مولد گرما-الکتریکی ایزوتوپی

مولد گرما-الکتریکی ایزوتوپی (به انگلیسی: Radioisotope thermoelectric generator)‏ گونه‌ای باتری اتمی است که گرمای به‌دست‌آمده از واپاشی هسته‌ای را به جریان برق تبدیل می‌کند که به اختصار به آن RTG و RITEG گفته می‌شود.

شیوه کار

شاید تصور شود که باتری‌های اتمی شبیه راکتور اتمی هستند، اما در واقع طرز کار و فناوری ساخت باتری اتمی ساده است و طرز کار باتری اتمی از راکتورهای هسته‌ای واقعی خیلی فاصله و محدودیت دارد (گرچه منبع انرژی در هردو به هر حال یک منشاء نهایی دارد: شکافت هسته‌ای).

باتری اتمی استفاده شده در کاوشگر کاسینی.

طرز کار باتری اتمی از نوع RTG با استانداردهای اتمی ساده‌است. بیشتر این باتری‌ها از زوج حرارتی/ترموکوپل برای تبدیل گرمای حاصل از واپاشی هسته‌ای به انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند. محفظه محکمی حاوی ماده رادیواکتیو (پرتوافشان) است که ترموکوپل‌هایی در اطراف دیواره‌های محفظه قرار گرفته‌اند و سر دیگر ترموکوپل‌ها به یک خنک‌کننده متصل شده‌است. واپاشی هسته‌ای سوخت اتمی، گرمایی تولید می‌کند که از طریق ترموکوپل‌ها به سمت خنک کننده جریان پیدا می‌کند که در این فرایند جریان الکتریسیته تولید می‌شود.

البته طول عمر و قابلیت اطمینان ترموکوپل‌ها زياد است و در برابر فرسودگی و زوال بر اثر پرتوهای هسته‌ای مقاومت خوب دارند، اما کارایی تبدیل انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی در آنها پایین است، تاجایی که کارایی اکثر باتری‌های اتمی در حدود ۳ تا ۷ درصد بوده و هیچوقت از ۱۰٪ بیشتر نشده؛ یعنی بیشتر گرمای تولید شده توسط مواد رادیواکتیو به هدر می‌رود. بهرحال روشهای دیگری هم که قابلیت‌های لازم را داشته باشند (ویژگیهایی مثل طول عمر دهها و صدها ساله بدون نیاز به مراقبت و غیره) و کارایی خیلی بالاتری ارائه بدهند، هنوز بصورت کاملا عملی در دسترس قرار نگرفتن. اما بهرحال با توجه به انرژی رایگان و طولانی مدتی که حجم و وزن کمی از مواد با واپاشی هسته‌ای مناسب تولید میکنند، خوشبختانه تولید باتری‌های اتمی عملی و مقرون به صرفه بوده.

تفاوت با طرز کار راکتور هسته‌ای

باتری‌های اتمی و راکتورهای اتمی از فرایندهای اتمی خیلی متفاوتی استفاده می‌کنند. راکتورهای تولید انرژی اتمی از شکافت هسته‌ای کنترل شده استفاده می‌کنند. وقتی یک اتم سوخت اورانیوم ۲۳۵ یا پلوتونیوم ۲۳۹ دچار شکافت هسته‌ای می‌شود، نوترون‌هایی آزاد می‌شوند که شکافت‌های بیشتری را در یک واکنش زنجیره‌ای باعث می‌شوند که آهنگ این واکنش‌ها می‌تواند توسط جذب‌کننده‌های نوترون کنترل شود. این یک مزیت است که میزان قدرت تولیدی می‌تواند تغییر داده شود یا برای نگهداری و تعمیر بکلی خاموش شود. اما همچنین یک عیب است که احتیاط لازم دارد تا از عملکرد خارج از کنترل در سطوح خطرناک بالای توان تولیدی اجتناب شود.

واکنش‌های زنجیره‌ای در باتری‌های اتمی رخ نمی‌دهند، بنابراین گرما با یک نرخ کاملا قابل پیشبینی که بصورت یکنواخت کاهش می‌یابد و فقط به مقدار سوخت و نیمهء عمر آن بستگی دارد تولید می‌شود. یک قدرت تولید شده بر اساس حادثه غیرممکن است. از طرف دیگر گرمای تولید شده نمی‌تواند بر اساس تقاضا تغییر داده یا خاموش شود. منابع کمکی (همچون باتری‌های شارژپذیر) ممکن است برای تامین تقاضاهای ناگهانی بالا مورد نیاز باشند، و خنک‌سازی کافی باید همیشه، شامل زمان پیش از پرتاب و مراحل اولیهء پرواز یک ماموریت فضایی، تامین شود.

کاربردها

باتری‌های اتمی برای شرایط کارکرد بدون متصدی یا بدون نگهداری‌ که حداکثر به چند صد وات توان برای مدتی طولانی نیاز دارند بسیار مناسب هستند. در خیلی از این مکانها استفاده از روشهایی مثل سلول‌های خورشیدی هم مقدور نیست. البته باید در ساخت این باتری‌های اتمی دقت صورت بگیرد که تا مدتها پس از اینکه طول عمر مفید آنها تمام شد، از خطر نشت مواد رادیواکتیو جلوگیری شود.

این کاربردها شامل سامانه‌های ایستگاه‌های زمینی پژوهشی و یا مراقبتی علمی، نظامی و غیرنظامی در مناطق غیرمسکونی و دورافتاده، ماهواره‌ها و کاوشگرهای فضایی، و دستگاه‌های تنظیم تپش قلب کاشتنی هستند.

تاریخچه/نمونه‌های کاربرد

نخستین باتری اتمی برای کاربردهای فضایی در سال ۱۹۶۱ در Navy Transit 4A spacecraft بکار رفت که اسمش SNAP ۳ بود (با قدرت تنها ۲٫۷ وات!). نخستین کاربرد روی زمین از باتری اتمی در سال ۱۹۶۶ توسط نیروی دریایی ایالات متحده در جزیرهء کوچک غیرمسکونی Fairway Rock در آلاسکا بود که این باتری تا سال ۱۹۹۵ درحال سرویس دهی بود و بعد از آن برداشته شد.

یک باتری اتمی SNAP-27 مستقر شده توسط فضانوردان آپولو ۱۴ (یکسان با باتری سقوط کردهء آپولو 13)

بازرسی باتری های اتمی سفینهء فضایی کاسینی قبل از پرتاب

باتری‌های اتمی برای سیستمهای انرژی کمکی هسته‌ای (Systems for Nuclear Auxiliary Power - SNAP) بخصوص برای سفینه‌های کاوشگر که آنقدر از خورشید دور می‌شوند که دیگر نمی‌شود از پنل‌های خورشیدی استفاده کرد بکار رفته‌اند. بطور مثال با کاوشگرهای پایونیر-10, پایونیر-11, ویجر-1, ویجر-2, گالیله, اولیس, کاسینی و نیو هورایزنز. بعلاوه، باتری‌های خورشیدی برای تامین انرژی دو وسیلهء فرود وایکینگ (دو کاوشگر که به مریخ فرستاده شدند) استفاده شدند و نیز برای آزمایش‌های علمی بوسیلهء خدمهء آپولو ۱۲ تا آپولو ۱۷ (SNAP ۲۷) بر روی ماه گذاشته شدند (با قدرت ۷۰ وات). این باتری‌ها موجب شدند تا اطلاعاتی در مورد لرزه‌های ماه و برخورد شهابسنگ‌ها، میدان‌های مغناطیسی و گرانشی ماه، دمای درونی ماه و جو ماه، تا چند سال پس از ماموریت به زمین ارسال شوند. بعد از ۱۰ سال، یک SNAP-۲۷ هنوز بیشتر از ۹۰ درصد از توان اولیهء خود (۷۰ وات) را تولید می‌کرد. باتری‌های اتمی هچنین برای ماهواره‌های Nimbus, Transit و LES استفاده شدند. در مقام مقایسه، تنها تعداد کمی از فضاپیماها از راکتورهای اتمی کامل استفاده کردند که شامل سری RORSAT شوروی و SNAP-۱۰A آمریکایی می‌شوند (م: البته راکتورهای اتمی دارای توان تولیدی بیشتری از باتری‌های اتمی هستند). SNAP-۱۰A میزان ۵۰۰ وات توان الکتریکی را در مدت ۴۳ روز پرواز آزمایشی تولید کرد.

باتری‌های اتمی همچنین بوسیلهء نیروی هوایی ایالات متحده برای تامین انرژی حسگرهای راه دور برای سیستم‌های راداری Top-ROCC و Save-Igloo که عمدتا در آلاسکا واقع شده‌اند استفاده شده‌اند.

در گذشته، سلول‌های پلوتونیوم کوچک (باتری‌های اتمی بسیار کوچک با سوخت پلوتونیوم ۲۳۸) در دستگاه‌های تنظیم تپش قلب کاشته شده بخاطر اطمینان از یک عمر باتری خیلی طولانی استفاده شدند. تا سال ۲۰۰۴ حدود ۹۰ تا از آنها هنوز درحال استفاده بودند.

سوخت اتمی

احتمالا اصطلاح سوخت اتمی کمی نامانوس است، چون ما چیزی شبیه واکنش شیمیایی سوختن معمولی در سوخت‌های هسته‌ای نداریم، ولی به‌هرحال این اصطلاح متداول است.

سوخت اتمی بکار رفته در باتری‌های اتمی باید خصوصیات زیر را داشته باشد:

• تشعشع با انرژی بالا تولید کند. زوال آلفا درکل حدود ۱۰ برابر انرژی بیشتر از زوال بتای استرانسیم ۹۰ یا کاسیوم-۱۳۷ تولید می‌کند.

• تشعشع باید از نوعی باشد که به‌سادگی جذب شده و به تابش گرمایی تبدیل شود. ترجیحا تشعشع آلفا. تشعشع بتا می‌تواند از طریق فرآورده تشعشعی فرعی حاصل از تابش ترمزی مقادیر قابل توجهی از پرتوهای ایکس و گاما تولید کند که باعث نیاز به سپر تشعشعی سنگین می‌شود. ایزوتوپ‌ها نباید مقادیر زیادی از گاما، تابش نوترون یا تابش نفوذکننده ایجاد کنند.

• نیمهء عمر باید آنقدر طولانی باشد که انرژی نسبتا یکنواختی را برای زمان معقولی تولید کند. نیمه‌های عمر متداول برای رادیوایزوتوپ‌های بکار رفته در باتری‌های اتمی، چند ده سال است، گرچه ایزوتوپ‌های با نیمه‌های عمر کوتاهتر می‌توانند برای کاربردهای خاص بکار روند.

• برای استفاده در پروازهای فضایی، سوخت باید مقدار زیادی از انرژی را به نسبت حجم (چگالی) تولید کند. چگالی و وزن در کاربردهای زمینی آنقدر مهم نیستند، مگر اینکه محدودیت در ابعاد فیزیکی وجود داشته باشد.

یک قرص از اکسید پلوتونیوم 238 (PuO2) برای استفاده شدن در باتری اتمی برای ماموریت Cassini یا Galileo. قرص ۶۲ وات گرما تولید میکند و بخاطر گرمای تولید شده بوسیلهء واپاشی رادیواکتیو (عمدتا آلفا) تشعشع مرئی دارد. این عکس پس از آنکه قرص چند دقیقه زیر یک پوشش گرافیتی عایق شده و سپس پوشش برداشته شده است گرفته شده

از میان مواد واجد شرایط، پلوتونیوم ۲۳۸ کمترین نیاز به سپر تشعشعی را دارد و طولانی ترین نیمهء عمر را. پلوتونیوم ۲۳۸ به سپر تشعشعی با ضخامت کمتر از ۲٫۵ میلیمتر نیاز دارد و در خیلی موارد به سپر نیازی نیست و بدنهء باتری اتمی به تنهايي کافی است.

پلوتونیوم ۲۳۸ سوختی است که بیشتر از تمام مواد دیگر در باتری‌های اتمی به صورت اکسید پلوتونیم IV بکار رفته‌است (PuO2). پلوتونیوم ۲۳۸ نیمهء عمری برابر با ۸۷٫۷ (هشتاد و هفت و هفت دهم) سال دارد، چگالی قدرت قابل قبولی دارد، و بصورت استثنایی سطح تشعشع گاما و نوترون پایینی دارد. بعضی باتری‌های زمینی روسی از استرانسیم ۹۰ استفاده کرده اند؛ این ایزوتوپ نیمهء عمر کوتاهتری دارد، چگالی قدرت بسیار کمتری دارد، و تشعشع گاما تولید می‌کند، اما ارزانتر است.

پلوتونیوم ۲۳۸ نیمهء عمر ۸۷٫۷۴ ساله دارد، در مقایسه با پلوتونیوم ۲۳۹ بکار رفته در سلاحهای اتمی و راکتورها که نیمهء عمر ۲۴۱۱۰ سال دارد. نتیجهء این نیمهء عمر کوتاهتر اینست که پلوتونیوم ۲۳۸ حدود ۲۷۵ برابر پلوتونیوم ۲۳۹ رادیواکتیو است. برای مثال، ۳٫۶ کیلوگرم از پلوتونیوم ۲۳۸ در هر ثانیه دچار تعداد یکسانی از زوال/فروپاشی رادیواکتیو می‌شود که در یک تن از پلوتونیوم ۲۳۹ در همین مدت رخ می‌دهد. تشعشع آلفای هردوی این ایزوتوپ‌ها از پوست عبور نمی‌کند، اما اگر پلوتونیوم استنشاق شود یا خورده شود می‌تواند اعضای داخلی را در معرض تابش قرار دهد.

خطر تکثیر سلاحهای اتمی با استفاده از پلوتونیوم ۲۳۸

ریسک تهدید‌های هسته‌ای با پلوتونیوم ۲۳۸ وجود ندارند. زیرا ویژگیهایی که باعث می‌شوند پلوتونیوم ۲۳۸ برای سوخت باتری اتمی مناسب باشد، یعنی انرژی ویژهء آن، موجب می‌شوند تا برای ساخت سلاحهای اتمی بدون کاربرد باشد. پلوتونیوم ۲۳۸ قابلیت ایجاد شکافت زنجیره‌ای را ندارد. بخاطر نرخ بالای شکافت خودبخودی آن در مقایسه با پلوتونیوم ۲۳۹، وجود آن حتی بصورت یک ناخالصی باعث افزایش احتمال شروع زودرس واکنش زنجیره‌ای قبل از اینکه شرایط بهینه رخ دهند می‌شود که کارایی سلاح اتمی را بسیار پایین میاورد. یک میزان زیاد از پلوتونیوم ۲۳۸ همچنین باعث تولید گرما خواهد شد که باید تا زمانیکه بمب استفاده شود از آن دفع شود.

پلوتونیوم ۲۳۸ در قاعده می‌تواند بعنوان یک مرحلهء سوم برای افزایش قدرت یک اسلحهء گرما-هسته‌ای از نوع شکافت-گداخت-شکافت استفاده شود، اما دلیلی برای استفاده از آن در این نقش وجود ندارد. اورانیوم طبیعی یا حتی اورانیوم ضعیف شده همچنین بوسیلهء نوترون‌های سریع گداخت هسته‌ای شکافته خواهد شد، و در عین حال بسیار در دسترس‌تر است و هنگام نگهداری اساسا هیچ گرمایی تولید نمی‌کند.

تصور می‌شود پلوتونیوم ۲۳۸ می‌تواند در یک بمب تابشی یا بمب کثیف (بمب‌هایی که بمب اتمی نیستند، اما توسط مواد منفجرهء معمولی مواد پرتوافشان را در محیط پیرامون پراکنده می‌کنند) برای استفاده از هراس عمومی زیادی که از پلوتونیوم وجود دارد استفاده شود.

مقیاس قدرت به وزن

به‌عنوان بدست آمدن تصوری از نسبت تولید انرژی به وزن یک باتری اتمی، مشخصات یک نمونهء پیشرفته از باتری اتمی را ذکر می‌کنیم:

باتری GPHS-RTG (یک نمونه طراحی آمریکایی استفاده شده در ماموریت‌های فضایی):

• وزن کل دستگاه: ۵۷ کیلوگرم
• توان تولیدی: ۳۰۰ وات الکتریسیته از حدود ۴۴۰۰ وات گرمای تولید شده
• سوخت: حدود ۷٫۸ کیلوگرم سوخت بر اساس پلوتونیوم ۲۳۸

رخدادها/خطرها

شش مورد حادثه درمورد باتری‌های اتمی سفینه‌های فضایی شناخته شده‌است. نخستین آن یک شکست در پرتاب در ۲۱ آپریل ۱۹۶۴ بود که در آن ماهواره ناوبری Transit-۵BN-۳ ایالات متحده نتوانست به مدار برسد و موقع ورود مجدد به جو در شمال ماداگاسکار سوخت. سوخت پلوتونیوم فلزی در باتری اتمی SNAP-۹a آن به جو برفراز نیمکرهء شمالی که در آن سوخت تزریق شد، و ردهایی از پلوتونیوم ۲۳۸ چند ماه بعد در محل آشکارسازی شدند.

دومین حادثه، ماهواره هواشناسی نیمبوس بی-۱ بود که وسیلهء پرتاب آن به‌خاطر خط سیر اشتباه آن مدت کوتاهی پس از پرتاب بصورت عمدی نابود شد. باتری اتمی SNAP-۱۹ که حاوی اکسید پلوتونیوم نسبتا غیرفعال بود بصورت دست نخورده ۵ ماه بعد از بستر دریا بازیابی شد و هیچ آلودگی محیطی آشکار نشد.

دو حادثهء دیگر توسط شکست‌های ماموریت‌های کازموس شوروی حاوی وسایل نقلیهء سطح ماه در سال ۱۹۶۹ بود که هردو درحالیکه که سوختند رادیواکتیویته آزاد کردند. همچنین پنج شکست در ارتباط با سفینه‌های فضایی شوروی یا روسیه وجود داشتند که بجای باتری‌های اتمی راکتورهای اتمی حمل می‌کردند که بین سالهای ۱۹۳۷ تا ۱۹۹۳ رخ دادند.

ماموریت آپولو ۱۳ عقیم ماند و مدول ماه نشین آن که قرار بود روی ماه فرود بیاید اما موفق به این کار نشد، در ۱۷ آپریل ۱۹۷۰ بصورت کنترل شده بر فراز اقیانوس سقوط کرد و بر اثر حرارت بالای حرکت با سرعت بالا در جو زمین سوخت اما باتری اتمی آن از سقوط در جو زمین جان سالم بدر برد و اکنون در اقیانوس آرام جنوبی در حوالی درازگودال تونگا در عمق ۶٫۵ کیلومتر زیر آب قرار گرفته‌است. این باتری که حاوی حدود ۴ کیلوگرم پلوتونیوم بود طوری طراحی شده بود که در برابر حرارت زیاد و چنین سقوطی مقاومت کند و مواد رادیواکتیو از آن نشت نکنند؛ به همین خاطر اثری از نشت رادیواکتیو از آن دیده نشد. این باتری تا دو هزار سال رادیواکتیو باقی می‌ماند. اما گفته شده که مواد مقاوم دربرابر خوردگی کپسول، تا ۱۰ نیمهء عمر (۸۷۰ سال) قادر به نگهداری پلوتونیوم داخل آن هستند (م: البته به سبب سپری شدن ۱۰ نیمهء عمر، مقدار فعالیت رادیواکتیو باقی مانده پس از این زمان به مقدار قابل توجهی کاهش یافته‌است).

باتری های اتمی شوروی در حالت مخروبه و خرابکاری شده

همان‌طور که گفتیم، شوروی تعداد زیادی فانوس دریایی و سیستمهای امواج رادیویی ناوبری بدون متصدی ساخت. باتری‌های اتمی بکار رفته در این دستگاهها بوسیلهء عنصر رادیواکتیو استرانسیم ۹۰ تولید انرژی می‌کردند که یک منبع بسیار قابل اطمینان و یکنواخت از انرژی را تامین می‌کند. اما منتقدین استدلال می‌کنند که نشت یا سرقت مواد رادیواکتیو بکار رفته در این باتری‌ها می‌تواند سالها پنهان بماند (یا احتمالا برای همیشه؛ چون بعضی از این فانوس‌های دریایی بخاطر نگهداری ضعیف سابقه، نمی‌توانند پیدا شوند). حتی یک نمونه وجود دارد که قسمت‌های پرتوافشان بوسیلهء یک سارق باز شده بودند. همچنین موردی از سه فرد چوب بر در کشور گرجستان وجود داشته‌است که اطراف یکی از این واحدها آمده و در یک شب سرد بعنوان یک منبع گرما نزدیک آن خوابیده بودند؛ آنها بعدا با سوختگی‌های تشعشعی شدید در بیمارستان بستری شدند. آن واحد سرانجام پیدا و ایزوله شد.

حدودا هزار عدد از چنان باتری‌های اتمی در روسیه وجود دارند. همهء آنها مدتهاست که عمر ۱۰ سالهء مهندسی شدهء خود را سپری کرده‌اند. احتمالا آنها دیگر عملیاتی نیستند و نیاز به پیاده کردن دارند. بعضی از آنها طعمهء شکارچیان فلز شده‌اند که بدنه‌های فلزی آنها را باوجود خطر آلودگی رادیواکتیو باز می‌کنند.

تعداد زیادی از باتری‌های اتمی Beta-M ساخته شده توسط شوروی برای تامین قدرت فانوس دریایی و دستگاههای سیگنال ناوبری تبدیل به منابع تشعشع خارج از کنترل شده‌اند. چندین از این دستگاهها بصورت غیرقانونی بخاطر فلز قراضه اوراق شده‌اند که باعث درمعرض‌گذاری کامل استرانسیم-۹۰ شده‌است، به داخل اقیانوس افتاده‌اند، یا بخاطر طراحی ضعیف یا صدمهء فیزیکی، سپرهای تشعشع معیوب دارند. برنامهء کاهش تهدید مشارکتی دپارتمان دفاع ایالات متحده درمورد اینکه مواد این باتری‌های اتمی می‌توانند توسط تروریست‌ها برای ساخت یک بمب کثیف استفاده شوند ابراز نگرانی کرده‌است.

تازه ترین حادثه مربوط به شکست پرتاب کاوشگر Mars ۹۶ روسی است که در ۱۶ نوامبر ۱۹۹۶ رخ داد. دو باتری اتمی که مجموعا ۲۰۰ گرم پلوتونیوم را حمل می‌کردند باید از ورود مجدد به جو جان سالم بدر برده باشند (آنچنان که اینطور طراحی شده بودند). نظر بر این است که آنها اکنون جایی در یک مساحت تخم مرغی شکل با ۳۲۰ کیلومتر درازا و ۸۰ کیلومتر پهنا که مرکز آن ۳۲ کیلومتر در شرق شهر ایکیکه کشور شیلی است قرار دارند.

منابع

• مقالهء ويكيپدياي انگليسي دربارهء Radioisotope thermoelectric generator
• مقالهء ويكيپدياي انگليسي دربارهء Orphan source
• مقالهء ويكيپدياي انگليسي دربارهء GPHS-RTG
• مقالهء ويكيپدياي انگليسي دربارهء Fissile
• مقالهء ويكيپدياي انگليسي دربارهء Dirty bomb
• مقالهء ويكيپدياي انگليسي دربارهء Cassini–Huygens
• مقالهء ويكيپدياي انگليسي دربارهء Apollo 13
• مقالهء ويكيپدياي انگليسي دربارهء Radiological weapon
• مقالهء ويكيپدياي انگليسي دربارهء SNAP-10A
• مقالهء ويكيپدياي انگليسي دربارهء Systems for Nuclear Auxiliary Power
• مقالهء ويكيپدياي انگليسي دربارهء Viking program