เครื่องผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากไอโซโทปรังสี (Radioisotope thermoelectric generator)

เครื่องผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากไอโซโทปรังสี
(Radioisotope thermoelectric generator)

กาตรวจสอบ RTG ของยานอวกาศ Cassini ก่อนปล่อยออกสู่อวกาศ

วัสดุนิวเคลียร์ที่ใช้ใน RTG ต้องมีคุณสมบัติจำเพาะหลายประการดังนี้

• ต้องมีครึ่งชีวิตยาวพอ จนสามารถใช้ผลิตพลังงาน ได้อย่างต่อเนื่องตลอดการใช้งาน ขณะเดียวกันก็ต้องมีครึ่งชีวิตที่สั้นพอ ที่จะสลายตัวได้เร็วจนสามารถให้ความร้อนออกมาได้ตามที่ต้องการ โดยทั่วไป ไอโซโทปรังสีที่ใช้ใน RTG จะมีครึ่งชีวิตหลายสิบปี แต่บางกรณีอาจจะใช้ไอโซโทปรังสีที่มีครึ่งชีวิตที่สั้นกว่า
• เชื้อเพลิงที่ใช้ในอวกาศต้องสามารถผลิตพลังงานต่อมวลต่อปริมาตรได้มาก แม้ว่าเรื่องนี้จะไม่ค่อยมีความสำคัญในการใช้งานบนโลก แต่การนำไปใช้ในอวกาศต้องการขนาดที่เล็กกว่า
• ให้รังสีพลังงานสูงที่มีอำนาจทะลุทะลวงต่ำ เช่น รังสีอัลฟา ขณะที่รังสีบีต้ามีการให้รังสีแกมมา หรือรังสีเอ๊กซ์จาก bremsstrahlung ออกมาด้วย ทำให้ต้องเพิ่มวัสดุกำบังรังสีมากขึ้น ไอโซโทปรังสีที่ใช้ต้องไม่มีรังสีแกมมา รังสีนิวตรอน หรือรังสีที่มีอำนาจทะลุทะลวงสูงชนิดอื่น ออกมาจากไอโซโทปลูก ที่เกิดขึ้นจากการสลายตัว

เฉพาะข้อกำหนด 2 ข้อแรก ก็ทำให้จำนวนไอโซโทป ที่สามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ มีเหลือน้อยกว่า 30 ไอโซโทป จากทั้งหมดที่มีในตารางไอโซโทปของธาตุ ไอโซโทปที่มักเลือกมาใช้ ได้แก่ Plutonium-238, curium-244 และ strontium-90 ส่วน polonium-210, promethium-147, caesium-137, cerium-144, ruthenium-106, cobalt-60, curium-242 และ thulium ก็มีการศึกษาวิจัยเพื่อจะนำมาใช้งานเช่นกัน โดย ²³⁸Pu ใช้วัสดุกำบังรังสีน้อยที่สุด และมีครึ่งชีวิตยาวที่สุด และถ้ารวมข้อกำหนดข้อที่ 3 จะมีเพียง 3 ไอโซโทป ที่ใช้งานได้ โดยใช้ตะกั่วหนาน้อยกว่า 1 นิ้ว ในการกำบังรังสีที่ไม่ต้องการ ซึ่งมี ²³⁸Pu เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด โดยใช้ตะกั่วหนาน้อยกว่า 1/10 นิ้ว และบางกรณีอาจไม่จำเป็นต้องใช้ เนื่องจากคอนเทนเนอร์ที่ใช้บรรจุก็เพียงพอแล้ว

²³⁸Pu เป็นเชื้อเพลิงที่มีการใช้ใน RTG มากที่สุด โดยอยู่ในรูปของพลูโตเนียมออกไซด์ (PuO₂) ²³⁸Pu มีครึ่งชีวิต 87.7 ปี ให้พลังงานต่อปริมาตรต่อน้ำหนัก (energy density) ที่เหมาะสม และให้รังสีแกมมากับรังสีนิวตรอนต่ำ RTG บางชนิดของรัสเซียที่ใช้บนพื้นโลก ใช้ ⁹⁰Sr ซึ่งเป็นไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิตสั้นกว่า มี energy density ต่ำกว่า และให้รังสีแกมมาออกมาด้วย แต่มีราคาถูกกว่า

RTG ต้นแบบบางรุ่นที่ผลิตขึ้นตอนแรก ในปี 1958 โดยสำนักงานคณะกรรมการพลังงานปรมาณูสหรัฐอเมริกา ใช้ ²¹⁰Po ซึ่งเป็นไอโซโทปที่มี energy density สูงมาก แต่มีข้อจำกัดที่มีครึ่งชีวิตสั้นมาก และให้รังสีแกมมาออกมาด้วย ²¹⁰Po บริสุทธิ์ น้ำหนักหนึ่งปอนด์ มีขนาดเท่ากับลูกบาศก์ยาวด้านละ 3 นิ้ว สามารถให้ความร้อน 63,500 วัตต์ (ประมาณ 140 วัตต์ต่อกรัม) ความร้อนสูงในตัวเอง ทำให้เกิดการหลอมเหลว และระเหยเป็นไอได้ง่าย มีการศึกษาการใช้ ²⁴²Cm และ ²⁴⁴Cm เช่นกัน แต่การเกิดปฏิกิริยาฟิชชันในตัวเอง (spontaneous fission) ทำให้เกิดรังสีแกมมาและรังสีนิวตรอน ซึ่งจำเป็นต้องใช้วัสดุกำบังรังสีปริมาณมาก

Americium-241 เป็นอีกตัวเลือกหนึ่ง เนื่องจากเป็นไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิตยาวกว่า ²³⁸Pu โดย ²⁴¹Am มีครึ่งชีวิต 432 ปี สามารถใช้ผลิตพลังงานได้เป็นร้อยปี แต่ ²⁴¹Am มี energy density เพียง 1/4 ของ ²³⁸Pu รวมทั้ง ²⁴¹Am ให้รังสีที่มีอำนาจทะลุทะลวงสูงกว่า ²³⁸Pu ทำให้ต้องใช้ตะกั่วในการกันรังสี ที่มีความหนา 0.7 นิ้ว (เป็นเชื้อเพลิงของ RTG ที่ใช้วัสดุกันรังสีหนาเป็นอันดับสอง ซึ่งมากกว่า ²³⁸Pu เท่านั้น)

RTGs ของรัสเซีย ซึ่งหมดสภาพแล้วใช้ไอโซโทป 90Sr เป็นเชื้อเพลิง

RTG ชุดแรกปล่อยออกสู่อวกาศ ในปี 1961 เป็นของสหรัฐอเมริกา ใช้กับยานอวกาศ Navy Transit 4A ส่วน RTG ที่ใช้บนพื้นโลก เป็นของกองทัพเรือสหรัฐ ใช้บนเกาะ Fairway Rock Island ในรัฐอลาสกา ซึ่งเป็นเกาะที่ไม่มีคนอาศัยอยู่ และใช้งานอยู่จนถึงปี 1995

ปกติมีการใช้ RTG เป็นแหล่งพลังงานในยานอวกาศ โดยเฉพาะยานสำรวจที่ต้องเดินทางห่างไกลออกไปจากดวงอาทิตย์ ทำให้ไม่สามารถใช้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ได้ ซึ่งมีการใช้ในยาน Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses และ Cassini มีการใช้ RTG ให้พลังงานในยานสำรวจ Viking 2 ลำ เพื่อทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์บนดวงจันทร์ ของลูกเรือจากยาน Apollo 12–17 มีการใช้ RTG กับดาวเทียม Nimbus, Transit และ Les ของสหรัฐอเมริกา มียานอวกาศไม่กี่ลำที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิดเต็มรูปแบบ ได้แก่ RORSAT ของโซเวียต และ SNAP-10A ของสหรัฐอเมริกา

นอกจากยานอวกาศแล้ว สหภาพโซเวียตได้สร้างประภาคาร และหอสัญญาณไฟ แบบไม่มีคนประจำการ โดยใช้พลังงานจาก RTG ไอโซโทปรังสี ⁹⁰Sr ซึ่งเป็นแหล่งพลังงาน ได้ทำให้เกิดปัญหาทางสิ่งแวดล้อม และความปลอดภัย เนื่องจากวัสดุกัมมันตรังสี มีการรั่วไหล หรือถูกโจรกรรมโดยไม่มีการรายงานหลังจากเวลาผ่านไปแล้วหลายปี (บางแห่งอาจจะไม่มีรายงานเลย เนื่องจากระบบการบันทึกข้อมูลไม่มีประสิทธิภาพ)

ในอดีต มีการใช้เซลล์พลูโตเนียม (“plutonium cells ) ซึ่งใช้ ²³⁸Pu ขนาดเล็ก เป็นตัวให้พลังงานกับเครื่องกระตุ้นหัวใจ เพื่อให้เป็นแบตเตอรีที่มีอายุยาวนาน ถึงปี 2003 ยังมีผู้ใช้อยู่ราว 150 ราย มีการวิตกกันว่าอาจทำให้เป็นอันตราย ถ้าผู้ใช้เสียชีวิตลง และไม่ได้นำออกมาก่อนทำการเผา มีการออกแบบเครื่องกระตุ้นหัวใจ และหัวใจเทียม โดยใช้วิธีอื่นในการผลิตไฟฟ้า เช่น Stirling engines, betavoltaic cells (ใช้วิธีผลิตไฟฟ้าโดยการจับประจุของรังสีบีต้าโดยตรง และ atomic batteries

ไม่เพียงแต่ RTG เท่านั้น มีการใช้วัสดุกัมมันตรังสี ซึ่งเรียกว่า radioisotope heater units สำหรับให้ความร้อนในยานอวกาศ และยานสำรวจ Mars Exploration Rovers, Galileo และ Cassini

เรื่องของอายุการใช้งานนี้ มีความสำคัญมากสำหรับปฏิบัติการ Galileo จากเดิมที่กำหนดจะปล่อยยานในปี 1986 แต่มีความล่าช้า เนื่องจากเกิดอุบัติเหตุของยานอวกาศ Challenger ทำให้ถูกเก็บรอไว้เป็นเวลา 4 ปี การสลายตัวของ RTG ทำให้ต้องมีการปรับแผนการใช้พลังงานในปฏิบัติการนี้ใหม่

รูปแสดงก้อน RTG ที่มีแสงสีแดง เนื่องจากการความร้อน RTG ใช้ thermocouples ในการเปลี่ยนความร้อนจากวัสดุกัมมันตรังสีไปเป็นไฟฟ้า thermocouples มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน แต่มีประสิทธิภาพต่ำมาก เนื่องจากยังไม่มี RTG ที่มีประสิทธิภาพเกิน 10% ส่วนใหญ่จะอยู่ที่ 3-7% ซึ่งอยู่ระหว่างการศึกษาเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ โดยการนำเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนวิธีอื่น ถ้าทำให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นได้ จะทำให้ใช้เชื้อเพลิงกัมมันตภาพรังสีน้อยลง รวมทั้งน้ำหนักทั้งหมดของอุปกรณ์ผลิตฟ้าลดลงด้วย ซึ่งเป็นตัวแปรสำคัญในการลดต้นทุนการปล่อยยานอวกาศ

อุปกรณ์ในการแปลงพลังงานซึ่งใช้หลักการ thermionic emission สามารถทำให้มีประสิทธิภาพ 10-20% แต่ต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่าการทำงานของ RTG เครื่องต้นแบบบางรุ่นของ ²¹⁰Po RTG ใช้วิธี thermionic โดยใช้ไอโซโทปรังสีสูงมากชนิดอื่น สามารถให้พลังงานออกมาได้ แต่มีครึ่งชีวิตสั้นเกินไป มีการใช้เครื่องปฏิกรณ์ฯ ร่วมกับ thermionic แต่เครื่องปฏิกรณ์ฯ โดยทั่วไปมีน้ำหนักเกินไปที่จะใช้กับยานสำรวจอวกาศ

Thermophotovoltaic cells ซึ่งใช้หลักการเดียวกับเซลล์แสงอาทิตย์ (photovoltaic cell) ต่างกันที่เป็นไม่ใช่แปลงพลังงานแสงสว่าง แต่แปลงจากแสงอินฟราเรดที่เปล่งออกจากพื้นผิวที่ร้อนไปเป็นไฟฟ้า Thermophotovoltaic cells มีประสิทธิภาพสูงกว่า thermoelectric couplers เล็กน้อย แต่สามารถวางอยู่บน thermoelectric couples และใช้ร่วมกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ มีการเสนอว่าได้ออกแบบ thermophotovoltaic cell ให้มีประสิทธิภาพสูงถึง 30% แต่ยังไม่สามารถยืนยันหรือสร้างขึ้นมาได้ Thermophotovoltaic cells เสื่อมสภาพเร็วกว่า thermocouples โดยเฉพาะในสภาพที่มีรังสีสูง จึงยังต้องมีการวิจัยที่มากกว่านี้

Thermophotovoltaic cells และ silicon thermcouples เสื่อมสภาพในการใช้งานกับรังสีสูง จึงมีผู้เสนอให้ยืดอายุการใช้งานของเซลล์ โดยการเคลื่อนสารกัมมันตรังสีไปยังเซลล์ใหม่

Dynamic generators ต่างจาก thermoelectrics เนื่องจากมีส่วนของกลไกในการเคลื่อนที่ในการเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นไฟฟ้า แต่การที่มีส่วนที่เคลื่อนที่อาจทำให้เกิดการสึกหรอและต้องการการบำรุงรักษา ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำไม่ได้ในยานสำรวจอวกาศ แหล่งพลังงานที่มีการเคลื่อนไหวจะทำให้เกิดการสั่น และทำให้เกิดคลื่นรบกวน NASA จึงได้มีการพัฒนา RTG รุ่นใหม่ เรียกว่า Stirling Radioisotope Generator (SRG) ซึ่งเป็นเครื่องยนต์ที่ไม่มีลูกสูบ (Free-Piston Stirling engines) เป็นตัวผลิตพลังงาน เครื่องต้นแบบของ SRG ได้แสดงให้เห็นว่า มีประสิทธิภาพโดยเฉลี่ย 23% ลูกสูบจะลอยอยู่ด้วยแรงแม่เหล็ก ทำให้ไม่เกิดแรงเสียดทานระหว่างที่มีการเคลื่อนที่ ตามทฤษฎีแล้ว SRG สามารถทำงานได้ต่อเนื่องนานเป็นสิบโดยไม่ต้องการการบำรุงรักษา สามารถลดการสั่นโดยหน่วงการเคลื่อนที่ของลูกสูบ การใช้งานในอนาคตของ STG อาจจะเป็นการใช้กับยานสำรวจดาวอังคาร (Mars Rovers) ซึ่งทำให้ไม่ต้องกังวลในเรื่องของการสั่น

ภาพแสดงเครื่องกำเนิดความร้อนที่ใช้ใน RTGs

RTG มีกระบวนการทำงานที่แตกต่างจากการผลิตความร้อนของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เนื่องจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ผลิตพลังงานจากปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องของอะตอม ซึ่งให้นิวตรอนออกมาทำให้อะตอมอื่นเกิดฟิชชันต่อกันไป และทำให้เกิดปฏิกิริยากับอะตอมจำนวนมากพร้อมกัน จึงให้ความร้อนจำนวนมากออกมาสำหรับผลิตไฟฟ้า แต่ถ้าไม่ควบคุมอย่างระมัดระวัง อาจทำให้อะตอมเกิดฟิชชันสูงมากเกินไป และเกิดความร้อนสูงจนทำลายเครื่องปฏิกรณ์ฯ ได้

ใน RTG ไม่มีปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่อง จึงไม่มีโอกาสที่จะเกิดการละลายของเครื่องปฏิกรณ์ฯ ความจริง RTG บางรุ่น ออกแบบมาไม่ให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน โดยทำให้การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี ไม่ไปกระตุ้นในเกิดปฏิกิริยากับอะตอมอื่น ทำให้เชื้อเพลิงของ RTG แบบนี้มีการใช้เชื้อเพลิงช้ามาก และทำให้ผลิตพลังงานออกมาน้อยเช่นกัน

ทั้งที่ RTG แบบนี้ สามารถทำให้เกิดการเปรอะเปื้อนทางรังสีได้ ถ้ามีเชื้อเพลิงรั่วไหลออกมาจากภาชนะบรรจุ ซึ่งจะก่อให้เกิดการเปรอะเปื้อนวัสดุกัมมันตรังสีในสิ่งแวดล้อม มีความกังวลถึงเรื่องการเกิดอุบัติเหตุในระหว่างการปล่อยยาน หรือเมื่อยานเคลื่อนเข้ามาใกล้โลก อาจปล่อยวัสดุอันตรายเข้าสู่บรรยากาศโลก

เท่าที่ทราบกันมีอุบัติเหตุเกี่ยวกับยานอวกาศที่ใช้พลังงานจาก RTG แล้ว 5 ครั้ง โดย 2 ครั้งแรก เกิดจากความล้มเหลวในการปล่อยดาวเทียม Transit และ Nimbus ของสหรัฐอเมริกา อีก 2 ครั้ง เกิดจากความล้มเหลวในการปล่อยยานสำรวจดวงจันทร์ ในปฏิบัติการ Cosmosของโซเวียต ครั้งสุดท้าย เกิดจากความล้มเหลวของปฏิบัติการ Apollo 13 ทำให้ ยานสำรวจดวงจันทร์ซึ่งมี RTG ด้วย กลับเข้าสู่บรรยากาศของโลกและเผาไหม้ไปเหนือฟิจิ ส่วนของ RTG ยังคงสภาพดีอยู่ และกลับเข้าสู่บรรยากาศของโลกโดยหล่นลงไปในหลุมที่ประเทศตองกา ในมหาสมุทรแปซิฟิก กระทรวงพลังงานสหรัฐ ได้ดำเนินการทดสอบน้ำทะเล และสรุปว่า ตัวถังที่ทำด้วยกราไฟต์ ได้รับการออกแบบมาให้ทนทานต่อการกลับเข้าสู่บรรยากาศโลก และไม่มีการปล่อยพลูโตเนียมออกมา การตรวจสอบในเวลาต่อมา ไม่พบการเพิ่มขึ้นของรังสีในสิ่งแวดล้อมในบริเวณนั้น

เพื่อลดความเสี่ยงที่จะทำให้เกิดการปล่อยสารกัมมันตรังสี เชื้อเพลิงจึงถูกเก็บไว้เป็นหน่วยที่แยกออกมาโดยมีวัสดุกันความร้อนในตัวเอง และบรรจุในตัวถังที่ทำด้วยโลหะอิริเดียมและแท่งกราไฟต์ที่มีความแข็งแรงสูง ซึ่งเป็นวัสดุที่ทนทานต่อการกัดกร่อน เชื้อเพลิงพลูโตเนียมเก็บไว้ในรูปเซรามิกส์ เพื่อให้ทนต่อการละลายและทนความร้อน เพื่อลดความเสี่ยงที่จะปล่อยกาซออกมา

พลูโตเนียม-238 ไม่มีความเสี่ยงต่อการแพร่ขยายนิวเคลียร์ เนื่องจากไม่เหมาะที่จะนำไปใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์ เพราะพลูโตเนียม-238 สามารถเกิดฟิชชันได้เองและให้นิวตรอนออกมา ทำให้ปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่อง เกิดขึ้นเร็วเกินไปในการจุดชนวนระเบิด ซึ่งอาจทำให้เชื้อเพลิงของระเบิดลุกลามหมดลงก่อนการใช้งาน นอกจากนั้นพลูโตเนียม-238 ให้ทั้งความร้อนและรังสีออกมา จึงมีความยุ่งยากในการนำไปผลิตระเบิด