放射性同位元素熱電発電機について詳しく解説

導入

放射性同位体熱電発電機(RTG:放射性同位体熱電発電機) は、放射性崩壊によって放出される熱から電気エネルギーを生成する、単純な設計の原子力発電機です。

このようなシステムでは放射性物質（プルトニウム 238 など）が使用され、非放射性物質への放射線を通じて熱が発生します。次に、熱は、熱電効果を利用して、熱電モジュールによって電気に変換されます。このタイプの用途にとって最も効率的な放射性同位体は、すべての崩壊エネルギーをα 粒子の形で放出するもので、後者は高密度物質に最も容易に吸収され、その運動エネルギーは熱に変換されますが、電子 (β ^–粒子）の効率が低く、γ 線は材料と十分に相互作用せず、材料のエネルギーが効率的に熱に変換されません。

放射性同位元素発生装置の主な用途は、宇宙探査機や、長期間にわたって信頼性の高いエネルギー源を必要とするアクセスが困難または不可能な機器への電力供給です。そこで、私たちはプルトニウム 238 をベースにした心臓ペースメーカー用の小型発電機を設計しましたが、現在はリチウムイオン電池をベースとしたより「環境に優しい」技術に置き換えられており、ストロンチウム 90 をベースとしたこのような単純な設計の発電機は、過去には特定の隔離された場所の照明に使用されてきました。ソ連の海岸にある灯台。

放射性同位体発電機は、最近発表されたベータボルタ発電機とは根本的に異なります。ベータボルタ発電機は、同じタイプの用途向けに、まだ大部分が研究段階にある代替技術となりますが、β崩壊による電子の放出に基づいており^、トリチウムが起電力を発生させ、炭化ケイ素SiCなどの半導体材料。

カッシーニ探査機に使用される放射性同位体発生装置のセクション。

カッシーニ探査機の放射性同位体発生装置の写真。

デザイン

他の原子力機器と比較して、放射性同位元素発生装置の動作原理は単純です。それは、放射性物質で満たされた装甲コンテナで構成されており、熱電対が配置される穴が開けられており、熱電対の他端はラジエーターに接続されています。熱電対を通過するカロリーは電気に変換されます。熱電モジュールは、閉ループで接続された 2 種類の導電性金属で作られたデバイスです。 2 つの接合点の温度が異なる場合、ループ内に電流が生成されます。

十分なエネルギーを生成できるように、選択された放射性同位体はかなり短い半減期を持っていなければなりません。半減期は数十年程度を選択します。最も多くの場合、それは二酸化プルトニウム²³⁸ PuO ₂の形のプルトニウム 238 であり、放射性半減期が 87.74 年 (32,046 日) である強力なα線放出体です。最初に使用された放射性同位体は、半減期が短く（わずか 138.38 日）、そのため放射線出力が非常に高いポロニウム 210 でした。一方、アメリシウム 241 は、強力ではありませんが、寿命が 432.2 年（約 138.38 日）であるため、耐久性が 5 倍高い代替品です。 157,850日):

²⁴² Cm および²⁴⁴ Cm 同位体は、その特殊な特性により Cm ₂ O ₃の形でも提案されています。

• キュリウム 242 は、半減期 162.79 日のα崩壊によってプルトニウム 238 を生成し、その崩壊生成物が放射性同位体発生器のエネルギー源として利用できるため、潜在的に「二重膨張」放射性同位体となる可能性があります。
• キュリウム 244 はα崩壊により半減期 18.10 年のプルトニウム240 を生成します。

これらのセラミックは、比出力がそれぞれ²⁴² Cm ₂ O ₃で 98 kW/kg、 ²⁴⁴ Cm ₂ O ₃で 2.27 kW/kg であるにもかかわらず、自発核分裂率が 6.2 であるため、かなりの中性子束を放出するという欠点があります。 α崩壊によりそれぞれ×10 ^-6と1.4×10 ^-6となり、 ²³⁸ PuO ₂よりも数十倍重いシールドが必要となる。