Energia jądrowa może być wykorzystana w bardzo niewielkich urządzeniach, jak baterie elektryczne. Wydajne i długożyciowe baterie są potrzebne do prowadzenia badań planet i przestrzeni kosmicznej, ale także do zasilania tzw. rozruszników serca, z których korzystają ludzie z poważnymi wadami serca. W tym celu już od roku 1961 budowane są promieniotwórcze układy zasilania. Istnieją dwa rodzaje takich układów: promieniotwórcze generatory termoelektryczne, w których ciepło rozpadu promieniotwórczego np. 238Pu (0.56 W/g) ogrzewa złącze półprzewodnikowe typu p-n (termoparę) oraz termojonowe promieniotwórcze generatory mocy, w których ciepło z rozpadu promieniotwórczego wykorzystywane jest do wytworzenia różnicy potencjałów pomiędzy metalicznymi elektrodami. Ponadto buduje się małe reaktory jądrowe z konwerterami termoelektrycznymi lub termojonowymi, które wykorzystuje się do różnych celów w statkach kosmicznych, np. do napędu tych statków.
Rys. 17.1 Schemat konwertera termoelektrycznego
W typowej termoparze wykorzystuje się tzw. efekt Seebecka, tj. powstawanie napięcia na złączu dwóch różnych metali, znajdującym się w temperaturze innej niż końce przewodów. Natężenia prądów wytwarzanych w ten sposób są bardzo małe, rzędu miliamperów. Jeśli jednak podgrzeje się złącze półprzewodnikowe wykonane z półprzewodników typu n i p, prąd elektryczny popłynie przez oba półprzewodniki w kierunku zimnych końców połączonych odbiornikiem. Oznacza to, że w obwodzie elektrycznym popłynie prąd. Takie urządzenie może wytwarzać prąd o natężeniu rzędu dziesiątków amperów, płynący pod małym napięciem (ułamka wolta). Źródłem ciepła może być, jak wspomnieliśmy przed chwilą,odpowiednie źródło promieniotwórcze, z reguły tlenek jakiegoś izotopu, np. 238Pu lub 210Po. Idea ogniwa termoelektrycznego przedstawiona jest na rys. 17.1. Łącząc kilka ogniw można stworzyć "stos" - termoogniwo ogrzewane ciepłem z rozpadu jąder promieniotwórczych. Moc wytwarzana w większej mocy generatorach termoelektrycznych może osiągać kilkaset watów, tak więc generatory tego typu były i są używane w różnych misjach satelitarnych. Zauważmy, że taki radioizotopowy generator termoelektryczny nie ma żadnych części ruchomych, nie wymaga specjalnej obsługi i może pracować wiele lat często w trudnych warunkach. Nic więc dziwnego, że w najbardziej znanych amerykańskich misjach satelitarnych, jak Apollo, Pioneer, Viking, Voyager, Galileo i Ulysses, a także w satelitach wojskowych używano tego typu generatorów. Generatory na sondzie Voyager pracują już od dwudziestu kilku lat i będą pracować zapewne drugie tyle. Również sondy, które lądowały na Marsie (Viking i Rover) były zasilane z tego typu generatorów. Sonda Cassini podążająca do Saturna miała na swym pokładzie trzy radioizotopowe generatory termoelektryczne o łącznej mocy 870 W.
Rys. 17.2 Schemat układu GPHS-RTG dla sondy Cassini1
Generatory te, o mocy 290 W, wykorzystują osiemnaście jednostek GHPS (od ang. General Purpose Heat Source) do generatora o mocy 290 W i znane są pod nazwą GHPS RTG (skrót RTG od ang. Radioisotope Thermoelectric Generator). Ich schemat przedstawia rys. 17.2. Jednostka GHPS może z kolei zasilać generator radioizotopowy Stirlinga (SRG od Stirling Radioisotope Generator), w którym gorąca część konwertera Stirlinga osiąga temperaturę 650oC, ogrzewany hel porusza tłok w rozruszniku, a ciepło jest odbierane na zimnym końcu generatora. Prąd zmienny przekształcany jest następnie w prąd stały. Moc takiego urządzenia może wynosić 55 W. Tego typu silnik produkuje niemal czterokrotnie więcej energii elektrycznej z tej samej ilości plutonu niż RTG. Stąd też z układem SRG wiąże się duże nadzieje.
Radioizotopowe generatory termoelektryczne niewielkiej mocy cieplnej (ok. 1 W), korzystające z 238Pu są także stosowane w satelitach do utrzymywania odpowiedniej temperatury przyrządów pokładowych.
Materiał promieniotwórczy w radioizotopowych generatorach termoelektrycznych musi spełniać kilka warunków, a więc musi być długożyciowy na tyle, aby mógł dostarczać energii przez potrzebny czas działania generatora, a jednocześnie na tyle krótki, aby dostarczał znaczącej ilości ciepła. Jeśli generator ma służyć podróżom w Kosmosie, paliwo powinno móc wytwarzać znaczącą ilość energii na jednostkę masy i objętości. Gęstość materiału, jak i jego objętość nie są z reguły istotne dla zastosowań na Ziemi. Z obu powyższych względów preferowane są 238Pu, 244Cm i 90Sr, choć rozważa się także takie izotopy, jak 147Pm 137Cs, 144Ce, 106Ru, 60Co, 242Cm oraz izotopy tulu. Przenikliwość promieniowania emitowanego przez izotop powinna być jak najmniejsza, co preferuje korzystanie z emiterów alfowych. Niekorzystnym promieniowaniem jest tu na pewno promieniowanie gamma (z reguły towarzyszy emiterom β) czy neutronowe. Spośród wszystkich wymienionych wyżej izotopów 238Pu ma najlepsze własności: przed jego promieniowaniem łatwo się osłaniać, a okres połowicznego zaniku jest długi (87,7 lat). Z tego właśnie względu materiałem promieniotwórczym jest często dwutlenek plutonu. Robiono także próby wykorzystania 210Po, który charakteryzuje się bardzo wysoką gęstością energii, ma jednak dość krótki czas życia i stosunkowo wysoką emisję promieniowania gamma.
W wypadku konwertera termojonowego, którego schemat działania przedstawiony jest na rys. 17.3, ogrzewanie katody pozwala elektronom pokonać tzw. pracę wyjścia i opuścić powierzchnię katody.
Rys. 17.3 Schemat ogniwa termojonowego
Elektrony poruszają się w kierunku zimniejszej płyty anody, na której się zbierają, co z kolei powoduje powstanie różnicy potencjałów pomiędzy dwiema elektrodami. Odległość między nimi wynosi typowo 0,02 - 0,05 cm. W wyniku tego procesu w przyłączonym do elektrod obwodzie może popłynąć prąd. Warunkiem koniecznym działania takiego układu jest aby praca wyjścia elektronów z katody była mniejsza od pracy wyjścia elektronów z anody.
Podobnie, jak w poprzednim urządzeniu, do grzania katody wykorzystywane jest ciepło z rozpadu promieniotwórczego. Jeśli chce się wytwarzać większą ilość energii elektrycznej, źródłem ciepła może być podgrzane w małym reaktorze jądrowym chłodziwo. Jako źródeł promieniotwórczych używa się izotopów emitujących promieniowanie β o niskiej energii, jak tryt, 63Ni, 99Tc, 238Pu lub 147Pm. Niskie energie są konieczne aby zapobiec powstawaniu promieniowania hamowania (Bremsstrahlung), gdyż jego obecność pociągałaby konieczność stosowania dodatkowych osłon biologicznych. Poza tym okres rozpadu stosowanych izotopów powinien być na tyle długi, aby taka bateria atomowa nie straciła w krótkim czasie swojej mocy.
Układy termojonowe charakteryzuje zwarta struktura i zazwyczaj niezbyt wielka moc (do około 20 miliwatów) oraz napięcia od ułamka do kilku woltów, typowe dla baterii. Baterie atomowe mogą wyprodukować dużo więcej energii niż baterie chemiczne i są w stanie pracować przez dziesiątki lat. Niestety, dużą niedogodnością jest niewielka sprawność (około 0,1 - 5%) i mała wydajność rzędu nano- lub mikrowatów na cm2, podczas gdy baterie konwencjonalne osiągają wydajność kilku W/cm2.
Nie oznacza to, że tego konwerterów termojonowych nie można wykorzystać do zasilania nawet statków kosmicznych czy satelitów. W USA realizowane są obecnie programy mające na celu stworzenie generatorów (reaktorów termojonowych) o mocy 120 kWe i czasie życia 10 000 - 20 000 godzin. Temperatura na powierzchni gorącego emitera osiąga 1800 K, co prowadzi do gwałtownego odparowywania elektronów. Temperatura zimnego kolektora to typowo 1000 K. W zasadzie mamy tu do czynienia z silnikiem elektrycznym, w którym elektrony tworzą jakby ciecz roboczą. Jednakże przenoszenie ciepła między emiterem i kolektorem, rozkład elektrycznego ładunku przestrzennego między elektrodami, a także straty energii powodują, że silnik taki nie jest dokładnie opisywany cyklem Carnota.
Pewną odmianą baterii atomowej jest bateria betawoltaiczna. W takiej baterii miejsce elektrody zbierającej zajmuje złącze p-n. Emiter promieniowania beta powoduje wytwarzanie w półprzewodniku par elektron-dziura, a gromadzenie się tych par wywołuje powstanie siły elektromotorycznej, podobnie jak w ogniwie fotowoltaicznym. Tego typu bateria, pracująca na trycie okazała się stosunkowo wydajna i może służyć jako źródło zasilania np. do rozruszników serca.
Oprócz napędu chemicznego wydaje się, że powinno korzystać się z baterii słonecznych, jako że energia ze Słońca jest najłatwiej dostępna. Tak jednak nie jest i nie w każdych warunkach można myśleć o korzystaniu z tej energii, szczególnie gdy znaczna część lotu przebiega w warunkach ciemności. W wypadku misji międzyplanetarnych należy mieć na uwadze, że wielkość potrzebnej energii zależy od tego, czy myślimy o starcie rakiety i jej sterowaniu, czy o zasilaniu systemów telekomunikacyjnych, ogrzewaniu lub chłodzeniu, czy też o badaniach prowadzonych na pokładzie. Do chwili obecnej napęd chemiczny jest wykorzystywany do startu rakiety. Jeśli potrzeba nam takiego napędu tylko przez kilka godzin, możemy korzystać z mocy do ok. 60 MW, jednak gdy misja trwa miesiąc, moc użyteczna obniża się do poziomu kilowata lub mniej. Moc wytwarzana przez baterie słoneczne, to 10 - 50 kW. Przy misjach dłuższych od kilku miesięcy musimy korzystać już z napędu jądrowego. Tam, gdzie wystarcza nam moc niższa od ok. 5 kW najpraktyczniejszymi okazują się napędy korzystające ze źródeł promieniotwórczych. Są więc one szczególnie użyteczne dla telekomunikacji oraz zasilania systemów pomiarowych. Tam, gdzie potrzebne są większe moce, nawet do 100 MW, reaktor jądrowy staje się niezbędny.
1 Wg http://wikipedia.com
