentlige atomreaktorer, med kjernespaltning av ²³⁵U, som ikke må forveksles med RTG.

Risiko

Atombomber krever en neutronindusert kjedereaksjon fra lettspaltelige isotoper (som f.eks. ²³⁹Pu, Fat Man over Nagasaki). ²³⁸Pu har ikke denne egenskapen. Den største faren ved ²³⁸Pu er at det radioaktive materialet blir spredt ved en skadet avskjerming (raketteksplosjon) eller at terrorister lager en skitten bombe.

I 1997, ved oppskytingen av Cassini, kom det protester fra folk som fryktet plutoniumsforurensning av atmosfæren ved en raketteksplosjon eller ved Cassinis tette passasje av Jorden i 1999. I januar 2006 overbeviste NASA USAs Høyesterett om at New Horizons RTGen var så robust innkapslet, at plutoniumet ikke ville spres ved en løfteraketteksplosjon eller ved gjenindtreden i atmosfæren.

Fremtidig utvikling

Infrarøde solceller kan omkranse de varme RTGene og fordoble effektiviteten. Dessverre forfaller IR-solcellene hurtigere enn bimetalledningerne, spesielt i et ioniserende miljø (Rommet og radioaktivt materiale).

Dynamiske generatorer som mekanisk omdanner varme til elektrisk strøm har en virkningsgrad over 23 %, men krever høyere temperaturforskjeller. Dynamiske generatorer kan gi vibrasjoner og radiostøy. NASAs neste generasjon RTG heter SRG (Stirling Radioisotope Generator) og bruker Stirlingmotorer med magnetiske, kontaktfrie bevegelige deler og kan brukes på en marsrover hvor vibrasjoner er av mindre betydning.

Eksterne lenker

• (en) Radioisotope thermoelectric generators – kategori av bilder, video eller lyd på Commons
• Om plutonium på engelsk
• Bellonas rapport om radioisotopgeneratorer