Радиоизото́пные исто́чники эне́ргии — устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.

Радиоизотопный источник энергии принципиально отличается от атомного реактора тем, что в нём используется не управляемая цепная ядерная реакция, а энергия естественного распада радиоактивных изотопов.

Виды и типы генераторов и элементов Радиоизотопные источники питания подразделяются на: Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи): используются термоэлементы. Радиоизотопные термоэмиссионные генераторы: используется термоэмиссионный преобразователь. Радиоизотопный стирлинг-генератор — свободнопоршневой (без кривошипно-шатунного механизма) двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока (ASRG). Радиоизотопные комбинированные генераторы: используются термоэмиссионный преобразователь (1-я ступень) и термоэлементы (2-я ступень преобразования). Радиоизотопные паротурбинные генераторы: парортутные или пароводяные турбины и электрогенератор — цикл Ренкина. Атомные элементы (бета-вольтаические): альфа- и бета-излучающие изотопы, помещённые в вакуумные капсулы, создают очень высокое напряжение при малых токах. Атомные полупроводниковые элементы: облучение полупроводниковых сборок в заданном направлении. Радиоизотопные пьезоэлектрические источники. Радиоизотопные оптико-электрические источники. Радиоизотопные источники высокопотенциального тепла: получение нагретых жидкостей (вода, топливо и др.) и газов для отопления, обогрева резервных батарей и др. Радиоизотопные подогреватели и ионизаторы воздуха: подогрев (частичный) и сильная ионизация воздуха или кислорода, подаваемого в металлургические печи (интенсификация горения топлива). Радиоизотопные реактивные двигатели: используются высококонцентрированные и тугоплавкие соединения радиоизотопов с максимальным выделением энергии для нагрева рабочих тел (водород, гелий), используемых в реактивных двигателях малой мощности (маневрирование спутников).

Применяемые изотопы (топливо) и требования к нему Источником тепла или топливом радиоизотопных источников тока являются достаточно короткоживущие радиоактивные изотопы различных химических элементов. Основными требованиями к изотопам и, соответственно, к источникам тепла изготовленных из них соединений и сплавов являются: достаточно большой период полураспада, безопасность в обращении и эксплуатации (желательно отсутствие проникающих излучений: жёсткого гамма-излучения и нейтронов), высокая температура плавления сплавов и соединений, большое удельное энерговыделение, а для изотопов, способных к делению, также и возможно бо́льшая критическая масса. Очень важное место при выборе рабочего изотопа играет образование дочернего изотопа, способного к значительному тепловыделению, так как цепь ядерного преобразования при распаде удлиняется и соответственно возрастает общая энергия, которую можно использовать. Наилучшим примером изотопа с длинной цепью распада и с энерговыделением на порядок бо́льшим, чем у большинства других изотопов, является уран-232. Недостатком его является то, что входящий в его радиоактивный ряд таллий-208 испускает очень жёсткое гамма-излучение (), которое сложно экранировать. Известно более 3000 радиоизотопов, но лишь немногие подходят на роль источников тепла в радиоизотопных генераторах. Изотопы, наиболее часто используемые для радиоизотопных источников энергии в настоящее время, перечислены в следующей таблице:

+Освоенные практикой радиоизотопные источники теплаИзотопПолучение (источник)Удельная мощность для чистого изотопа, Вт/гОбъёмная мощность, Вт/см³Плотность топлива, г/см³Температура плавления топлива, °CКоличество топлива, кюри/ВтИнтегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/гРабочая форма изотопа60СоОблучение в реакторе2,9~268,9~1480~3905,271 года193,2Металл, сплав238Puоблучение нептуния-237 в реакторе0,5685,911,5240030,387,7 года608,7PuO290Srосколки деления~2,3С учётом короткоживущего (=64 часа) дочернего изотопа иттрий-90.~9,2 (SrO) ~5,7 (SrTiO3)4,7 (SrO) 5,1 (SrTiO3)2430 (SrO) 2080 (SrTiO3)~6028,8 года~840SrO, SrTiO3144Ceосколки деления2,6~167,62400128285 сут.57,439CeO2242Cmатомный реактор121116911,75~227027,2162 сут.677,8Cm2O3147Pmосколки деления0,371,16,6230027002,64 года12,34Pm2O3137Csосколки деления0,27~0,86464532033 года230,24CsCl210Poоблучение висмута в реакторе14213209,4600 (PbPo)31,2138 сут.677,59сплавы с Pb, Y, Аu244Cmатомный реактор2,833,2511,75~227029,218,1 года640,6Cm2O3232Uоблучение тория в реакторе8,097С учётом полной цепи распада короткоживущих дочерних изотопов~77,910,95 (UO2)285068,9 года4887,103UO2, UC, UN.106Ruосколки деления29,8369,81812,412250~371,63 сут.9,854металл, сплав

Следует отметить то обстоятельство, что выбор изотопного источника тепла прежде всего определяется диапазоном выполняемых энергоисточником задач и временем выполнения этих задач. Огромным недостатком радиоизотопов является то обстоятельство, что их энерговыделение невозможно регулировать (остановить или ускорить), можно лишь отсекать поток тепла от преобразователей.

Помимо урана-232, интерес привлекают к себе изотопы тяжёлых трансурановых элементов, прежде всего плутоний-238, кюрий-242, кюрий-244, и другие изотопы трансурановых элементов, например калифорний-248, калифорний-249, калифорний-250, эйнштейний-254, фермий-257, а также ряд более лёгких изотопов, например полоний-208, полоний-209, актиний-227.

Теоретический интерес представляют также различные ядерные изомеры и предполагаемые новые сверхтяжёлые элементы.

Экономические характеристики важнейших генераторных изотопов +Данные о стоимости и производстве важнейших радиоизотоповИзотопПроизводство в 1968 г., кВт(тепл.)/годПроизводство в 1980 г., кВт(тепл.)/годСтоимость в 1959 г., долл./ВтСтоимость в 1968 г., долл./ВтСтоимость в 1980 г., долл./ВтЦены в 1975 г. (Окридж), долл./грамм60Сонет данных1000нет данных2610106238Pu17400нет данных160054024290Sr67850170302020144Ce800100003919250242Cm17252147Pm5,54071055822075137Cs4885095262410210Po14нет данныхнет данных780201010244Cm2964612232U

+Выход генераторных изотопов, производимых в атомных реакторахИзотопВещество и масса мишениДлительность облученияПлотность потока нейтронов (см−2·с−1)Выход изотопа в граммахНеиспользованная часть мишени60СоКобальт-59 (100 г)1 год21,6 г238PuНептуний-237 (100 г)3 года220 г210PoВисмут-209 (1 тонна)1 год24 г242CmАмериций-241 (100 г)1 год26 г232U2

С развитием и ростом ядерной энергетики цены на важнейшие генераторные изотопы быстро падают, а производство изотопов быстро возрастает, что и предопределяет расширение радиоизотопной энергетики. В то же время стоимость изотопов, получаемых облучением (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242 и др.), снижается незначительно, и потому во многих странах, обладающих развитой радиоизотопной промышленностью, изыскиваются способы более рациональных схем облучения мишеней, более тщательной переработки облучённого топлива. В значительной мере надежды на расширение производства синтетических изотопов связаны с ростом сектора реакторов на быстрых нейтронах и возможным появлением термоядерных реакторов. В частности, именно реакторы на быстрых нейтронах с использованием значительных количеств тория позволяют надеяться на получение больших промышленных количеств урана-232. Повышение объёмов производства изотопов специалисты связывают прежде всего с увеличением удельной мощности реакторов, уменьшением утечки нейтронов, увеличением флюенса нейтронов, сокращением сроков облучения мишеней, разработкой непрерывных циклов отделения ценных изотоповПентагону не хватило российского плутония. Америка разворачивает собственное производство ядерных энергетических установок // Lenta.ru.

При использовании изотопов во многом разрешается проблема утилизации отработанного ядерного топлива, и радиоактивные отходы из опасного мусора превращаются не только в дополнительный источник энергии, но и в источник значительного дохода. Практически полная переработка облучённого топлива способна приносить денежные средства, сопоставимые со стоимостью энергии, выработанной при делении ядер урана, плутония и других элементов.

+Общая мощность продуктов деления, производимых ядерными энергетическими установкамиГодУстановленная электрическая мощность за год, МВтСуммарная мощность, МВтСуммарная мощность реактора, МВтОбщая мощность и излучения изотопов, кВт196116116164438619621613221288772196318750920361222196418769627841670196521491036402184196642813385352321119676702008803248191968830283811352681119691687452518100108601970206265872634815809197121438730349202095219722357110874434826609197325711365854632327791974308016658666323997919754339209978398850393

Области применения

Радиоизотопные источники энергии применяются там, где необходимо обеспечить автономность работы оборудования, значительную надёжность, малый вес и габариты. В настоящее время основные области применения — это космос (спутники, межпланетные станции и др), глубоководные аппараты, удалённые территории (крайний север, открытое море, Антарктика). Например, изучение дальнего космоса без радиоизотопных генераторов невозможно, так как при значительном удалении от Солнца уровень солнечной энергии, который можно использовать посредством фотоэлементов, исчезающе мал. Например, на орбите Сатурна освещённость Солнцем в зените соответствует земным сумеркам. Кроме того, при значительном удалении от Земли для передачи радиосигналов с космического зонда требуется очень большая мощность. Таким образом, единственным возможным источником энергии для КА в таких условиях, помимо атомного реактора, выступает именно радиоизотопный генератор.

Существующие области применения: Энергообеспечение космических аппаратов (тепловая и электрическая энергия; список неполон): «Викинг-1 и −2» «Пионер» «Вояджер-1» «Вояджер-2» Луноходы «Кассини» «Новые горизонты» «Персеверанс (марсоход)»

Медицина: электропитание электрокардиостимуляторов и др. Энергопитание маяков и бакенов.

Перспективные области применения: Роботы-андроиды: Электротеплопитание. Как основной источник энергии. Боевые лазеры космического базирования: Накачка лазеров и электротеплопитание. Боевые машины: Мощные двигатели с большим ресурсом (беспилотные разведывательные аппараты — самолёты и мини-лодки, энергопитание боевых вертолётов и самолётов, а также танков и автономных пусковых установок). Глубоководные гидроакустические станции: длительное энергопитание невозвращаемых аппаратов.

Конструкция При конструировании радиоизотопных источников энергии инженеры руководствуются максимально возможными характеристиками материалов и соответственно лучшим итоговым результатом. В то же время при создании конструкции необходимо также учитывать экономические факторы и вторичные опасности. Так, например, при использовании альфа-излучающих рабочих изотопов с большим удельным энерговыделением часто необходимо разбавить рабочий изотоп для уменьшения тепловыделения. В качестве разбавителей используются различные металлы, в случае применения изотопа в форме оксида или другого соединения — разбавление производится подходящим инертным оксидом и др. Следует учитывать вторичные реакции частиц, излучаемых рабочим радиоизотопом, с материалом-разбавителем; так, хотя бериллий или его тугоплавкие соединения (оксид, карбид, борид) удобны в качестве разбавителя бета-активных изотопов (вследствие большой теплопроводности, малой плотности, большой теплоёмкости), но в контакте с альфа-активным изотопом ввиду эффективности -реакций на лёгких ядрах источник тепла превратится в весьма опасный источник нейтронов, что по соображениям безопасности совершенно недопустимо.

При конструировании защитных оболочек от гамма-излучения наиболее предпочтительными материалами является прежде всего свинец (ввиду его дешевизны) и обеднённый уран (ввиду гораздо лучшей способности к поглощению гамма-излучения).