Астронавт Марк Уотни и РИТЭГ

[tnenergy.livejournal.com]

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.

Comments

[radist-morse.livejournal.com]

В СССР для питания необслуживаемых маяков использовали аналогичную штуку, но там была опасная зона около 100 метров радиусом. Я на нее посмотрел на одном из островов в Финском заливе.

[tnenergy.livejournal.com]

Тоже про них немного написал http://tnenergy.livejournal.com/23065.html

[radist-morse.livejournal.com]

Спасибо за ссылку.

[22sobaki.livejournal.com]

>разогреваясь в генераторе до 1000 С

А на поверхности радиатора какая температура?

[tnenergy.livejournal.com]

Для GPHS-RTG расчетная в вакууме 523К. Для MMRTG точно не знаю, но думаю примерно столько же.

[22sobaki.livejournal.com]

В ровере по идее температура радиатора была выше, чем +250?
Хотя нет, не факт, в ровере же помимо излучения еще и конвекция.

[22sobaki.livejournal.com]

В районе +110 у меня получилось. В общем, масляный радиатор.

[fixik-papus.livejournal.com]

В мою бытность на северах рассказывали мне байку.
Что два ушлых товарища, прознав, что в бакенах стоит нечто "интересное" и его наверняка можно продать - сперли бакен, разобрали и решили вывезти РИТЭГ. По ходу разборки расковыряли защитные элементы.
Оба померли в течение суток

(это только байка, достоверность вызывает очевидные сомнения)

[karlson-rwa.livejournal.com]

К сожалению нет: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BF%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80#.D0.98.D0.BD.D1.86.D0.B8.D0.B4.D0.B5.D0.BD.D1.82.D1.8B_.D1.81_.D0.A0.D0.98.D0.A2.D0.AD.D0.93_.D0.BD.D0.B0_.D1.82.D0.B5.D1.80.D1.80.D0.B8.D1.82.D0.BE.D1.80.D0.B8.D0.B8_.D0.A1.D0.9D.D0.93

[fixik-papus.livejournal.com]

Фига се!

Вредно прогуливать физику в школе

[boud.livejournal.com]

Вот тут можно по странице поискать - там много всякого. (http://nuclearpeace.jimdo.com/%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B5-%D0%B7%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5/%D1%81%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B0%D0%B8-%D0%BE%D0%B1%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F-%D0%BE%D1%82-%D0%B1%D0%B5%D1%81%D1%85%D0%BE%D0%B7%D0%BD%D1%8B%D1%85-%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D1%85-%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2/)

[fixik-papus.livejournal.com]

Мда... аж три случая.
Вот вам и байка

[afirsov.livejournal.com]

> чисто теоретически, от нейтронной части можно заэкранироваться сантиметром-другим полиэтилена (лучше борированного).

По книге "марсианин" сунул радиоизотопный источник в емкость с водой.

[prostak-1982.livejournal.com]

Это когда он его использовал во второй раз. У него не хватало электричества на дальние переходы, поэтому он решил прогонять воздух из регенератора через ванну с РИТЭГом. Когда он ездил за старым сломанным радиопередатчиком, он просто грелся от РИТЭГа.

[biglebowsky.livejournal.com]

По книге, такая штуковина "захоранивалась" в грунте.
Что там, на Марсе, с теплопроводностью грунта? Хватит ли этой теплопроводности, чтобы РИТЭГ не перегрелся?

[siron-nsk.livejournal.com]

По фильму тоже.
Они неглубоко закапывали. Ну и грунт, мягко говоря, холодный.

[biglebowsky.livejournal.com]

Re: "Ну и грунт, мягко говоря, холодный."

В начале процесса - да.

[siron-nsk.livejournal.com]

А потом?

[prostak-1982.livejournal.com]

Интересно. На Марсе какая-никакая атмосфера есть. Уотни все время жалуется, что там очень холодно. Что мешало вместо полупроводниковых термоэлементов использовать какую-нибудь паровую машину? Для единичного эксклюзивного образца можно было бы расстараться и изготовить по высшему разряду, что заметно подняло бы общее КПД комплексной энергоустановки.

[tnenergy.livejournal.com]

NASA в свое время разрабатывало ASRG - генератор стирлинга на базе 2 GPHS. Не понятно, почему на марсе не он.

http://www.youtube.com/watch?v=dizf5OanlzY

[prostak-1982.livejournal.com]

Так и я об том же.

[koshovske.livejournal.com]

В фильме "Как я провел этим летом" РИТЭГ также используется для обогрева. С печальным исходом...
Фильм шикарен съемками пейзажей и драмой вокруг табуретки.

[djanik-k.livejournal.com]

Спасибо за интересный материал!)