Radioisotope thermoelectric generator - باتری اتمی

این اصطلاح رو اگر به فارسی بخوایم برگردونیم احتمالا باید بگیم «مولد گرما-الکتریکی رادیوایزوتوپی».

خب این باتری های اتمی چی هستن و چه خصوصیاتی دارن. آیا خیلی پیچیده و خطرناک هستن؟ در ابعاد کوچک چطوری کار میکنن؟ آیا طرز کار اونها مثل یک راکتور هسته ای هست؟ اگر اینطوره آیا میتونن در ابعاد خیلی کوچک ساخته بشن و خطرناک هم نباشن؟
اینها سوالاتی بودن که از بچگی ذهن منو به خودشون مشغول کرده بودن.
تازگی مقالهء ویکیپدیا در اینمورد رو مطالعه کردم که باعث شد به جواب سوالات طولانی مدت خودم برسم. بخاطر همین گفتم این اطلاعات رو در دسترس دیگر فارسی زبانان هم بذارم شاید براشون جالب باشه و مفید واقع بشه. البته بعلت اینکه مقاله واقعا حجیم هست، همه رو عینا ترجمه نمیکنم و بنابراین فقط بخشهای جالب و مهم اون رو درج میکنم.

اولا اختصارها برای این اصطلاح، یعنی Radioisotope thermoelectric generator، به دو صورت RTG و RITEG نوشته میشه که ظاهرا مورد اول متداول تر هست. البته من برای راحت تر شدن بیان، از اصطلاح عامیانه تر باتری اتمی در بقیهء این نوشته استفاده میکنم.

خب درواقع طرز کار و فناوری ساخت باتری اتمی به نسبت ساده هست. و ضمنا طرز کار باتری اتمی از راکتورهای اتمی واقعی خیلی فاصله و محدودیت داره (گرچه منبع انرژی در هردو بهرحال یک منشاء نهایی داره: شکافت هسته ای). مورد مهم و عمدهء کاربرد باتری اتمی درمورد سفینه های فضایی هست که نیاز به باتری هایی با طول عمر و ضریب اطمینان بالا و عدم نیاز به رسیدگی دارن. درمورد این سفینه ها معمولا بخاطر دوری از خورشید، امکان گرفتن انرژی کافی از نور خورشید هم وجود نداره. البته بجز باتری های اتمی، در موارد کمی از راکتورهای اتمی هم در سفینه های فضایی استفاده شده.

خب داشتیم درمورد طرز کار میگفتیم. این باتری ها با استفاده از حرارتی که از زوال اتمی (radioactive decay) مواد مناسب ایجاد میشه، انرژی الکتریکی تولید میکنن. روش تبدیل انرژی گرمایی به الکتریکی هم اغلب به روشهای کاملا ساده ای مثل استفاده از زوج حرارتی (ترموکوپل - thermocouple) انجام میشه. البته عمر و اطمینان ترموکوپل ها بالا هست و دربرابر فرسودگی و زوال بر اثر تشعشعات هسته ای مقاومت خوب دارن، اما کارایی تبدیل انرژی حرارتی به الکتریکی در اونها پایین هست، تاجایی که کارایی اکثر باتری های اتمی در حدود 3 تا 7 درصد بوده و هیچوقت از 10% بیشتر نشده؛ یعنی بیشتر گرمای تولید شده توسط مواد رادیواکتیو هدر میره. بهرحال روشهای دیگری هم که قابلیت های لازم رو داشته باشن (خصوصیاتی مثل طول عمر دهها و صدها ساله بدون نیاز به مراقبت و غیره) و کارایی خیلی بالاتری ارائه بدن هم هنوز بصورت کاملا عملی در دسترس قرار نگرفتن. اما بهرحال با توجه به انرژی مفت و طولانی مدتی که حجم و وزن کمی از مواد با زوال رادیواکتیو مناسب تولید میکنن، خوشبختانه تولید باتری های اتمی عملی و مقرون به صرفه بوده و در کاربردهای فضایی و زمینی متعددی بکار رفتن و میرن.

از کاربردهای زمینی باتری های اتمی میشه به چراغ های دریایی ای که بوسیلهء شوروی سابق در حلقهء قطب شمال ساخته شدن اشاره کرد. باتری های اتمی برای شرایط کارکرد بدون متصدی یا بدون نگهداری ای که حداکثر به چند صد وات توان برای مدتی طولانی نیاز دارن بسیار مناسب هستن. در خیلی از این مکانها استفاده از روشهایی مثل سلولهای خورشیدی هم مقدور نیست. البته باید در ساخت این باتری های اتمی دقت صورت بگیره که تا مدتها پس از اینکه طول عمر مفید اونها تمام شد، از خطر نشت مواد رادیواکتیو به محیط جلوگیری بشه.

نخستین باتری اتمی برای کاربردهای فضایی در سال 1961 در Navy Transit 4A spacecraft بکار رفت که اسمش SNAP 3 بود (با قدرت تنها 2.7 وات!). نخستین کاربرد روی زمین از باتری اتمی در سال 1966 توسط نیروی دریایی ایالات متحده در جزیرهء کوچک غیرمسکونی Fairway Rock در آلاسکا بود که این باتری تا سال 1995 درحال سرویس دهی بود و بعد از اون برداشته شد.

باتری های اتمی برای سیستمهای انرژی کمکی هسته ای (Systems for Nuclear Auxiliary Power - SNAP) بخصوص برای سفینه های کاوشگر که آنقدر از خورشید دور میشن که دیگه نمیشه از پنل های خورشیدی استفاده کرد بکار رفتن. بطور مثال با کاوشگرهای Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini و New Horizons. بعلاوه، باتری های خورشیدی برای تامین انرژی دو وسیلهء فرود Viking (دو کاوشگر که به مریخ فرستاده شدن) استفاده شدن و نیز برای آزمایشات علمی بوسیلهء خدمهء آپولو 12 تا آپولو 17 (SNAP 27) بر روی ماه گذاشته شدند (با قدرت 70 وات). این باتری ها موجب شدند تا اطلاعاتی درمورد لرزه های ماه و برخورد شهاب سنگ ها، میدانهای مغناطیسی و گرانشی ماه، دمای درونی ماه و جو ماه، تا چند سال پس از ماموریت به زمین ارسال شوند. بعد از 10 سال، یک SNAP-27 هنوز بیشتر از 90 درصد از توان اولیهء خود (70 وات) را تولید میکرد. آپولو 13 عقیم ماند و مدول ماه اون که قرار بود روی ماه فرود بیاد اما موفق به این کار نشد، در 17 آپریل 1970 بصورت کنترل شده بر فراز اقیانوس سقوط کرد و بر اثر حرارت بالای حرکت با سرعت بالا در جو زمین سوخت اما باتری اتمی آن از سقوط در جو زمین جان سالم بدر برد و اکنون در اقیانوس آرام جنوبی در حوالی Tonga Trench در عمق 6.5 کیلومتر زیر آب قرار گرفته است. این باتری که حاوی حدود 4 کیلوگرم پلوتونیوم بود طوری طراحی شده بود که در برابر حرارت زیاد و چنین سقوطی مقاومت کند و مواد رادیواکتیو از اون نشت نکنن؛ به همین خاطر اثری از نشت رادیواکتیو از اون دیده نشد. این باتری تا دو هزار سال رادیواکتیو باقی میماند! اما گفته شده که مواد مقاوم دربرابر خوردگی کپسول، تا 10 نیمهء عمر (870 سال) قادر به نگهداری پلوتونیوم داخل آن هستند (م: البته به سبب سپری شدن 10 نیمهء عمر، مقدار فعالیت رادیواکتیو باقی مانده پس از این زمان به مقدار قابل توجهی کاهش یافته است). باتری های اتمی هچنین برای ماهواره های Nimbus, Transit و LES استفاده شدن. در مقام مقایسه، تنها تعداد کمی از وسایل نقلیهء فضایی از راکتورهای اتمی کامل استفاده کردن که شامل سری RORSAT شوروی و SNAP-10A آمریکایی میشوند (م: البته راکتورهای اتمی دارای توان تولیدی بیشتری از باتری های اتمی هستند). SNAP-10A میزان 500 وات توان الکتریکی را در مدت 43 روز پرواز آزمایشی تولید کرد.

همانطور که گفتیم، شوروی تعداد زیادی چراغ دریایی و سیستمهای امواج رادیویی ناوبری بدون متصدی ساخت. باتری های اتمی بکار رفته در این دستگاهها بوسیلهء عنصر رادیواکتیو Strontium 90 تولید انرژی میکردند که یک منبع بسیار قابل اطمینان و یکنواخت از انرژی را تامین میکند. اما منتقدین استدلال میکنند که نشت یا سرقت مواد رادیواکتیو بکار رفته در این باتری ها میتواند سالها پنهان بماند (یا احتمالا برای همیشه؛ چون بعضی از این چراغهای دریایی بخاطر نگهداری ضعیف سابقه، نمیتوانند پیدا شوند). حتی یک نمونه وجود دارد که قسمت های رادیواکتیو بوسیلهء یک سارق باز شده بودند. همچنین موردی از سه فرد چوب بر در کشور Georgia (قبلا بخشی از شوروی سابق) وجود داشته است که اطراف یکی از این واحدها آمده و در یک شب سرد بعنوان یک منبع گرما نزدیک آن خوابیده بودند؛ آنها بعدا با سوختگی های تشعشعی شدید در بیمارستان بستری شدند. آن واحد سرانجام پیدا و ایزوله شد.
حدودا هزار عدد از چنان باتری های اتمی در روسیه وجود دارند. همهء آنها مدتهاست که عمر 10 سالهء مهندسی شدهء خود را سپری کرده اند. احتمالا آنها دیگر عملیاتی نیستند و نیاز به پیاده کردن دارند. بعضی از آنها طعمهء شکارچیان فلز شده اند که بدنه های فلزی آنها را باوجود خطر آلودگی رادیواکتیو باز میکنند.

باتری های اتمی همچنین بوسیلهء نیروهای هوایی ایالات متحده برای تامین انرژی حسگرهای راه دور برای سیستمهای راداری Top-ROCC و Save-Igloo که عمدتا در آلاسکا واقع شده اند استفاده شده اند.
در گذشته، سلولهای پلوتونیوم کوچک (باتری های اتمی بسیار کوچک با سوخت پلوتونیوم 238) در دستگاههای تنظیم ضربان قلب کاشته شده بخاطر اطمینان از یک عمر باتری خیلی طولانی استفاده شدند. تا سال 2004 حدود 90 تا از آنها هنوز درحال استفاده بودند.

طرز کار باتری اتمی با استانداردهای اتمی ساده است. محفظه محکمی حاوی مادهء رادیواکتیو است که ترموکوپل هایی در اطراف دیواره های محفظه قرار گرفته اند و سر دیگر ترموکوپل ها به یک خنک کننده متصل شده است. زوال رادیواکتیو سوخت اتمی، گرمایی تولید میکند که از طریق ترموکوپل ها به سمت خنک کننده جریان پیدا میکند که در این فرایند جریان الکتریسیته تولید میشود.

سوخت اتمی بکار رفته در باتری های اتمی باید خصوصیات زیر را داشته باشد:
- تشعشع با انرژی بالا تولید کند. زوال آلفا درکل حدود 10 برابر انرژی بیشتر از زوال بتای strontium-90 یا caesium-137 تولید میکند.
- تشعشع باید از نوعی باشد که بسادگی جذب شده و به تشعشع گرمایی تبدیل شود. ترجیحا تشعشع آلفا. تشعشع بتا میتواند از طریق bremsstrahlung secondary radiation production مقادیر قابل توجهی از اشعهء ایکس و گاما تولید کند که باعث نیاز به سپر تشعشعی سنگین میشود. ایزوتوپ ها نباید مقادیر قابل توجهی از گاما، تشعشع نوترون یا تشعشع نفوذکننده ایجاد کنند.
- نیمهء عمر باید آنقدر طولانی باشد که انرژی نسبتا یکنواختی را برای زمان معقولی تولید کند. نیمه های عمر متداول برای رادیوایزوتوپ های بکار رفته در باتری های اتمی، چند ده سال است، گرچه ایزوتوپ های با نیمه های عمر کوتاهتر میتوانند برای کاربردهای خاص بکار روند.
- برای استفاده در پروازهای فضایی، سوخت باید مقدار زیادی از انرژی را به نسبت حجم (چگالی) تولید کند. چگالی و وزن در کاربردهای زمینی آنقدر مهم نیستند، مگر اینکه محدودیت در ابعاد فیزیکی وجود داشته باشد.

از میان مواد واجد شرایط، پلوتونیوم 238 کمترین نیاز به سپر تشعشعی را دارد و طولانی ترین نیمهء عمر را. پلوتونیوم 238 به سپر تشعشعی با ضخامت کمتر از 2.5 میلیمتر نیاز دارد و در خیلی موارد به سپر نیازی نیست و بدنهء باتری اتمی خودش کافی است.
پلوتونیوم 238 سوختی است که بیشتر از تمام مواد دیگر در باتری های اتمی به صورت اکسید پلوتونیم IV بکار رفته است (PuO2). پلوتونیوم 238 نیمهء عمری برابر با 87.7 (هشتاد و هفت و هفت دهم) سال دارد، چگالی قدرت قابل قبولی دارد، و بصورت استثنایی سطح تشعشع گاما و نوترون پایینی دارد. بعضی باتری های زمینی روسی از strontium-90 استفاده کرده اند؛ این ایزوتوپ نیمهء عمر کوتاهتری دارد، چگالی قدرت بسیار کمتری دارد، و تشعشع گاما تولید میکند، اما ارزانتر است.

پلوتونیوم 238 نیمهء عمر 87.74 ساله دارد، در مقایسه با پلوتونیوم 239 بکار رفته در سلاحهای اتمی و راکتورها که نیمهء عمر 24110 سال دارد. نتیجهء این نیمهء عمر کوتاهتر اینست که پلوتونیوم 238 حدود 275 برابر پلوتونیوم 239 رادیواکتیو است. برای مثال، 3.6 کیلوگرم از پلوتونیوم 238 در هر ثانیه دچار تعداد یکسانی از زوال رادیواکتیو میشود که در یک تن از پلوتونیوم 239 در همین مدت رخ میدهد.
تشعشع آلفای هردوی این ایزوتوپ ها از پوست عبور نمیکند، اما اگر پلوتونیوم تنفس یا خورده شود میتواند اعضای داخلی را در معرض تشعشع قرار دهد.

شش مورد حادثه درمورد باتری های اتمی سفینه های فضایی شناخته شده است. نخستین آن یک شکست در پرتاب در 21 آپریل 1964 بود که در آن ماهواره ناوبری Transit-5BN-3 ایالات متحده نتوانست به مدار برسد و موقع ورود مجدد به جو در شمال ماداگاسکار سوخت. سوخت پلوتونیوم فلزی در باتری اتمی SNAP-9a آن به جو برفراز نیمکرهء شمالی که در آن سوخت تزریق شد، و ردهایی از پلوتونیوم 238 چند ماه بعد در محل آشکارسازی شدند. دومین حادثه، ماهواره هواشناسی Nimbus B-1 بود که وسیلهء پرتاب آن بخاطر خط سیر اشتباه آن مدت کوتاهی پس از پرتاب بصورت عمدی نابود شد. باتری اتمی SNAP-19 که حاوی اکسید پلوتونیوم نسبتا غیرفعال بود بصورت دست نخورده 5 ماه بعد از بستر دریا بازیابی شد و هیچ آلودگی محیطی آشکار نشد.
دو حادثهء دیگر توسط شکست های ماموریت های Cosmos شوروی حاوی وسایل نقلیهء سطح ماه در سال 1969 بود که هردو درحالیکه که سوختند رادیواکتیویته آزاد کردند. همچنین پنج شکست در ارتباط با سفینه های فضایی شوروی یا روسیه وجود داشتند که بجای باتری های اتمی راکتورهای اتمی حمل میکردند که بین سالهای 1937 تا 1993 رخ دادند.
حادثهء دیگر مربوط به آپولو 13 بود که شرح آن در این مقاله قبلا ذکر شده است.

تازه ترین حادثه مربوط به شکست پرتاب کاوشگر Mars 96 روسی است که در 16 نوامبر 1996 رخ داد. دو باتری اتمی که مجموعا 200 گرم پلوتونیوم را حمل میکردند باید از ورود مجدد به جو جان سالم بدر برده باشند (آنچنان که اینطور طراحی شده بودند). نظر بر این است که آنها اکنون جایی در یک مساحت تخم مرغی شکل با 320 کیلومتر درازا و 80 کیلومتر پهنا که مرکز آن 32 کیلومتر در شرق شهر Iquique کشور شیلی قرار دارد قرار دارند.

تعداد زیادی از باتری های اتمی Beta-M ساخته شده توسط شوروی برای تامین قدرت چراغهای دریایی و دستگاههای سیگنال ناوبری تبدیل به منابع تشعشع خارج از کنترل شده اند. چندین از این دستگاهها بصورت غیرقانونی بخاطر فلز قراضه اوراق شده اند که باعث درمعرض گذاری کامل Sr-90 شده است، به داخل اقیانوس افتاده اند، یا بخاطر طراحی ضعیف یا صدمهء فیزیکی سپرهای تشعشع معیوب دارند. برنامهء کاهش تهدید مشارکتی دپارتمان دفاع ایالات متحده درمورد اینکه مواد این باتری های اتمی میتوانند توسط تروریست ها برای ساخت یک بمب کثیف استفاده شوند ابراز نگرانی کرده است.

باتری های اتمی و راکتورهای اتمی از واکنشهای اتمی خیلی متفاوتی استفاده میکنند. راکتورهای تولید انرژی اتمی از شکافت هسته ای کنترل شده استفاده میکنند. وقتی یک اتم سوخت اورانیوم 235 یا پلوتونیوم 239 دچار شکافت هسته ای میشود، نوترون هایی آزاد میشوند که شکافت های بیشتری را در یک واکنش زنجیره ای باعث میشوند که نرخ این واکنشها میتواند توسط جذب کننده های نوترون کنترل شود. این یک مزیت است که میزان قدرت تولیدی میتواند تغییر داده شود یا برای نگهداری و تعمیرات بکلی خاموش شود. اما همچنین یک عدم مزیت است که احتیاط لازم دارد تا از عملیات خارج از کنترل در سطوح خطرناک بالای توان تولیدی اجتناب شود.

واکنشهای زنجیره ای در باتری های اتمی رخ نمیدهند، بنابراین گرما با یک نرخ کاملا قابل پیشبینی که بصورت یکنواخت کاهش می یابد و فقط به مقدار سوخت و نیمهء عمر آن بستگی دارد تولید میشود. یک قدرت تولید شده بر اساس حادثه غیرممکن است. از طرف دیگر گرمای تولید شده نمیتواند بر اساس تقاضا تغییر داده یا خاموش شود. منابع کمکی (همچون باتری های قابل شارژ) ممکن است برای تامین تقاضاهایی ناگهانی بالا مورد نیاز باشند، و خنک سازی کافی باید همیشه، شامل زمان قبل از پرتاب و فازهای اولیهء پرواز یک ماموریت فضایی، تامین شود.

ریسک تهدید های هسته ای با پلوتونیوم 238 وجود ندارند. زیرا خصوصیاتی که باعث میشوند پلوتونیوم 238 برای سوخت باتری اتمی مناسب باشد، یعنی انرژی ویژهء آن، موجب میشوند تا برای ساخت سلاحهای اتمی بدون کاربرد باشد. پلوتونیوم 238 قابلیت ایجاد شکافت زنجیره ای را ندارد. بخاطر نرخ بالای شکافت خودبخودی آن در مقایسه با پلوتونیوم 239، وجود آن حتی بصورت یک ناخالصی باعث افزایش احتمال شروع زودرس واکنش زنجیره ای قبل از اینکه شرایط بهینه رخ دهند میشود که کارایی سلاح اتمی را بسیار پایین میاورد. یک میزان زیاد از پلوتونیوم 238 همچنین باعث تولید گرما خواهد شد که باید تا زمانیکه بمب استفاده شود از آن دفع شود.

پلوتونیوم 238 در قاعده میتواند بعنوان یک مرحلهء سوم برای افزایش قدرت یک اسلحهء گرماهسته ای از نوع شکافت-همجوشی(گداخت)-شکافت (fission-fusion-fission) استفاده شود، اما دلیلی برای استفاده از آن در این نقش وجود ندارد. اورانیوم طبیعی یا حتی ضعیف شده همچنین بوسیلهء نوترون های سریع گداخت هسته ای شکافته خواهد شد، و در عین حال بسیار در دسترس تر است و هنگام نگهداری اساسا هیچ گرمایی تولید نمیکند.

تصور میشود پلوتونیوم 238 میتواند در یک بمب تشعشعی یا بمب کثیف (بمب هایی که بمب اتمی نیستند، اما توسط مواد منفجرهء معمولی مواد رادیواکتیو را در محیط پیرامون پراکنده میکنند) برای استفاده از هراس عمومی زیادی که از پلوتونیوم وجود دارد استفاده شود.

راستی بعنوان بدست آمدن تصوری از نسبت تولید انرژی به وزن یک باتری اتمی، مشخصات یک نمونه از باتری اتمی پیشرفته رو ذکر میکنم:

باتری GPHS-RTG (یک نمونه طراحی آمریکایی استفاده شده در ماموریت های فضایی):
وزن کل دستگاه: 57 کیلوگرم
توان تولیدی: 300 وات الکتریسیته از حدود 4400 وات گرمای تولید شده
سوخت: حدود 7.8 کیلوگرم سوخت بر اساس پلوتونیوم 238