Strašák RTG - energie a teplo pro vesmírné sondy

Před každým jejich použitím pořádají aktivisté protesty a demonstrace. Jsou RTG opravdu radioaktivní, nebezpečné a ohrozily by při pokaženém startu sondy život na celé zeměkouli?

Pro aktivisty jsou RTG (Radioisotopic  Thermoelement  Generator) (tedy generátory elektrické energie a tepla, pracující na principu rozpadu radioaktivních prvků) tím, čím je rudý hadr pro býka.

Při startu sond, do kterých bývá zabudovaný, prý může dojít k explozi, která rozptýlí radioaktivní látky po celé zeměkouli. RTG navíc využívají plutonium, prvek, jehož jméno nahání hrůzu už samo o sobě. Právem. Plutonium je nejen radioaktivní - je také jedním z nejjedovatějších chemických prvků.

Podívejme se na RTG bez emocí – jsou opravdu tak nebezpečné? Ohrožuje jejich použití celé lidstvo?

Princip funkce RTG

RTG je vlastně termočlánek, který mění teplo zdroje na stejnosměrný elektrický proud. Zdrojem tepla je radioaktivní rozpad jednoho specifického izotopu plutonia.

Plutonium je extrémně jedovatý chemický prvek, který vzniká například v jaderných reaktorech záchytem neutronů v uranu. V RTG se nachází plutonium, které je směsí několika radioaktivních  izotopů. Ta navíc v průběhu času trochu mění své složení, protože se některé izotopy rozpadají rychleji a některé pomaleji. Přesné složení tedy závisí také na „stáří“ RTG a tím i směsi jeho izotopů. 

Z bezpečnostních důvodů se pro RTG nepoužívá plutonium v kovové formě. Je oxidované, takže se svými vlastnostmi podobá keramice.  

Jak vypadá RTG?

Srdcem RTG jsou tablety, obsahující oxid plutoničitý.

Protože je výkon jednotlivých plutoniových tabletek malý, bývá jich v RTG zabudováno až několik desítek. Pro názornosti – pro RTG, který se nachází v sondě Cassini-Huygens, kroužící dnes kolem planety Saturnu, jeho tvůrci použili 12,2 kg oxidu plutoničitého. Je rozděleno do 72 jednotlivých modulů.

Plutoniové moduly jsou uloženy přímo v jádře RTG. Jádro je pak pokryto několika ochrannými vrstvami s různými vlastnostmi. Tepelnou energii, která se z modulů uvolňuje, převádí na elektrickou energii termočlánek, složený ze dvou různých kovů (například křemík a germanium). Na jejich styku se z rozdílu teplot tvoří rozdíl elektrických potenciálů. Po obvodu RTG jsou umístěna žebra, která systém chladí a zajišťují tak teplotní rozdíl, který je potřeba k výrobě elektrického proudu.

Ochrana RTG

RTG, používané vesmírnými sondami, musí být spolu se sondou nejprve dopraveny na oběžnou dráhu Země. V této fázi se také skrývá největší nebezpečí. Při výbuchu nosné rakety se použité plutonium nesmí rozptýlit do atmosféry Země. Proto má každá soustava důmyslný systém, který ji chrání před mechanickou námahou (výbuch) nebo námahou tepelnou (průchod atmosférou a rozžhavení třením o molekuly vzduchu).

První ochrannou vrstvu tvoří 2 mm iridia. Iridium je ušlechtilý kov, který  má vlastnosti srovnatelné s platinou. Je chemicky netečný, mechanicky odolný a dá se plasticky deformovat. Pohlcuje alfa záření, které vydává zdroj a co je hlavní, taví se teprve při 2454 °C.

Druhá vrstva je grafitová. Tato vrstva je velice lehká a navíc se při vysokých teplotách netaví. Až při 3370 °C sublimuje, tedy přechází přímo do plynného skupenství. Grafit se používá jako ochrana před vysokými teplotami. Má roli tepelného štítu, který by v případě nutnosti pohltil velkou část energie, která vzniká třením v atmosféře. Jen pro zajímavost – při sestupu z oběžné dráhy se na povrchu kosmických modulů dají naměřit teploty mezi 1600 a 2000 °C.

Nebezpečné plutonium, bezpečné RTG

Veškeré emoce, které RTG vyvolávají, jdou na vrub jeho tepelného zdroje. Plutonium je beze sporu velice nebezpečná hračka. Nakolik nebezpečné jsou ale konkrétní plutoniové tablety v RTG?

Je nejen extrémně jedovaté, je také silně karcinogenní – platí pro plutonium,  uvolňované například při atomovém výbuchu nebo při provozu jaderné elektrárny. Plutonium v RTG přitom zdaleka tak nebezpečné není. Jak je to možné?

Speciální izotopové složení

Typicky může plutoniový zdroj obsahovat například 69,3% Pu-238, 12,2% Pu-239, 1,7% Pu- 140, 0,3% Pu-141, 11,8% kyslíku, zatímco zbytek připadá na jiné chemické prvky (jiné aktinoidy).

Největší podíl tedy tvoří Pu-238, izotop, který vyzařuje alfa částice. Alfa záření se skládá z heliových jader. Je specifické tím, že se dá velice lehce odstínit. Běžné alfa záření dokonce nepronikne ani naší kůží. Nebezpečným se stane v okamžiku, kdy se dostane do těla. Relativně velké alfa-částice mohou v živých organismech napáchat nemalé škody. Tento izotop je tedy extrémně nebezpečný, pokud se nachází ve formě nepatrných částeček v atmosféře (například po výbuchu jaderné bomby). Je naopak neškodný, pokud je (jako v RTG zdrojích) ve formě velké pevné tablety. Jeho záření odstíní už i holá kůže a do těla se nedostane.

Také druhý a třetí nejčastěji zastoupený izotop, Pu-239 a Pu-240 je radioaktivní. Stejně jako Pu-238 vyzařují alfa částice.

Odolná keramika

Tablety, obsahující oxid plutoničitý, se chovají jako keramika. Taví se až při teplotě 2400 °C. V případě mechanického poškození by se rozpadly na několik částí. Tyto části by se daly v případě nehody ovšem lehce sesbírat.

K vypaření nebo rozmetání na malé prachové částečky, by nestačil ani výbuch nosné rakety, která je vynáší na oběžnou dráhu kolem Země. Vypařily by se teoreticky až při teplotě 3859 °C.

Zároveň nejsou plutoniové tablety rozpustné ve vodě, takže by k případné kontaminaci plutoniem nedošlo, ani kdyby spadly do oceánu, moře nebo řeky.

To se mimochodem v minulosti stalo už dvakrát. Při nepodařeném startu NIMBUS B-1 v roce 1968 a při návratu Apolla 13 v roce 1970. Při obou neštěstích nebyla naměřena žádná uvolněná radioaktivita.

RHU - topení radioaktivními elementy

V sondách, které vysíláme do vesmíru, nacházejí radioaktivní izotopy ještě jedno uplatnění – hrají roli topení.

K tomuto účelu se z oxidu plutoničitého tvarují malé tabletky, které mají rozměry 3,2 x 2,6 cm. Plutonium, které se v nich nachází, zásobuje sondu výkonem zhruba 1 W. Tyto malé tabletky mají dokonce ještě lepší ochranu před zničením, než jakou má RTG. Jsou obalené několika vrstvami slitiny platiny a rhodia a mají také svůj vlastní grafitový štít.

Těmto radioaktivním tepelným jednotkám se říká RHU (Radiosiotopic  Heater Units). Možnou havárii sondy by přežily ještě lépe než RTG, jsou totiž menší a bývají umístěny přímo uvnitř sondy.

RTG - drahá zábava

Plutoniové zdroje mají specifické izotopové složení. Nejsou proto zrovna levnou záležitostí.

Plutonium se sice neustále tvoří při provozu jaderných reaktorů - ale izotopu, který je potřeba k výrobě RTG (Pu-238), vzniká v reaktoru jen velmi malé množství (kolem 2 %).

Pu-238 se proto získává ve speciálních reaktorech, které slouží prakticky jen tomuto jednomu účelu.

Ze štěpného uranu-235 se tvoří záchytem neutronu uran-236 a uvolňuje se gama záření. Záchytem dalšího neutronu vzniká uran-237, který se vysláním beta záření (beta rozpad) mění na neptunium-237.

Toto nově vzniklé neptunium slouží k výrobě nových palivových tyčí. Ty se pak v reaktoru ozařují vysoce energetickými neutrony. Záchytem dalšího neutronu se tvoří neptunium-238, které se dalším beta rozpadem mění na plutonium-238. Procesem, který celý proces limituje, je tvorba neptunia-237. Ve srovnání s plutoniem se ho tvoří jen 0,1%. V praxi to znamená, že blok s výkonem 1000 MW produkuje ročně jen 10 kg neptunia a v jedné tuně palivových tyčí se ho ročně vytvoří jen 400 g.

Není tedy divu, že je cena plutonia,  používaného pro RTG, patřičně vysoká. Činí kolem 10 miliónů dolarů za kilogram.

Náhrada drahého plutonia zatím není v dohledu. Evropská vesmírná agentura ESA sice experimentuje s jedním z izotopů americia, celý projekt je zatím ale ve fázi experimentu.