Bugün öğrendim ki: 1977'den beri Voyager 1'e güç sağlamak için kullanılan Radyoizotop Termoelektrik Jeneratörler, 2020'de fırlatılan ve bugün hala Mars'ta aktif olan Mars Perseverance gezginine de güç sağlamak için kullanıldı.
Radyoaktif bozunmadan gelen ısıyı kullanan elektrik jeneratörü
Bir radyoizotop termoelektrik jeneratör (RTG, RITEG) veya radyoizotop güç sistemi (RPS), Seebeck etkisiyle uygun bir radyoaktif malzemenin bozunmasından açığa çıkan ısıyı elektrik enerjisine dönüştürmek için bir dizi termoçift kullanan bir tür nükleer pildir. Bu jeneratör türünün hareketli parçası yoktur ve parçaların aşınması veya arızalanma riski olmadan uzun süreli olarak uzak ve zorlu ortamlarda konuşlandırılmak için idealdir.
RTG'ler genellikle yakıt hücrelerinin, pillerin veya jeneratörlerin ekonomik olarak sağlayabileceğinden çok daha uzun süreler boyunca birkaç yüz watt (veya daha az) güce ihtiyaç duyan ve güneş pillerinin pratik olmadığı yerlerde, bakım gerektirmeyen durumlar için en uygun güç kaynağıdır. RTG'ler, uydularda, uzay sondalarında ve Kuzey Kutbu'nun içinde Sovyetler Birliği tarafından inşa edilen bir dizi deniz feneri gibi mürettebatsız uzak tesislerde güç kaynağı olarak kullanılmıştır. Bununla birlikte, Batı Bloğu, radyolojik bir kaza durumunda insanlara yönelik riskleri konusundaki endişeler nedeniyle bu şekilde RTG kullanmamıştır. [1]
RTG'lerin güvenli bir şekilde kullanılması, ünitenin verimli çalışma ömründen çok uzun bir süre sonra radyoizotopların hapsedilmesini gerektirir. RTG'lerin maliyeti, kullanımını nadir veya özel durumlarda niş uygulamalarla sınırlama eğilimindedir.
Tarih
[düzenle]
RTG, 1954 yılında Mound Laboratuvarları bilim insanları Kenneth (Ken) C. Jordan (1921–2008) ve John Birden (1918–2011) tarafından icat edildi. [2] [3] 2013 yılında Ulusal Mucitler Onur Salonuna alındılar. [4] [5] Jordan ve Birden, polonyum-210'u ısı kaynağı olarak kullanarak ısıyı doğrudan elektrik enerjisine dönüştürmek için radyoaktif malzemeler ve termoçiftler üzerinde araştırma yapmak üzere 1 Ocak 1957'de başlayan bir Ordu Sinyal Kolordu sözleşmesi (R-65-8-998 11-SC-03-91) üzerinde çalıştılar. RTG'ler, ABD'de 1950'lerin sonlarında, ABD Atom Enerjisi Komisyonu ile yapılan bir sözleşme kapsamında Ohio, Miamisburg'daki Mound Laboratuvarları tarafından geliştirildi. Proje Dr. Bertram C. Blanke tarafından yönetildi. [6]
ABD tarafından uzaya fırlatılan ilk RTG, 1961 yılında Donanma Transit 4A uzay aracında 96 gram plütonyum-238 metal ile çalışan SNAP 3B oldu. RTG'lerin ilk karasal kullanımlarından biri, 1966 yılında ABD Donanması tarafından Alaska'daki ıssız Fairway Rock'ta yapıldı. Bu yerde RTG'ler 1995 yılına kadar kullanıldı.
Yaygın bir RTG uygulaması uzay aracı güç kaynağıdır. Güneş panellerini pratik hale getirmeyen Güneş'ten çok uzaklara seyahat eden sondalar için çeşitli RTG tasarım nesilleri kullanılmıştır. Bu nedenle, Pioneer 10 ve 11; Voyager 1 ve 2; Galileo; Ulysses; Cassini; New Horizons için kullanılmışlardır ve Titan'a yapılacak Dragonfly görevi için planlanmıştır. RTG'ler ayrıca iki Viking iniş aracını güçlendirmek ve Apollo 12'den 17'ye kadar olan mürettebat tarafından Ay'a bırakılan bilimsel deneyler için (SNAP 27'ler) güneş panelleri yerine kullanılmıştır. Apollo 13 Ay inişi iptal edildiği için, RTG'si Tonga Çukuru yakınlarındaki Güney Pasifik Okyanusu'nda bulunmaktadır. [7] Curiosity ve Perseverance Mars gezgini tasarımları, önceki gezgin nesillerinde kullanılan güneş enerjili seçeneğe göre iniş alanlarında daha fazla esneklik ve daha uzun ömür sağlamak için RTG'leri seçti. [8] [9] RTG'ler ayrıca Nimbus, Transit ve LES uyduları için de kullanıldı. Karşılaştırıldığında, tam teşekküllü nükleer reaktörler kullanarak fırlatılan sadece birkaç uzay aracı vardır: Sovyet RORSAT serisi ve Amerikan SNAP-10A.
Uzay araçlarına ek olarak, Sovyetler Birliği, 1980'lerin sonlarına kadar Sovyet Arktik kıyısındaki mürettebatsız deniz fenerlerini ve navigasyon işaretlerini güçlendirmek için 1.007 RTG inşa etti. [10] Sovyetler Birliği'nde çok çeşitli amaçlar için birçok farklı RTG türü (Beta-M tipi dahil) inşa edildi. Deniz fenerleri, 1991'de Sovyetler Birliği'nin dağılmasından sonraki birçok yıl boyunca bakımsız bırakıldı. Bu süre zarfında bazı RTG üniteleri kayboldu - ya yağma ya da buz/fırtına/deniz'in doğal güçleri nedeniyle. [10] 1996 yılında, deniz fenerlerindeki RTG'leri devre dışı bırakmak için Rus ve uluslararası destekçiler tarafından bir proje başlatıldı ve 2021 yılına kadar tüm RTG'ler çıkarıldı. [10]
1992 itibariyle, Amerika Birleşik Devletleri Hava Kuvvetleri ayrıca uzaktan konumlandırılmış Arktik ekipmanlarını güçlendirmek için RTG'ler kullandı ve ABD hükümeti, dünya çapındaki uzak istasyonları güçlendirmek için yüzlerce böyle ünite kullandı. Başta Alaska'da bulunan Top-ROCC ve SEEK IGLOO radar sistemleri için algılama istasyonları RTG'ler kullanmaktadır. Üniteler stronsiyum-90 kullanır ve bu türden daha fazla sayıda ünite hem karada hem de okyanus tabanında uzay araçlarında kullanılmasına kıyasla daha fazla konuşlandırılmıştır; kamu düzenleyici belgeleri, ABD'nin 1970'ler ve 1980'ler boyunca en az 100-150 konuşlandırdığını öne sürmektedir. [12] [güncelleme gerekli]
Geçmişte, kalp pili implantlarında çok uzun bir "pil ömrü" sağlamak için küçük "plütonyum hücreleri" (çok küçük 238Pu ile çalışan RTG'ler) kullanılmıştır. [13] 2004 itibariyle yaklaşık doksanı hala kullanılıyordu. 2007 sonuna kadar sayının sadece dokuza düştüğü bildirildi. [14] Mound Laboratuvarı Kalp Pili programı, NUMEC ile birlikte 1 Haziran 1966'da başladı. [15] Isı kaynağının kremasyon sırasında sağlam kalmayacağının fark edilmesiyle, ünitelerin kullanıcıların bedenleriyle birlikte yakılmayacağından tamamen emin olmanın bir yolu olmadığı için program 1972'de iptal edildi.
Tasarım
[düzenle]
Nükleer teknoloji standartlarına göre bir RTG'nin tasarımı basittir: ana bileşen, radyoaktif bir malzemenin (yakıt) sağlam bir kapsayıcısıdır. Termoçiftler, kabın duvarlarına yerleştirilir ve her termoçiftin dış ucu bir ısı emiciye bağlanır. Yakıtın radyoaktif bozunması ısı üretir. Termoçiftlerin elektrik üretmesini sağlayan, yakıt ve ısı emici arasındaki sıcaklık farkıdır.
Bir termoçift, Seebeck etkisi kullanarak termal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilen termoelektrik bir cihazdır. İki tür metal veya yarı iletken malzemeden yapılır. Birbirlerine kapalı bir döngüde bağlanırlarsa ve iki bağlantı noktası farklı sıcaklıklardaysa, döngüde elektrik akımı akar. Tipik olarak, daha yüksek bir voltaj üretmek için çok sayıda termoçift seri olarak bağlanır.
RTG'ler ve fisyon reaktörleri çok farklı nükleer reaksiyonlar kullanır. Nükleer enerji reaktörleri (uzayda kullanılan minyatür olanlar dahil) kontrollü nükleer fisyonu bir zincir reaksiyonunda gerçekleştirir. Reaksiyon hızı nötron emici kontrol çubuklarıyla kontrol edilebilir, böylece güç talebe göre değiştirilebilir veya bakım için (neredeyse) tamamen kapatılabilir. Bununla birlikte, tehlikeli derecede yüksek güç seviyelerinde kontrolsüz çalışmadan veya hatta nükleer kazadan kaçınmak için dikkatli olunmalıdır. RTG'lerde zincir reaksiyonları oluşmaz. Isı, yalnızca yakıt izotopunun miktarına ve yarı ömrüne bağlı olarak ayarlanamayan ve sürekli azalan bir hızda kendiliğinden radyoaktif bozunma yoluyla üretilir. Bir RTG'de, ısı üretimi talebe göre değiştirilemez veya ihtiyaç duyulmadığında kapatılamaz ve güç tüketimini azaltarak daha fazla enerji daha sonra kullanılmak üzere saklanamaz. Bu nedenle, pik talebi karşılamak için yardımcı güç kaynaklarına (şarj edilebilir piller gibi) ihtiyaç duyulabilir ve fırlatma öncesi ve bir uzay görevinin erken uçuş aşamaları da dahil olmak üzere her zaman yeterli soğutma sağlanmalıdır. Nükleer erime veya patlama gibi muhteşem arızalar bir RTG ile imkansız olsa da, roket patlarsa, cihaz atmosfere yeniden girerse ve parçalanırsa, karasal RTG'ler fırtınalar veya mevsimsel buzlar tarafından hasar görürse veya vandalizm kurbanı olursa radyoaktif kontaminasyon riski hala vardır.
Gelişmeler
[düzenle]
Plütonyum-238 kıtlığı nedeniyle, alt kritik reaksiyonlar tarafından desteklenen yeni bir RTG türü önerildi. [16] Bu tür bir RTG'de, radyoizotoptan gelen alfa bozunması, berilyum gibi uygun bir elementle alfa-nötron reaksiyonlarında da kullanılır. Bu şekilde uzun ömürlü bir nötron kaynağı üretilir. Sistemin kritikliğinin 1'e yakın ancak 1'den az olması, yani Keff < 1 olması nedeniyle, nötron arka planını artıran ve fisyon reaksiyonlarından enerji üreten alt kritik bir çarpma elde edilir. RTG'de üretilen fisyon sayısı çok az olmasına rağmen (gama radyasyonlarını ihmal edilebilir hale getirir), her fisyon her alfa bozunmasından 30 kat daha fazla enerji açığa çıkardığı için (200 MeV'e karşılık 6 MeV), %10'a kadar enerji kazancı elde edilebilir, bu da görev başına gereken 238Pu'nun azaltılması anlamına gelir. Fikir, yıllık NASA NSPIRE yarışması için 2012 yılında NASA'ya önerildi ve bu da 2013 yılında Uygunluk çalışmaları için Idaho Ulusal Laboratuvarı'ndaki Uzay Nükleer Araştırma Merkezi'ne (CSNR) dönüştü. [17] [doğrulama başarısız] Ancak temel unsurlar değiştirilmemiştir.
RTG, gerçekçi yıldızlararası öncü görevler ve yıldızlararası sondalar için kullanılmak üzere önerilmiştir. [18] Bunun bir örneği, NASA'dan gelen Yenilikçi Yıldızlararası Kaşif (2003-günümüz) önerisidir. [19] Bu tür bir görev için 241Am kullanan bir RTG önerildi. 2002. [18] Bu, yıldızlararası sonda üzerinde 1000 yıla kadar görev uzantılarını destekleyebilir, çünkü 241Am, 238Pu'dan daha yavaş bozunur. [18] Çalışmada RTG için diğer izotoplar da incelendi ve watt/gram, yarı ömür ve bozunma ürünleri gibi özellikler incelendi. [18] 1999'dan kalma bir yıldızlararası sonda önerisi, üç gelişmiş radyoizotop güç kaynağının (ARPS) kullanılmasını önerdi. [20] RTG elektriği, sondalarda bilimsel enstrümanları ve Dünya ile iletişimi güçlendirmek için kullanılabilir. [18] İyon motorlarını güçlendirmek için elektrik kullanan bir görev, bu yönteme radyoizotop elektrik itme (REP) adını verdi. [18]
Kendi kendine indüklenmiş bir elektrostatik alana dayalı radyoizotop ısı kaynakları için bir güç artışı önerildi. [21] Yazarlara göre, beta kaynakları kullanılarak %5-10 oranında artışlar elde edilebilir.
Modeller
[düzenle]
Tipik bir RTG, radyoaktif bozunma ile çalışır ve termoelektrik dönüşümden elektrik üretir, ancak bilgi edinmek için bu konseptte bazı varyasyonları olan bazı sistemler burada yer almaktadır.
Uzay
[düzenle]
Bilinen uzay aracı/nükleer güç sistemleri ve kaderleri. Sistemler çeşitli kaderlerle karşı karşıyadır, örneğin Apollo'nun SNAP-27'leri Ay'a bırakıldı. [22] Diğer bazı uzay araçlarının da küçük radyoizotop ısıtıcıları vardır, örneğin Mars Keşif Gezginlerinin her birinin 1 watt'lık bir radyoizotop ısıtıcısı vardır. Uzay araçları farklı miktarlarda malzeme kullanır, örneğin MSL Curiosity 4.8 kg plütonyum-238 dioksit içerir. [23]
Ad ve model Kullanılan (kullanıcı başına RTG sayısı) Maksimum çıkış Radyoizotop Maksimum yakıt
kullanılan (kg) Kütle (kg) Güç/toplam kütle (W/kg) Güç/yakıt kütlesi (W/kg) Elektrik (W) Isı (W) MMRTG MSL/Curiosity gezgini, Perseverance/Mars 2020 gezgini ve Dragonfly (Fırlatılmadı) c. 110 c. 2.000 238Pu c. 4 <45 2.4 c. 30 GPHS-RTG Cassini (3), New Horizons (1), Galileo (2), Ulysses (1) 300 4.400 238Pu 7.8 55.9–57.8[24] 5.2–5.4 38 MHW-RTG LES-8/9, Voyager 1 (3), Voyager 2 (3) 160[24] 2.400[25] 238Pu c. 4.5 37.7[24] 4.2 c. 36 SNAP-3B Transit-4A (1) 2.7[24] 52.5 238Pu ? 2.1[24] 1.3 ? SNAP-9A Transit 5BN1/2 (1) 25[24] 525[25] 238Pu c. 1 12.3[24] 2.0 c. 30 SNAP-19 Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4), Pioneer 11 (4) 40.3[24] 525 238Pu c. 1 13.6[24] 2.9 c. 40 değiştirilmiş SNAP-19 Viking 1 (2), Viking 2 (2) 42.7[24] 525 238Pu c. 1 15.2[24] 2.8 c. 40 SNAP-27 Apollo 12–17 ALSEP (1) 73 1.480 238Pu[26] 3.8 20 3.65 19 (fisyon reaktörü) Buk (BES-5)** ABD-As (1) 3.000 100.000 yüksek oranda zenginleştirilmiş 235U 30 1.000 3.0 100 (fisyon reaktörü) SNAP-10A*** SNAP-10A (1) 600[27] 30.000 yüksek oranda zenginleştirilmiş 235U 431 1.4 ? ASRG**** prototip tasarım (fırlatılmadı), Discovery Programı c. 140 (2x70) c. 500 238Pu]] 1 34 4.1 c. 100
** aslında bir RTG değil, BES-5 Buk (БЭС-5) reaktörü, ısıyı doğrudan elektrik enerjisine dönüştürmek için yarı iletkenlere dayalı termoçiftler kullanan hızlı bir reaktördü [28] [29]
*** aslında bir RTG değil, SNAP-10A zenginleştirilmiş uranyum yakıt, zirkonyum hidrür bir moderatör, sıvı sodyum potasyum alaşımı soğutucu kullandı ve berilyum reflektörlerle aktive veya devre dışı bırakıldı [27] Reaktör ısısı, elektrik üretimi için bir termoelektrik dönüşüm sistemine beslendi. [27]
**** aslında bir RTG değil, ASRG, büyük bir radyoizotop ısıtıcı ünite tarafından çalıştırılan bir Stirling güç cihazı kullanır (Stirling radyoizotop jeneratörüne bakın)
Karasal
[düzenle]
Ad ve model Kullanım Maksimum çıkış Radyoizotop Maksimum yakıt
kullanılan (kg) Kütle (kg) Elektrik (W) Isı (W) Beta-M Eski Sovyet mürettebatsız
deniz fenerleri ve işaretleri 10 230 90SrTiO3[30] 0.26 560 Efir-MA 30 720 ? ? 1.250 IEU-1 80 2.200 90Sr ? 2.500 IEU-2 14 580 ? ? 600 Gong 18 315 ? ? 600 Gorn 60 1.100 ? ? 1.050 IEU-2M 20 690 ? ? 600 IEU-1M 120 (180) 2.200 (3.300) 90Sr ? 2(3) × 1.050 Sentinel 25[31] Uzak ABD Arktik izleme istasyonları 9–20 SrTiO3 0.54 907–1.814 Sentinel 100F[31] 53 Sr2TiO4 1.77 1.234 RIPPLE X[32] Şamandıralar, Deniz fenerleri 33[33] SrTiO3 1.500 Miliwatt RTG[34] İzin Verici Eylem Bağlantısı güç kaynağı 4–4.5 238Pu ? ?
Yakıtlar
[düzenle]
RTG'lerde kullanılan radyoaktif malzemenin birkaç özelliği olmalıdır: [35]
Yarı ömrü, makul bir süre boyunca nispeten sabit bir hızda enerji açığa çıkaracak kadar uzun olmalıdır. Belirli bir miktarın zaman birimi başına açığa çıkan enerji miktarı (güç), yarı ömre ters orantılıdır. Yarı ömrü iki kat daha uzun ve bozunma başına aynı enerjiye sahip bir izotop, mol başına güç üretimini yarı oranında açığa çıkarır. Bu nedenle, RTG'lerde kullanılan radyoizotoplar için tipik yarı ömürler birkaç on yıldır, ancak daha kısa yarı ömre sahip izotoplar özel uygulamalar için kullanılabilir.
Uzay uçuşu kullanımı için, yakıt kütle ve hacim başına (yoğunluk) büyük miktarda güç üretmelidir. Yoğunluk ve ağırlık, boyut kısıtlamaları olmadıkça karasal kullanım için o kadar önemli değildir. Radyoaktif radyasyonun enerjisi veya radyoaktif bozunmadan önce ve sonra kütle kaybı biliniyorsa, bozunma başına enerji salınımı hesaplanabilir. Bozunma başına enerji salınımı, mol başına güç üretimiyle orantılıdır.
Radyasyonun, tercihen alfa radyasyonu olmak üzere, kolayca emilip termal radyasyona dönüştürülebilen bir tür olması gerekir. Beta radyasyonu, bremsstrahlung ikincil radyasyon üretimi yoluyla önemli miktarda gama/X ışını radyasyonu yayabilir ve bu nedenle ağır kalkanlama gerektirir. İzotoplar, diğer bozunma modları veya bozunma zinciri ürünleri aracılığıyla önemli miktarlarda gama, nötron radyasyonu veya genel olarak nüfuz eden radyasyon üretmemelidir. [6]
İlk iki kriter, tüm nükleid tablosundaki otuzdan az nüklid sayısını sınırlamaktadır. [35]
Plütonyum-238, küriyum-244, stronsiyum-90 ve en son olarak amerisyum-241 en sık alıntılanan aday izotoplardır, ancak yaklaşık 1.300'den 43 izotop daha 1950'lerin başlarında ele alınmıştır. [6]
Aşağıdaki tablo, saf malzeme için değil, kimyasal olarak inert bir form için güç yoğunlukları vermez. Aktinitler için bu, oksitlerinin genellikle yeterince inert olduğu (ve kararlılıklarını daha da artırarak seramiklere dönüştürülebileceği) için çok önemli değildir, ancak sırasıyla sezyum veya stronsiyum gibi alkali metaller ve toprak alkali metaller için nispeten karmaşık (ve ağır) kimyasal bileşikler kullanılmalıdır. Örneğin, stronsiyum RTG'lerde genellikle stronsiyum titanat olarak kullanılır ve bu da molar kütleyi yaklaşık 2 faktörüyle artırır. Ayrıca, kaynağa bağlı olarak izotopik saflık elde edilemeyebilir. Harcanmış nükleer yakıttan çıkarılan plütonyum, düşük oranda Pu-238 içerir, bu nedenle RTG'lerde kullanılmak üzere plütonyum-238 genellikle neptünyum-237'nin nötron ışınlamasıyla özel olarak üretilir ve bu da maliyetleri daha da artırır. Fisyon ürünlerindeki sezyum, neredeyse eşit miktarlarda Cs-135 ve Cs-137 artı önemli miktarlarda kararlı Cs-133 ve "genç" harcanmış yakıt içinde kısa ömürlü Cs-134 içerir. Maliyeti yüksek ve zaman alıcı bir işlem olan izotop ayırmadan kaçınılması gerekiyorsa, bu da dikkate alınmalıdır. Tarihsel olarak RTG'ler oldukça küçük olmuştur, ancak teorik olarak RTG'lerin megawatt termal güç aralığına ulaşmasını engelleyen hiçbir şey yoktur. Bununla birlikte, bu tür uygulamalar için aktinitler, daha hafif radyoizotoplardan daha az uygundur, çünkü kritik kütle, bu miktarlarda güç üretmek için gereken kütlenin çok altındadır. Sr-90, Cs-137 ve diğer daha hafif radyonüklitler hiçbir koşulda nükleer zincir reaksiyonunu sürdüremez, bu nedenle yeterli miktarda malzeme üretilebilirse, keyfi boyut ve güce sahip RTG'ler bunlardan monte edilebilir. Genel olarak, bu kadar büyük ölçekli RTG'ler için potansiyel uygulamalar daha çok küçük modüler reaktörler, mikro reaktörler veya nükleer olmayan güç kaynaklarının alanına girmektedir.
Malzeme Kalkanlama gereksinimi Güç yoğunluğu (W/g) Yarı ömür (yıl) 238Pu Düşük 0.54 0.54 87.7 87.7 90Sr Yüksek 0.95 0.95 28.8 28.8 210Po Düşük 140 140 0.378 0.378 241Am Orta 0.114 0.114 432 432
238Pu
[düzenle]
Plütonyum-238, 87.7 yıllık bir yarı ömüre, gram başına 0.57 watt'lık makul bir güç yoğunluğuna [36] ve olağanüstü düşük gama ve nötron radyasyon seviyelerine sahiptir. 238Pu'nun kalkanlama gereksinimleri en düşüktür. Sadece üç aday izotop son kriteri karşılar (yukarıda hepsi listelenmemiştir) ve radyasyonu engellemek için 25 mm'den az kurşun kalkanlamaya ihtiyaç duyar. <238Pu (bu üçünün en iyisi) 2.5 mm'den az ve birçok durumda, 238Pu RTG'sinde hiçbir kalkanlamaya ihtiyaç duyulmaz, çünkü gövde kendi başına yeterlidir. 238Pu, plütonyum(IV) oksit (PuO2) formunda RTG'ler için en yaygın kullanılan yakıt haline gelmiştir. [37] Bununla birlikte, doğal bollukta oksijen içeren plütonyum(IV) oksit, yaklaşık 2.3×103 n/sn/g 238Pu oranında nötron yayar. Bu emisyon oranı, plütonyum-238 metalinin nötron emisyon oranına göre nispeten yüksektir. Hafif element kirliliği içermeyen metal, yaklaşık 2.8×103 n/sn/g 238Pu yayar. Bu nötronlar, 238Pu'nun kendiliğinden fisyonu tarafından üretilir.
Metal ve oksidin emisyon oranlarındaki fark, esas olarak oksitteki oksijen-18 ve oksijen-17 ile alfa, nötron reaksiyonundan kaynaklanmaktadır. Doğal formda bulunan normal oksijen-18 miktarı %0.204 iken oksijen-17 miktarı %0.037'dir. Plütonyum dioksitinde bulunan oksijen-17 ve oksijen-18'in azaltılması, oksit için çok daha düşük bir nötron emisyon oranı sağlayacaktır; bu, gaz fazlı 16O2 değişim yöntemi ile gerçekleştirilebilir. Hidroksit olarak çökeltilmiş düzenli 238PuO2 partikül üretim partileri, büyük üretim partilerinin rutin olarak etkili bir şekilde 16O2 ile değiştirilebileceğini göstermek için kullanıldı. Yüksek ateşlenmiş 238PuO2 mikroküreler başarıyla 16O2 ile değiştirilerek, bir değişimin 238PuO2'nin önceki ısı işlem geçmişinden bağımsız olarak gerçekleşeceği gösterilmiştir. [38] PuO2'nin normal oksijen içeren nötron emisyon oranındaki bu beş faktörlü düşüş, kısmen Mound Laboratuvarı'nın 1960'ta başlayan kararlı izotop üretimi deneyimi nedeniyle, 1966'da Mound Laboratuvarı'ndaki kalp pili araştırması sırasında keşfedildi. Büyük ısı kaynaklarının üretimi için, bu işlem olmadan gerekli kalkanlama çok fazla olurdu.
Bu bölümde ele alınan diğer üç izotoptan farklı olarak, 238Pu özel olarak sentezlenmelidir ve nükleer atık ürünü olarak bol değildir. Şu anda yalnızca Rusya yüksek hacimli üretimi sürdürürken, ABD'de 2013 ve 2018 yılları arasında toplamda 50 g'dan (1,8 ons) fazla üretilmedi. [40] İlgili ABD kurumları, malzemenin yıllık 300 ila 400 gram (11 ila 14 ons) oranında üretimine başlamak istiyor. Bu plan finanse edilirse, hedef, 2025 yılına kadar ortalama yılda 1,5 kg (3,3 lb) üretmek için otomasyon ve ölçeklendirme süreçlerini kurmaktır. [41] [40]
90Sr
[düzenle]
Stronsiyum-90, Sovyetler Birliği tarafından karasal RTG'lerde kullanılmıştır. 90Sr, hızla tekrar β-bozunmasına uğrayan 90Y'ye β− bozunmasıyla bozunur. 238Pu'dan daha düşük bir bozunma enerjisine sahiptir, ancak 28.8 yıllık daha kısa yarı ömrü ve daha düşük atom ağırlığı, saf metal için gram başına 0.95 watt'lık bir güç yoğunluğu sağlar. [42] 90Sr çok reaktif bir toprak alkali metal ve kalsiyuma kimyasal benzerliği nedeniyle kemik dokusunda biriken bir "kemik arayıcı" olduğu için (kemiklere girdikten sonra hızla bölünen bir doku olan kemik iliğini önemli ölçüde hasar verebilir), RTG'lerde genellikle saf halde kullanılmaz. En yaygın form, kimyasal olarak neredeyse inert olan ve yüksek bir erime noktasına sahip perovskit stronsiyum titanattır (SrTiO3). Mohs sertliği 5.5 olan bu malzeme, elmas taklit maddesi olarak uygun olmasa da, tozun çok ince bir şekilde dağılması olmadan kalkanlamasından kazara salınmanın bazı formlarına dayanacak kadar sertliğe sahiptir. Yerli metal yerine SrTiO3 kullanmanın dezavantajı, malzemenin TiO3 kısmının herhangi bir bozunma ısısı üretmediği için güç yoğunluğunu azaltmasıdır. 90Sr, hem 235U hem de 239Pu'nun fisyonunda yüksek bir fisyon ürünü verimine sahiptir ve bu nedenle harcanmış nükleer yakıttan çıkarılırsa nispeten düşük bir fiyata büyük miktarlarda mevcuttur. [42] Oksitten veya yerli metalden başlayarak, SrTiO3 elde etmenin bir yolu, onu sulu çözeltide stronsiyum hidroksit haline getirmektir; bu, havadan karbon dioksit emerek daha az çözünür stronsiyum karbonat haline gelir. Stronsiyum karbonatın yüksek sıcaklıkta titanyum dioksit ile reaksiyonu, istenen stronsiyum titanatı artı karbon dioksit üretir. İstenirse, stronsiyum titanat ürünü daha sonra sinterleme yoluyla seramik benzeri bir agrega halinde oluşturulabilir.
210Po
[düzenle]
ABD Atom Enerjisi Komisyonu tarafından 1958'de ilk olarak inşa edilen bazı prototip RTG'ler, polonyum-210 kullanmıştır. Bu izotop, yüksek bozunma hızı nedeniyle olağanüstü bir güç yoğunluğu sağlar (saf 210Po 140 W/g yayar), ancak çok kısa 138 günlük yarı ömrü nedeniyle sınırlı kullanıma sahiptir. 0.5 gramlık bir 210Po örneği 500 °C'nin (900 °F) üzerindeki sıcaklıklara ulaşır. [43] 210Po saf bir alfa yayıcıdır ve önemli miktarda gama veya X ışını radyasyonu yaymadığı için, kalkanlama gereksinimleri 238Pu ile aynıdır. Kısa yarı ömür, kazara ortama salınmanın bir endişe konusu olduğu süreyi de azaltırken, polonyum-210 yutulursa son derece radyotoksiktir ve kimyasal olarak inert formlarda bile önemli ölçüde zarar verebilir, bu formlar sindirim sisteminden "yabancı cisim" olarak geçer. Yaygın bir üretim yolu (kazara veya kasıtlı olsun), bizmutun tek doğal olarak oluşan izotopu olan 209Bi'nin nötron ışınlamasıdır. Sıvı metal reaktörlerde soğutucu olarak kurşun-bizmut ötektiğinin kullanımına karşı bir argüman olarak bu kazara üretim gösterilmektedir. Bununla birlikte, polonyum-210 için yeterli bir talep varsa, tritiyumun CANDU'lardaki ağır su moderatöründen ekonomik olarak nasıl geri kazanıldığına benzer şekilde, ekstraksiyonu değerli olabilir.
241Am
[düzenle]
Amerisyum-241, 238Pu'dan çok daha fazla mevcudiyete sahip bir aday izotoptur. 241Am'nin 432 yıllık bir yarı ömrü olmasına rağmen, bu 238Pu'nun yaklaşık beş katıdır ve teorik olarak yüzyıllarca bir cihazı çalıştırabilir, 10 yıldan fazla süren görevler 2019 yılına kadar araştırmanın konusu değildi. [44] 241Am'nin güç yoğunluğu 238Pu'nun sadece dörtte biridir ve 241Am, 238Pu'dan daha fazla nüfuz eden radyasyon üretir ve daha fazla kalkanlamaya ihtiyaç duyar. Bir RTG'deki kalkanlama gereksinimleri üçüncü en düşük seviyededir: sadece 238Pu ve 210Po daha azına ihtiyaç duyar. Mevcut küresel 238Pu kıtlığıyla [45], 241Am, ESA tarafından RTG yakıtı olarak inceleniyor [44] [46] ve 2019'da İngiltere'nin Ulusal Nükleer Laboratuvarı kullanılabilir elektrik üretimini duyurdu. [47] 238Pu'ya göre bir avantaj, nükleer atık olarak üretilmesidir ve neredeyse izotopik olarak saf haldedir. 241Am RTG'lerinin prototip tasarımları, 5-50 We RTG tasarımları için 2-2,2 We/kg beklemektedir, ancak pratik testler yalnızca 1,3-1,9 We'nin elde edilebileceğini göstermektedir. [44] Amerisyum-241 şu anda küçük miktarlarda ev tipi duman dedektörlerinde kullanılıyor ve bu nedenle taşınması ve özellikleri iyi biliniyor. Bununla birlikte, aktinitler arasında en kimyasal olarak hareketli olan neptünyum-237'ye bozunur.
250Cm
[düzenle]
Küriyum-250, öncelikle kendiliğinden fisyon yoluyla bozunan en düşük atom numarasına sahip izotoptur; bu işlem, alfa bozunmasından çok daha fazla enerji açığa çıkarır. Plütonyum-238 ile karşılaştırıldığında, küriyum-250'nin güç yoğunluğu yaklaşık dörtte biri, ancak yarı ömrü 95 kat daha fazladır (~8300 yıl'a karşılık ~87 yıl). Nötron yayıcı olduğu için (kaliforniyum-252'den daha zayıf ancak ihmal edilemez), bazı uygulamalar nötron radyasyonuna