Ядерная энергия (tnenergy) wrote in engineering_ru,
Ядерная энергия
tnenergy
engineering_ru

Астронавт Марк Уотни и РИТЭГ

Оригинал взят у tnenergy в Астронавт Марк Уотни и РИТЭГ

Сегодня посмотрел фильм Марсианин (трейлер, книга). Но по теме блога меня там заинтересовал один сюжетный поворот. В какой-то момент для того, что бы поехать очень далеко по Марсу на ровере, Марк решает задачу обогрева по ночам (на Марсе температура может падать ночами до -80 С). Решил он ее положив себе в кабину что-то очень похожее на радиоизотопный генератор MMRTG, использованный в миссии Curiosity. В свою очередь MMRTG является практически половиной классических американских GPHS-RTG какие использовались на миссиях Galileo, Cassini, New Horizons . Сегодня мы разберемся, насколько опасно класть радиоизотопный генератор в свой ровер.


Как мы видим на картинке выше, с реальными РИТЭГ, которые были поставленны на Кассини обращаются довольно аккуратно - дозиметрия, щиты снижающие облучение персонала в помещении.

Что такое GPHS-RTG? Это модульный РИТЭГ, использующий тепло распада 238Pu для превращения его в электроэнергию его на полупроводниковом термоэлектрическом преобразователе. Впрочем, снаружи виден только радиатор, который работает холодным концом преобразователя.



В центре этого устройства установлены 18 квадратных General Purpose Heat Sorces - источников тепла общего назначения, собственно и содержащих плутоний.  Они в свою очередь устроены так:



2 таблетки (Fuel pellet), размером с крупный орех из оксида плутония (151 грамм оксида или ~116 грамм плутония), покрытые иридиевой оболочкой (о которой мы поговорим дальше) укладываются в цилиндрическую емкость из углерод-углеродного композита, служащей защитой на случай падения такого РИТЭГ на этапе выведения. Две такие емкости, в свою очередь упаковываются в один призматический блок из графита, который и является GHPS. Вес одного собранного блока 1,43 килограмма, и со свежим радионуклидом он вырабатывает 250 ватт тепла, разогреваясь в генераторе до 1000 С.


Собранный GHPS

Учитывая КПД примерно в 6%, в начале своей жизни GPHS-RTG вырабатывал примерно 300 электрических ватт рассеивая с радиатора ~4400 ватт. Для MMRTG эти цифры 125 и 2000 ватт. Через 14 лет после извлечения плутония из реактора мощность падает примерно на четверть. Самое интересное, что мощность падает не только из-за естественного распада изотопа, но и из-за деградации термопар. Как источник тепла, это устройство более привлекательна - 1,6% снижения тепловой мощности в год.

Что ж, 2 киловатта тепла выглядит обнадеживающими для Марка Уотни, поговорим теперь об опасностях.

238Pu - Хороший выбор для РИТЭГ. Он распадается в 234U с испусканием альфа-частицы с энергией ~5,5 МэВ. От альфа-частицы легко заэкранироваться - все они затормозятся еще в иридиевой оболочке топливной таблетки (иридий здесь нужен, что бы в любом случае, например при падении в тундру, противостоять радиационной коррозии). К сожалению, на пути к абсолютной нерадиоактивности нашего источника тепла стоят три препятствия:


  • Основной рабочий изотоп плутония распадается в U234, который порождает ряд радиоактивных изотопов, среди которых есть и гамма-эммитеры.

  • Плутониевые таблетки содержит другие, не столь дружественные с точки радиоактивного излучения изотопы - 236Pu,239Pu,241Pu и продукты из распада, например жесткий гамма-излучатель 208Ta. К сожалению, процесс производства (облучением мишений из другого радиоактивного изотопа - Нептуния 237 в реакторе) всегда сопровождается появлением этих паразитных изотопов. Лучшие образцы 238Pu содержат порядка 17% других изотопов.

  • Наконец, самое интересное. Энергичные альфа-частицы плутония взаимодействуют с кислородом (который содержится в оксиде плутония) и порождают через ядерные реакции с ним нейтронное излучение. Часть нейтронного излучения приходит и от самопроизвольного распада плутония (не альфа-распада, а развала на 2 части - как у урана в ядерной цепной реакции).

Все вместе дает для GPHS-RTG уровень радиации (или как правильнее это называется - мощность эквивалентной дозы) от 20 до 50 милирентген в час в разных направлениях на расстоянии метра. Этот уровень складывается из нейтронной и гамма радиации, причем доля последней для реальных РИТЭГов не так и велика - 5...10 мр/час.

Для MMRTG, который использует Уотни, уровни должны быть более чем в 2 раза ниже - порядка 8..20 мр/час. Причем, чисто теоретически, от нейтронной части можно заэкранироваться сантиметром-другим полиэтилена (лучше борированного). Даже в самом неудачном раскладе, при 20 мр/час, какой-то уровень, который может отразится на здоровье (100 рентген) герой "Марсианина" будет набирать 5000 часов, или порядка 202 сола (марсианских суток). С годами гамма-излучение от РИТЭГ будет расти, а нейтронное - падать, но эти изменения заметны на десятилетних периодах и не сильно влияют на общей уровень радиоактивности.


Впрочем, моделирование американских ядерщиков полей GPHS-RTG показывает, что контактно РИТЕГ может дать гораздо более опасные уровни в 1 и даже 5 рентген/час

Что ж, если вы попадете в схожую ситуацию - смело грейте салон своего ровера РИТЭГом, только обязательно убедитесь он наполнен Pu238 а не злобным бетта-эмиттером Sr90, как в отечественных наземных генераторах :).

P.S. Кстати, фильм вполне себе ничего, хотя для фанатов изначального, наполненного массой технических подробностей, текста уровень популяризации может быть разочаровывающим.

Tags: безопасность, отопление и теплоснабжение, своими руками, ядерная энергетика
Subscribe
promo engineering_ru march 2, 2015 08:17 174
Buy for 200 tokens
Помните байку о разработке космической ручки? Да, она не основана на реальных событиях, но очень наглядно иллюстрирует идею, что простое решение может оказаться лучше сложного. Ракета, построенная по принципу "большого глупого носителя" ("Big Dumb Booster") находится не в диапазоне…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 23 comments