Хотел написать небольшую заметку про то, что такое РИТЭГ и где он обитает. Но небольшой заметки не вышло.

Наливайте кофе и устраивайтесь поудобнее. Нас ждут великие физики, холодные снега и далёкий космос.

Провода не дёргать. Болты не откручивать. Медведей не кормить.

Начать рассказ нам придётся издалека. В этой заметке будет (не)много физики и чуточку истории, но лезть глубоко в дебри мы не станем. А дальше будет много техники, хорошей и разной. С фотографиями!

Если не нравится физика (а зря) — пролистывайте к атомным маякам. А если и снег тоже не любите — то можете листать ещё дальше, там будет просто космос.

Поговорить-то здесь есть о чём.

Физики, опыт, два металла

Итак, начать следует с того, что немецкий физик Томас Иоганн Зеебек (отец другого физика Зеебека, но уже Августа) открыл в 1821 году эффект имени себя.

Если построить замкнутую электрическую цепь из последовательно соединённых разнородных (сделанных из разных металлов) проводников и обеспечить им разность температур, нагрев или остудив один из них, то в цепи возникнет ток.

Такой ток называется термоэлектрическим, а полученное устройство — термопарой.

Если проводники будут из одинакового металла, то магии не получится — электрические напряжения между концами термопары попросту взаимно уравновесятся.

Хотя существуют наноразмерные термопары, которые обходят это ограничение одним интересным способом, но о них как-нибудь в другой раз.

Зеебек полагал, что под действием разности температур металлы каким-то образом намагничиваются (появляется некий “свободный магнетизм”), а электрический ток тут вообще ни при чём.

Но возникающий в этом процессе ток потом заметил французский физик Жан Шарль Пельтье, именем которого назван обратный эффект.

Правда, он тоже объяснил физику процесса не совсем верно — связал его вообще не с термоэлектричеством, а с твёрдостью и электрическим сопротивлением проводников. Пельтье очень нравилась идея о том, что в разных проводниках тепло выделяется по-разному, а потому он с радостью применил её и здесь.

В итоге правильно понял, что вообще происходит, российский физик Эмилий Христианович Ленц. Он провёл опыт с двумя стержнями из висмута и сурьмы — спаял их вместе, капнул водой в углубление на стыке и начал прогонять электрический ток туда-сюда. При одном направлении тока капля замерзала, а при другом — оттаивала обратно.

Зафиксируем: На стыке двух разных проводников (в термопаре он называется спай), в зависимости от направления тока может выделяться или поглощаться тепло (теперь уже точно, Ленц подтверждает).

Такой вот получился термоэлектрический интернационал.

Кстати, а что они так долго думали-то? Эх, тоже мне, учёные. Дело-то плёвое, возьми два разных штыря и соедини между собой, потом один конец нагревай, а другой остужай да получай ток. Зачем тут сразу три физика?

Ну, вся штука в том, что простота обманчива. Появление термоэлектричества (а вернее сказать, термоЭДС — электродвижущей силы) это довольно сложный процесс.

Смотрите — мы уже поняли, что в одном контакте нашей термопары выделяется тепло, а другим контактом оно поглощается. Назовём его теплотой Пельтье.

Выше упоминали закон Джоуля — Ленца.

Его суть в том, что при прохождении тока через проводник (не важно, в каком направлении) он сопротивляется, а потому часть тока превращается в тепло (и чем больше сопротивление, тем выше будет нагрев).

Это верно и для термопары — вуаля, теперь мы знаем, что в ней возникает и джоулево тепло.

И как будто этого мало, внутри каждого неравномерно нагретого проводника (проводника, в котором имеется градиент температуры) выделяется ещё одна теплота, которая пропорциональна скорости изменения температуры. Ну или поглощается, это зависит от направления тока.

А это явление называется эффектом Томсона (да, ещё один физик, на этот раз британский — интернационал, говорю же, всем миром над термоэлектричеством работали). И вот у нас появляется теплота Томсона.

Разной теплоты в этом процессе как в средних размеров коте — очень много.

Итак, эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона в определённой мере связаны между собой — и все они изменяют знак в зависимости от направления тока, то есть, являются обратимыми (могут нагревать, а могут и охлаждать).

И всё бы было хорошо, но вот в законе Джоуля — Ленца про обратимость ничего не сказано. Там всегда выделяется только тепло, в какую сторону ток ни направляй.

Ну и что? Мы теперь научились переводить тепловую энергию в электрическую! С помощью термопары! А это не хухры-мухры!
Плевать нам теперь на этих ваших Джоулей-Ленцов!

Радоваться рано, сейчас эти ребята нанесут ответный удар. Не пренебрегайте физикой (и физиками).

Проблема в том, что КПД такой схемы очень уж мал — в электрическую энергию переходит слишком малая часть энергии тепловой. Во многом из-за того, что в ходе работы термопары в ней возникают побочные необратимые (то есть, только нагревающие) процессы.

И джоулево тепло это полбеды, хотя оно тоже портит дело.

В металлах в принципе будет довольно быстро происходить перенос тепла от горячего контакта к холодному. Очень быстро — теплопроводность у них хорошая (за редкими исключениями), на то они и металлы.

А нам же нужна разность температур, помните? Но в таких условиях она слишком быстро уходит. Потому и КПД у термопары из металлов обычно получается… менее одного процента.

То есть как это меньше процента?! Блин, ну это же совсем никуда не годится.

Как индикатор какой-нибудь, может, пойдёт и так — температуру измерять. А вот для генератора такой КПД это ну прям совсем плохо.

Как радисты воду кипятили

Но далее за дело взялись советские физики.

Оказалось, что КПД можно серьёзно увеличить, если использовать в термопаре не металлы, а полупроводники.

Изначально термогенератор на полупроводниковой элементной базе разработал Юрий Петрович Маслаковец, коллега и ученик Абрама Фёдоровича Иоффе.

Ну а сам Иоффе (серьёзный учёный, в честь абы кого физико-технические институты называть не будут) далее прекрасно раскрыл эту тему в своих монографиях — «Энергетические основы термоэлектрических батарей из полупроводников» и «Полупроводниковые термоэлементы», 1950 и 1956 годы издания соответственно.

Применение полупроводников серьёзно увеличило КПД термопары… который всё равно остался низким, в лучшем случае пять-десять процентов.

Но с этим уже можно работать.

Во Вторую мировую войну лаборатория термоэлектрических свойств полупроводников, которую возглавлял Маслаковец (в 1941 её вместе с Ленинградским физико-техническим институтом эвакуировали в Казань), работала над созданием термоэлектрических источников питания для партизанских и диверсионных отрядов.

В итоге было придумано устройство термоэлектрического генератора ТГ-1 — «котелок Иоффе».

В цепь соединяли несколько десятков термопар из сурьмянистого цинка (антимонид цинка, SbZn) и константана (сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца).

Их погружали в наполненный водой сосуд, который ставили на костёр. Дно котелка нагревалось до 250-300 °C и его касались “горячие” части термопар. А кипящая вода, как мы знаем, имеет температуру 100 °C, ей (внезапно) остужались “холодные” части.

Мощность аппарата была невелика, но её хватало для питания батарей переносной радиостанции. От ручной динамо-машины наш ТГ-1 выгодно отличался тем, что не требовал каких-либо усилий от радиста, кроме поддержания огня и периодического долива выкипающей воды.

В мирное время работы над термогенераторами продолжились. Были созданы несколько аппаратов на древесном угле, с воздушным или водяным охлаждением (по сути своей это было что-то вроде небольшой печки, к топке которой шёл в комплекте термогенератор).

Но ведь удобнее применять не уголь, а жидкое топливо — например, керосин.

И тут можно совместить приятное с полезным — пусть источником тепла для нашего термогенератора будет керосиновая лампа! В то время в местах, где до сих пор были проблемы с электричеством, помещение освещали именно керосинками — а раз так, то термогенератор, который можно поставить прямо на неё, будет очень удобен.

Зажёг вечером керосиновую лампу и заодно включил радио. Прекрасно!

Именно ТГК-1 или его потомка ТГК-3 (расшифровывается как термогенератор керосиновый мощностью 3 ватта) и мог повстречать вживую кто-нибудь из читателей. Хотя бы в качестве диковинки, лежащей на дальней полке.

В своё время ТГК сыграли важную роль в радиофикации сельской местности — до тех пор, пока в ней не появилось полноценное электроснабжение.

Консервированное тепло

Ну хорошо. Вот мы научились просто и надёжно, хоть и не слишком эффективно, получать электрический ток. Даже обкатали технологию в реальном применении.

А простота и надёжность — это хорошо, инженеры такое любят. Устройство может пригодиться где-нибудь ещё… Но не везде же можно костёр жечь. Или пусть даже керосин, всё равно неподходяще как-то.

Да и радио заряжать это приятно, конечно, но хочется ведь и посерьёзней что-то.

А если мы хотим обеспечить мощность, достаточную для работы серьёзной аппаратуры (пусть и не самой прожорливой), таким способом, то и разница температур на концах нашей термопары должна быть довольно большая, в несколько сотен градусов Цельсия.

Откуда её можно получить, если не из сжигания топлива? Где взять удобный источник тепла, работающий достаточно долго и достаточно надёжно?

На помощь приходит добрый мирный атом (родной брат злого военного атома).

Ну, теперь мы сделаем маленький ядерный реактор? Нет.

Беда в том, что совсем уж маленьким реактор в любом случае не будет, а ещё его нужно постоянно контролировать. Мы же решили, что персонал рядом с установкой оставлять не будем — тем более, что инженер по ядерной технике это птица редкая, на каждый маяк не напасёшься.

На самом деле, малые реакторы, конечно, существуют. Бывают они и необслуживаемыми (тоже тема для отдельного долгого разговора).

Но об этом дальше.

И всё-таки ядерный реактор — это сложно.

Но есть и другой способ получить тепло из ядерного топлива — использовать энергию, которая выделяется при его естественном радиоактивном распаде.

Давайте просто поместим ядерное топливо в герметичную капсулу и будем использовать тепло, которое оно выделяет само по себе.

Получившийся аппарат конструктивно будет гораздо проще и надёжнее реактора. И в работе автономен, обслуживания не потребует вовсе.

Его не нужно контролировать, ведь цепной реакции внутри не происходит. А вот выработка тепла происходит постоянно — до тех пор, пока по прошествии определённого времени топливный элемент не деградирует окончательно, перестав поддерживать нужную нам температуру.

Кстати, а какое именно топливо мы выберем? Здесь есть дилемма — нам хочется и тепла побольше, и длительность полураспада подольше, чтобы аппарат работал долго и эффективно.

Изначально я хотел просто написать, что улучшая (увеличивая) один показатель мы неминуемо ухудшаем другой — ну, если ядерное топливо выделяет много тепла, то и его полураспад происходит слишком быстро.

С одной стороны — будто бы логично звучит. Закон Гейгера — Неттолла и все дела. А с другой — это огромное упрощение, на грани с некорректной информацией.

Но всё не так просто. Возьмём, например, уран-232 с периодом полураспада длиной почти в 70 лет и сравним со стронцием-90, период полураспада которого меньше 30 лет.

Казалось бы — стронций-90 должен выделять вдвое больше энергии?

Нет, потому что у урана-232 очень длинная цепь распада с нуклидами-излучателями жёстких гамма-квантов. Он и распадается дольше, и энергии выделяет гораздо больше. Прости, стронций-90, но здесь без шансов.

Если упростить, то из доступных нам веществ мы можем выбирать между стронцием-90 (период полураспада 29 лет, изначально выделяет около 0.45 Вт тепловой энергии на грамм вещества) и плутонием-238 (полураспад за 88 лет и 0.54 Вт тепловой энергии на грамм соответственно).

Итак, плутоний очень хорош, но он гораздо дороже (оставим его на особый случай, когда аппарату нужно работать максимально долго), так что в качестве топлива возьмём стронций-90. Поместим его в нашу капсулу.

А теперь объединим термоэлектрический преобразователь (раз уж мы решили работать с ним) и радиоизотопный источник тепла через теплопереход, поместим их в толстый корпус с радиационной защитой и герметично закроем крышкой.

Теперь осталось насадить на этот корпус радиатор для отвода тепла (помним, что нам нужна пресловутая разность температур), подключить к выводам провода — и вуаля, мы получаем радиоизотопный термоэлектрический генератор, сокращённо РИТЭГ.

Вот он, главный герой статьи, ну наконец-то. С РИТЭГ всё пойдёт гораздо веселей.

Свет в полярной ночи

Давайте начистоту — на Земле есть места, где надолго оставлять людей негуманно и слишком дорого. Но иногда там нужно разместить оборудование — например, маяк для проходящих судов. Или даже радиомаяк. Или метеостанцию.

Оборудование может работать автоматически, но ему нужен электрический ток. И тут возникает проблема.

Тянуть по сложному ландшафту линию электропередачи и городить трансформаторную подстанцию в глуши ради одинокого маяка — будто бы перебор. Места обитания человека могут находиться в сотнях непролазных километров от объекта, а значит, дизельные генераторы отпадают. Да и ветрогенераторы тоже — из-за наличия движущихся частей они нуждаются в периодическом обслуживании (хоть и не слишком частом).

Солнечные панели? Это модно и экологично, но на севере периодически бывает полярная ночь, когда они будут бесполезны. Поставить аккумуляторную батарею? Увы, на холоде им сильно плохеет, а полярная ночь слишком длинна.

Но теперь у нас есть РИТЭГ!

Нам нужно поставить маяк где-то на Новой Земле среди снегов и камней? Смотритель не нужен, пусть оборудование на объекте работает автоматически, а для электроснабжения мы ставим новенький РИТЭГ в стоящий рядом сарай, протягиваем провода — и он выдаёт достаточную для работы приборов мощность в течении гарантийного срока (десять лет), не требуя взамен вообще ничего.

«Просто протягиваем провода» это, конечно, изрядное упрощение — средства навигационного оборудования в большинстве своём работают в импульсном режиме, так что для таких объектов в комплекте к РИТЭГ кроме соединительных кабелей идут также блоки накопления энергии (БНЭ), то есть, аккумуляторы.

Более того, в процессе эксплуатации выяснилось, что РИТЭГ даже на изотопах стронция может проработать и пятнадцать лет. И даже двадцать пять, если прижмёт (правда, мощности он при этом выдаёт уже вдвое меньше — не забываем про полураспад).

Просто праздник какой-то! Движущихся частей в аппарате нет вообще, а значит нет быстрого износа из-за силы трения и вибраций (обслуживать штуку, где ничего не вращается, нужно гораздо реже, уж поверьте монтёру) — последнее позволяет использовать его для питания чувствительной к колебаниям сейсмической аппаратуры. Также РИТЭГ не создаёт радиопомехи, которые могут мешать оборудованию.

Какого-либо серьёзного обслуживания он тоже не потребует, ведь капсула герметично запаяна. Из-за того, что для достаточной радиозащиты корпус всё равно нужно делать прочным и массивным, РИТЭГ также неприхотлив к климатическим воздействиям — немалая часть его модификаций предполагала работу под открытым небом (главное, подготовить достаточно ровную площадку и оградить её забором).

Поэтому СССР в своё время наклепал более тысячи РИТЭГов разных модификаций. Большая часть (около 850 штук) отправилась обеспечивать морскую или речную навигацию (в основном на Северный морской путь, в суровые условия). 50 штук было отправлено на автоматические метеостанции (и на полярные станции в Антарктиду). Пригодились и на радиорелейных станциях для дальней радиосвязи, забирали их для своих нужд и военные.

Где-то полторы-две сотни таких установок создали и в США — строго говоря, первый РИТЭГ там и разработали в 1954 году. Применяли для тех же целей — навигация, электропитание арктического оборудования и радиолокационных систем в суровых условиях где-нибудь на Аляске или военные нужды.

Кстати. По принципу действия РИТЭГ выглядит довольно простым — даже проще дизельного двигателя. Почему их тогда не начали делать все подряд? Закинул в бочку стронций, воткнул термопару, протянул провода — и получил батарейку на пару-тройку десятилетий!

Очевидная проблема — само ядерное топливо, стоимость которого составляет около 90 % от цены РИТЭГ. Упомянутые стронций-90 и плутоний-238 (как правило) производят в ядерных реакторах, что уже значительно сокращает число претендентов на их получение.

Кроме того, простота конструкции не гарантирует простоту производства.

В корпусе РИТЭГ для радиозащиты используется обеднённый уран (он хорошо блокирует радиоактивность из-за своего высокого атомного веса). Оболочка должна быть очень прочной, чтобы избежать разгерметизации радиоизотопного источника.

А термоэлектрический преобразователь нужно делать максимально качественным, чтобы его надёжности хватило на весь срок службы аппарата (напомню, что речь идёт о десятилетиях).

Здесь термоэлектрический преобразователь взят в качестве основного решения для примера — ну и потому что основная часть советских РИТЭГов для «земного» применения (упс, чуть забежали вперёд) была именно с ним.

А вообще, к такому удобному источнику тепла можно прилепить хоть термоэмиссионный преобразователь, хоть термофотоэлектрический элемент, хоть двигатель Стирлинга как на американском ASRG (см. далее). Было бы желание.

И вот сотни маяков, радиомаяков, метеостанций и прочих далеко стоящих штук запитаны нашими славными РИТЭГами.

Есть у них, конечно, и минусы — электрическая мощность невелика, потому что КПД термоэлектрической установки очень мал.

Да, электрическая мощность РИТЭГ, в зависимости от модели, составляет всего лишь десятки ватт. Но для интересующего нас навигационного оборудования этого хватит.

Всё, победа прогресса над трудностями? Празднуем очередной триумф науки и техники?

Нет. Пришли нехорошие люди и всё испортили.

Бороться и искать, найти и перепрятать

Когда ты с трудом притаскиваешь на край географии запаянную бочку с ядерным топливом из которой торчат провода — ты, возможно, даже не думаешь, что в мире найдётся человек, который сюда дойдёт. По крайней мере, по своей воле, а не по долгу службы.

Но такие люди нашлись.

С развалом Советского союза контроль над частью маяков Северного морского пути ослаб. Хотя и до этого самые удалённые объекты посещали для обслуживания раз в год или даже реже.

Иногда это зависит от того, бегает ли прямо сейчас по острову с маяком медведь.

Я не шучу. Наткнулся на интервью с человеком, который работает в обслуживающем маяки Гидрографическом предприятии (отдел средств навигационного оборудования) — они посещают маяки на катере во время навигации, где-то раз в год. Проверяют, всё ли в порядке, меняют лампочки и всё такое прочее.

Так вот, иногда оказывалось, что на островах с маяками были медведи. Они попадали туда поздней осенью или зимой, приходя по льду. А после того, как тот таял, уйти от маяка уже не могли.

В таком случае бравая ремонтная команда... уплывала от маяка и готовила отчёт, что в этот раз обслуживание данного объекта произвести не удалось из-за опасной фауны.

Возвращались в это место на следующий год. Оборудование в общем-то позволяло такие вольности в обслуживании, оно же автоматическое.

см. https://strana-rosatom.ru/2021/10/01/polyarnye-zvezdy-kto-prismatrivaet-za-22

И вот осиротевшие маяки довольно быстро стали посещать сомнительные личности в погоне за цветным металлом.

Логика мародёров проста — если на территории объекта стоит что-то непонятное, значит, оно наверняка ценное (и в чём-то они были правы). С части РИТЭГов просто обрезали электрические кабели (тоже нехорошо, режим холостого хода для них нежелателен), а часть вскрывали, (откручивая болты соединений или пытаясь прорезать толстый металл газовыми резаками).

Мы уже знаем, что внутри аппарата есть капсула с ядерным топливом, которая жесточайше фонит. А вот для некоторых охотников за металлом это был сюрприз.

Ну, я хочу верить, что они просто не знали, что вскрывают штуку, которая ужасно фонит.

Хотя радиация ведь убивает только тех, кто в неё верит, правда же?

Как правило, радиоактивные элементы попросту выбрасывали на месте — скорее всего, для здоровья выбрасывавших бесследно это не прошло.

Более того, ещё в 1983 году произошла одна неприятная история. На Чукотке по пути к месту установки один РИТЭГ умудрились серьёзно повредить — и персонал скрыл этот факт от руководства, понадеявшись, что на удалённом объекте заметят нескоро.

В общем-то так и получилось — повреждение обнаружила комиссия Госатомнадзора, но произошло это только в 1997 году.

Человеческий фактор неистребим, что тут скажешь.

В конце девяностых незавидным положением РИТЭГов на постсоветском пространстве заинтересовалось МАГАТЭ — Международное агентство по атомной энергии, организации из системы ООН с широкими полномочиями по регулированию мирного (и не очень) использования атомной энергии.

Сотрудники МАГАТЭ были крайне удивлены, когда узнали, что часть РИТЭГов в девяностые годы осталась попросту заброшена, когда обслуживающие их организации оказались в упадке.

Господа, мы тут режим нераспространения ядерных материалов изо всех сил блюдём, а у вас по всему Северу капсулы со стронцием раскиданы?! А если вдруг их найдут совсем нехорошие люди и сделают с ними совсем-совсем нехорошую грязную бомбу? Вы об этом подумали?

А вообще-то утечка радиации может произойти и без людей, знаете ли — вы ведь РИТЭГи побросали чёрт знает как и чёрт знает где, мало ли что там случается, от землетрясений до производственного брака!

Короче, прекратить немедля, давайте избавляться от этих штук!

Справедливости ради, сворачивать тему с РИТЭГами в дальних районах в то же время начали в США. Примерно по тем же причинам, во имя экологии и безопасности.

Так в начале двухтысячных в рамках международной программы МАГАТЭ по утилизации РИТЭГов начался титанический труд по их поискам. Информацию о местоположении объектов собирали по крупицам, а большую часть аппаратов оказалось возможно вывезти только вертолётом.

В неразберихе девяностых годов потерялось много документации — например, был случай, когда на предприятии попросту не смогли ответить на вопрос, сколько РИТЭГ им вообще было произведено.

Но по итогу из тысячи с лишним РИТЭГов отправили на хранение или разборку почти все.

Не нашли две штуки — и с ними не всё однозначно. Один (Шмидтовский район, Чукотка, река Кывэквын) считается замытым в песок в результате сильного шторма, второй уронили в Охотское море ещё в 1987, когда перевозили вертолётом. Оба усиленно ищут до сих пор.

А всего в СССР было создано 1007 РИТЭГов наземного базирования — это не считая тех, что улетели в космос (упс, ещё один небольшой спойлер ко второй половине заметки).

Но данные о численности поголовья взяты у того же МАГАТЭ, а собирали их, как упоминалось выше, с большим трудом.

Так что… ну, вообще-то могли и забыть о десятке-другом, дело-то житейское. Тем более, что часть РИТЭГов была в пользовании у военных — а они хранят свои секреты в секрете. Между тем, у журналистов Комсомольской правды есть версия, что принадлежавшие Тихоокеанскому флоту 39 РИТЭГов попросту втихаря утопили. И будто бы не факт, что флотские чины до сих пор помнят, где именно они сделали своё чёрное дело. См. https://www.kp.ru/daily/26111/3006667 Но если даже у МАГАТЭ вопросов ко флотским РИТЭГам не было... в общем, давайте считать, что с ними в итоге всё в порядке.

Маяки Северного морского пути и остальные объекты в труднодоступных местах постепенно перевели на альтернативные источники электропитания. Занимался этим Курчатовский институт — и задача оказалась сложной.

В итоге в качестве замены использовали фотоэлектрические системы питания, состоящие из солнечных панелей, мощных аккумуляторных батарей и сложной системы автоматики, которая отвечает за надёжность энергоснабжения и посылает необходимые данные в обслуживающую организацию.

Но часть проблем всё ещё актуальна — чем северней расположен маяк, тем хуже обстоит дело с работой солнечных панелей и тем длиннее полярная ночь. В суровых условиях аккумуляторы (даже специально подготовленные) деградируют слишком быстро. Солнечные батареи могут поддерживаться ветрогенераторами, но тогда установку придётся часто обслуживать.

Источника электроэнергии, равного по надёжности и продолжительности работы РИТЭГам, к сожалению, нет до сих пор.

Да, РИТЭГ получился хорошим и расставаться с ним больно. Может быть, отправим его куда-нибудь подальше, где до него не доберутся злые охотники за цветметом?

Самая одинокая батарейка во Вселенной

Куда-нибудь подальше… Вообще-то, именно с этого у РИТЭГ всё и началось.

Изначально они разрабатывались для космических аппаратов. Там РИТЭГи широко применяются до сих пор — и весьма успешно. Сейчас космические просторы это их основное место обитания.

Хотя когда речь заходит о получении электричества в космосе, на ум первым делом приходят солнечные панели. Растопырил их в пространстве и летишь себе довольный, пока Солнце делает всю работу за тебя!

Казалось бы, в космосе солнечным батареям и погода не помешает, и смена дня и ночи тоже.

Идеальные условия!

Всю жизнь только и слышим, что нельзя вечно убегать от проблем, а оказывается, что можно — ну, просто убегать надо было со второй космической скоростью и подальше от Земли.

Но тут как в анекдоте, есть нюанс — Солнечная система на поверку оказывается не такой уж солнечной.

Это зависит от того, куда именно мы летим.

Если мы собираемся лететь куда-нибудь к Юпитеру или ещё дальше от Солнца (Уран, Нептун, Плутон и далее в сторону облака Оорта) — то солнечной энергии нам может уже и не хватить.

В физике есть такая штука как закон обратных квадратов — для нас важно, что согласно ему интенсивность солнечного излучения будет уменьшаться пропорционально квадрату расстояния от Солнца.

Например, от Солнца до Земли около 149 миллионов километров (это расстояние называют астрономической единицей, AU), а до Юпитера — уже 778 миллионов километров, то есть в пять раз больше.

Значит, солнечные панели на орбите Юпитера будут давать в двадцать пять раз меньше электроэнергии, чем на орбите Земли.

Строго говоря, планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам — таким образом, расстояние от Земли до Солнца непостоянно.

В течение года оно изменяется от минимума 147 миллионов километров (тогда говорят, что Земля находится в перигелии) до максимума 152 миллиона километров (в афелии).

Но для нас сейчас это не слишком важно, разница с Юпитером всё равно понятна.

Хотя прогресс не стоит на месте и уже сейчас идут разговоры о том, что современные солнечные панели (со всякими примочками вроде солнечных концентраторов с циркуляцией теплоносителя) могут позволить космическим аппаратам нормально питаться и около Юпитера.

Но всё равно, чем дальше от Солнца улетаем — тем печальней. Для аппарата нам нужно получать определённую мощность и солнечные панели в таком случае приходится делать всё большего и большего размера.

А большая площадь солнечных батарей для космического корабля значит что? Правильно, что при запуске их придётся держать в сложенном виде, а раскрывать уже как-нибудь потом.

Беда в том, что свёрнутое заранее в решающий момент может попросту не раскрыться. И ладно если такие панели предназначены для обитаемой станции, где есть специально обученные космонавты — а если проблема возникнет у автоматического аппарата, помочь которому в космосе будет некому?

И такие случаи уже были — например, с зондом «Люси» у НАСА в 2021 году, когда одна из солнечных панелей не раскрылась полностью из-за того, что трос привода запутался на катушке (прям как нитка на шпульке швейной машинки).

Тогда проблему удалось решить, подёргав этот трос туда-сюда силой одновременного запуска резервного и основного двигателей.Подробней см. здесь: https://habr.com/ru/news/680874

Но и это полбеды. Ведь даже если мы не улетели от родного светила слишком далеко, поймать его лучи получается не всегда.

Спутники Земли, например, можно держать на так называемой солнечно-синхронной орбите в плоскости терминатора (то есть, как раз на полосе закатов/восходов) — тогда аппарат будет постоянно освещаться лучами Солнца и его батареи, соответственно, тоже.

А что если нам нужна другая орбита? На ней в какой-то момент планета закроет спутник от солнечного света — и тогда вся надежда на аккумуляторы. А они со временем, к сожалению, начинают деградировать.

И солнечные панели, кстати, тоже с возрастом деградируют — даже на Земле они постепенно устают от ультрафиолетового излучения, хотя и очень медленно, а в космосе ещё и страдают от космической радиации и при солнечных вспышках.

Также батареи могут быть повреждены микрометеоритами или космическим мусором, если совсем уж не повезёт.

Подробный рассказ о солнечных батареях космических кораблей находится за пределами нашей темы, но если это вас заинтересовало — рекомендую ознакомиться с хорошей статьёй (там и картинки есть):https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-konstruktsiy-solnechnyh-batarey-kosmicheskih-apparatov

Что же, что же придёт нам на помощь? Да, вы угадали.

Итак, вы ведь помните, чем хорош РИТЭГ? Надёжностью.

Он работает десятилетиями и не требует обслуживания — а это как раз то, что в космосе и нужно.

Здесь нам как раз пригодится плутоний-238 — его высокая цена в рамках стоимости космического аппарата оказывается не такой уж и высокой.

Ладно, это упрощение — на самом деле, всё равно очень дорого.

РИТЭГ успешно использовали на многих спутниках и космических станциях — например, на Кассини-Гюйгенс или на Новых горизонтах (New Horizons).

А ещё на зондах Вояджер (и на первом, и на втором) стояло по три РИТЭГа общей мощностью в 470 ватт. И улетели с ними далеко-далеко.

Очень далеко — на 25 миллиардов километров от родной Земли! Какой ещё источник питания может таким похвастаться, а? Вот то-то же.

Кстати, вот здесь вы можете следить за тем, как далеко от нас улетели оба Вояджера, в реальном времени — ну мало ли, может, вам захочется:https://science.nasa.gov/mission/voyager/where-are-voyager-1-and-voyager-2-now

А в 1971 году РИТЭГ SNAP-27 побывал на Луне вместе с миссией Аполлон-14.

А ещё улучшенную версию таких генераторов ставят на марсоходы (например, на Кьюриосити и Персеверанс — солнечные панели этих аппаратов не дают достаточно энергии во время пылевых бурь, что может поставить под угрозу всю миссию. И тут тоже нужна надёжность.

Ну ладно, тут тоже не всё гладко было (А где вообще так бывает?) — вы не поверите, но нам опять пришли портить всю малину злые экоактивисты.

Вернее… ну да кто не без греха. Был с запуском РИТЭГ в космос один очень неприятный инцидент — эх, и стоило нам, как говорится, всего один раз…

21 апреля 1964 года при запуске ракеты с навигационным спутником Transit 5BN-3 произошла авария. Спутник развалился на части и сгорел на высоте около пятидесяти километров где-то к северу от Мадагаскара.

Внутри спутника был РИТЭГ SNAP-9A в котором находилось чуть меньше килограмма плутония-238. И конечно же его расщепило в пыль и раскидало по атмосфере. Определённое повышение радиационного фона зафиксировали измерительные станции по всей Земле. Беда.

Это происшествие станет серьёзным аргументом против запуска РИТЭГ в космос на долгие годы. Впрочем, использовать-то их всё равно не перестанут — солнечные батареи это, конечно, хорошо, но если они нам вдруг не подходят, то что ж делать-то? Совсем в далёкий космос не летать? Скука!

Но между прочим, потерявшая один из спутников при таких трагических обстоятельствах Transit (она же NAVSAT, от англ. Navy Navigation Satellite System, навигационная система военно-морского флота) — это первая в мире спутниковая система навигации. Да, охватывала не всю территорию Земли, да время доступа было ограничено — но работало с середины шестидесятых до самой середины девяностых!

Срок, достойный РИТЭГ. Даже нет, не так. Срок достойный, РИТЭГ!

Кстати, радиолюбители ловят сигнал от этих спутников и спустя более чем полвека с их запуска. Разве это не прекрасно? См. по ссылке:https://www.reddit.com/r/amateursatellites/comments/m4y3as/after_56_years_and_91_days_the_transit_5b5

Современные РИТЭГи для космической отрасли содержат ядерное топливо в капсуле, способной выдержать даже взрыв ракеты-носителя при неудачном пуске — инженеры умеют учиться на своих ошибках, знаете ли.

И всё равно скепсис со стороны общественности приходится учитывать — радиофобия бывает распространена и среди лиц, принимающих решения.

Но так или иначе, в космосе РИТЭГ, судя по всему, ждёт большое будущее — ведь чем дальше от Солнца отправляется космический аппарат, тем меньше надежды на солнечные панели. Кроме того, такие источники питания пригодятся и на лунных базах, когда мы до них дорастём, или даже на Марсе — как минимум, в качестве надёжного резерва.

Такой источник энергии на долгие десятилетия — это здорово, а космических мародёров, к счастью, на горизонте пока ещё не видно. Хоть где-то повезло!

Если вы заинтересовались этой темой — рекомендую прочитать замечательные тематические заметки. Там и про Кассини, и про Гюйгенс, и про РИТЭГ наш любимый тоже есть: https://vk.com/wall-130222883_46031 и https://vk.com/wall-130222883_46203

С небес на землю

Ну всё, на этом и заканчиваем?

Остались такие прекрасные штуки только в далёком холодном космосе на борту спутников. А на Земле атом теперь только на больших станциях или в лабораториях под присмотром серьёзных дядь, правильно говорю?

И да, и нет.

В последнее время всё чаще говорят о распределённой энергетике. В первую очередь она отличается от традиционной централизованной модели большим упором на распределённую генерацию, то есть децентрализацией.

Одна из перспективных технологий — атомные станции малой мощности, которые можно поставить где-нибудь в отдалённой труднодоступной местности рядом с потребителями. Такие электростанции изначально проектируют с учётом упрощения управления, повышения надёжности и удобства транспортировки.

Например, в брошюре IAEA (Международное агентство по атомной энергии) Advances in Small Modular Reactor Technology Developments за 2018 год проектов малых ядерных реакторов представлено более пятидесяти штук.

Она красивая и с картинками, причём лежит в открытом доступе. Если тема интересна рекомендую ознакомиться — хоть картинки полистать:https://aris.iaea.org/Publications/SMR-Book_2018.pdf

И вот здесь тоже можете посмотреть. Русатом Оверсиз это дочка Росатома, созданная для продвижения российских атомных реакторов на зарубежных рынках — и про АЭС малой мощности у них на сайте есть хороший раздел. Проматывайте вниз, глядите картинки, не стесняйтесь нажимать на кнопки Подробнее: https://rusatom-overseas.com/ru/smr

Только вот в этих проектах правят бал ядерные реакторы, хотя в ряде проектов они серьёзно упрощены.

Впрочем, насколько слово "упрощён" вообще можно отнести к ядерному реактору?

А что касается РИТЭГ… Их проблема с низким КПД актуальна до сих пор — при классической схеме с термоэлектрическим преобразователем мы получим максимум 10-15 % электрической мощности от затраченной тепловой. Причём второе число… очень оптимистично, скажем так.

С другой стороны, в НАСА велись работы над РИТЭГ с двигателем Стирлинга (ASRG — Advanced Stirling radioisotope generator), в котором нагреваемый источником тепла газ приводил бы в движение поршень, который крутит генератор переменного тока.

Минусы этого решения понятны — снова привет, движущиеся части, мы скучали по вашему обслуживанию. Если они сломаются где-то далеко...

Зато и КПД такой установки планировали довести аж до 25-30 %. Но программу приостановили в 2013 году из-за превышения бюджета. Обидно, да?

Эх, такой проект погубили. А может, программу когда-нибудь разморозят и дадут денег учёным, кто знает... Две странички по теме ASRG с сайта НАСА см. здесь: https://science.nasa.gov/wp-content/uploads/2024/02/app-asrg-fact-sheet-v3-9-3-13.pdf

Можно, конечно, надеяться на прорыв со стороны материаловедения (новые полупроводники, например) — но и здесь ожидать огромного прироста КПД, к сожалению, не приходится.

То есть, что касается широкого применения на Земле, то здесь перспективы РИТЭГ туманны.

Низкий КПД никуда не делся (Он ведь обусловлен физикой процесса, помните?), отсюда же и малая мощность — а ядерное топливо слишком дорого, его следует использовать эффективно. Проблемы с охраной удалённых автономных объектов от злоумышленников — в общем-то тоже та ещё задачка.

Авось на космос-то насобираем как-нибудь. А вот на расточительный нагрев РИТЭГов на Земле — ну тут уж как повезёт.

Но как знать — может быть, мы ещё дождёмся бочки надёжной атомной энергии в каждый дом.

Будет стоять себе тихонечко где-нибудь в углу и греться, ток нам давать.

Так что труды физиков зря не пропали — теперь мы можем применять термогенераторы хоть на Малой Земле, хоть за пределами Земли вообще.

Дайте только побольше стронция. И мародёров близко не подпускайте.

В завершение (и немного источников)

Задумка была в том, чтобы написать маленькую заметку про значение страшных букв РИТЭГ. Что-то вроде рассказа о питании далёких и красивых маяков для самых-самых маленьких и не более того.

Но так получилось, что при написании эта заметка чрезмерно разрослась.

Тогда я решил поделить её на три заметки поменьше. Однако в процессе оформления первой части (ну… я добавил немного подробностей), перестала помещаться в запланированный объём и она.

Ничего не оставалось, кроме как смириться и оформлять текст в статью. Надеюсь, что она вам понравилась.

Часть использовавшихся источников информации упоминалась непосредственно в тексте статьи.

Из книг по теме могу порекомендовать «Термоэлектричество» за авторством А.С. Бернштейна — она была издана в 1957 году, но физика процесса там описана здорово (гораздо лучше, чем у меня), да и вообще книга написана живым хорошим языком.

Там всего полсотни страниц, если найдёте, то можно за вечер осилить.

Кроме того, на сайте Росатом История в открытом доступе лежит книга «Малогабаритные ядерные источники электрической энергии» (авторы Ю.В. Лазаренко, А.А. Пустовалов, В.П. Шаповалов) профильного издательства Энергоатомиздат за 1992 год. Это уже более серьёзный труд, разбор темы от физики и техники до экологии и экономики.

Примечателен также список литературы — он у этой книги на целых 129 позиций.
Лежит она вот тут: https://elib.biblioatom.ru/text/lazarenko_malogabaritnye-yadernye-istochniki_1992/p0

Можете почитать как-нибудь на досуге и самого Иоффе — например, «Полупроводники в современной физике» за 1954 год, хотя бы чтоб проникнуться масштабом задачи. У него, кстати, очень хороший слог.

Источник многих иллюстраций к данной статье — презентация «Перспективы завершения программы утилизации российских РИТЭГов» от МАГАТЭ.

Если у вас есть минут десять свободного времени — рекомендую посмотреть, пусть хотя бы просто пролистать. Там 93 слайда и очень много фотографий.

На самом сайте МАГАТЭ почему-то осталась только пятнадцатистраничная версия: https://inis.iaea.org/records/cz56x-am126Но большую презентацию можно найти здесь, её сохранили в веб-архиве:
https://web.archive.org/web/20131220040040/http://www.iaea.org/OurWork/ST/NE/NEFW/Technical_Areas/WTS/CEG/documents/CEG-Workshop-Vienna-2013/Russian/2.7._Russian_RTG_program_Rus.pdf

Спасибо сотрудникам МАГАТЭ как за участие в программе утилизации отслуживших своё РИТЭГов, так и за создание интересной презентации.

Автор: Александр Алещенко

Оригинал