Heim

Radioisotopengenerator

Dieser Artikel beschreibt Radioisotopengeneratoren zur elektrischen Energieversorgung. Unabhängig hiervon werden manchmal auch Vorrichtungen so genannt, in denen ein für medizinische Zwecke benötigtes kurzlebiges Radionuklid laufend als Zerfallsprodukt eines langlebigen Mutternuklids erzeugt wird, z. B. der Gallium-68-Generator.

Ein Radioisotopengenerator, auch Isotopenbatterie oder Atombatterie genannt, erzeugt elektrische Energie aus der Energie des spontanen Kernzerfalls eines Radionuklides.

Die Isotopen-Generatoren gewinnen ihre Energie durch Radioaktiven Zerfall und nicht durch Kernspaltung mit Kettenreaktion. Sie sind daher von Kernreaktoren zu unterscheiden.

Wesentliche Merkmale von Isotopenbatterien sind, dass sie autonom, wartungsfrei und sehr lange (Jahre bis Jahrzehnte) elektrische Energie liefern und - außer dem Piezoelektrischen Isotopengenerator - ohne bewegliche Teile arbeiten.

Inhaltsverzeichnis

Übersicht verschiedener Radioisotopengeneratoren

Zur Energiewandlung kommen mehrere Prinzipien in Frage bzw. wurden erprobt:

Daneben existieren weitere Typen:

Thermoelektrischer Isotopengenerator

Er wird auch nach der englischen Bezeichnung radioisotope thermoelectric generator auch kurz RTG genannt. Er gewinnt Elektrizität aus Wärme, die beim natürlichen Zerfall von radioaktiven Isotopen entsteht und besteht aus einem radioaktiven Heizelement (engl. radioisotope heating unit (RHU) oder general purpose heat source (GPHS)), einem thermoelektrischen Generator und einem Kühlkörper.

Prinzip

Durch den spontanen radioaktiven Zerfall eines künstlich hergestellten Radioisotops entsteht Wärme, die durch einen thermoelektrischen Generator direkt, d. h. ohne bewegte Teile, in Elektrizität umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad beträgt dabei nur 3 bis 8%. Die Thermoelemente benötigen einen möglichst großen Temperaturunterschied zur Stromerzeugung. Deshalb wird eine Seite durch das radioaktive Präparat erhitzt, die andere Seite strahlt über eine große, dunkle Fläche Wärmeenergie in das Weltall ab und wird so gekühlt.

Radionuklide

Damit der RTG während der Einsatzdauer nicht zu stark an Leistung einbüßt, sollte das verwendete Radioisotop eine Halbwertszeit besitzen, die wesentlich größer ist als die geplante Betriebszeit. In der Praxis heißt das also meistens einige Jahrzehnte Halbwertszeit. In der Raumfahrt muss das Radioisotop eine energiereiche Strahlung abgeben, um eine in Relation zu seinem Gewicht und seinem Volumen große Wärmeabgabe zu erreichen. Die Strahlung muss auch durch eine dünne Abschirmung aufgehalten werden können, damit der RTG nicht zu schwer wird. Deshalb sind Betastrahler wegen der Freisetzung von Bremsstrahlung und Gammastrahler und Isotope mit hoher Spontanspaltungsrate wegen der Freisetzung von Gammastrahlen und Neutronen nicht gut geeignet.[1]

Dabei ist das Radioisotop im RTG so angeordnet das auch bei Isotopen von Transuranen die Kritische Masse nicht erreicht oder überschritten wird, und eine Kettenreaktion durch spontane Spaltungen ausgeschlossen ist.

Bei Anwendungen auf der Erde ist das Gewicht der Abschirmung und die Leistungsdichte jedoch oft weniger wichtig, dafür jedoch der Preis des Radionuklids. Deshalb werden auf der Erde auch Betastrahler in RTGs verwendet. Die Zerfallsprodukte (in der ganzen Zerfallsreihe) des gewählten Isotops dürfen jedoch ebenfalls keine extrem starken Strahler sein, da bereits geringe Mengen fast sofort gebildet werden, was zu sehr starker Strahlung führen würde.

Praktisch infrage kommen deshalb meistens nur Radionuklide mit über 10 Jahren Halbwertszeit:

Aufbau

Ein Radioisotopengenerator enthält ein oder mehrere radioaktive Heizelemente, die entweder direkt in den Radioisotopengenerator eingeschoben werden oder bei modernen Typen zur Steigerung der Sicherheit erst hermetisch in mehrere Schichten widerstandsfähiger Materialien gekapselt werden. Der Radioisotopengenerator besteht aus einem Metallzylinder, in dessen Wand die Thermoelemente eingelassen sind. Er besitzt an seiner Außenwand Kühlrippen, um die von den Heizelementen erzeugte Wärme abzugeben und so die für den Betrieb der Thermoelemente notwendige Temperaturdifferenz herzustellen. Wenn die radioaktiven Heizelemente nicht einzeln gegen äußere Einflüsse verpackt werden, muss das Gehäuse des Radioisotopengenerators von innen aus den verschiedenen Schutzschichten bestehen, um die Freisetzung von radioaktivem Material auszuschließen.

Anwendung

Aufgrund ihrer Einfachheit und langen Laufzeit finden RTGs dort Verwendung, wo kein Stromnetz vorhanden ist, kein Strom auf andere Art erzeugt werden kann (z.B. mit Solarzellen) und wo Wartung und Nachfüllen eines Generators selten oder nie möglich ist. In der UdSSR wurden sehr leistungsstarke RTGs mit 90Strontium-Füllung verwendet, um Leuchttürme und Funkfeuer am Polarkreis zu betreiben.[7]
In einer Tabelle der von der Sowjetunion 1976 bis 1990 zur terrestrischen Nutzung gefertigter RTG lassen sich Wirkungsgrade von ca. 2,5…6 % errechnen.[8]

Als problematisch wird heute der Einsatz von Isotopenbatterien in Herzschrittmachern der ersten Generation betrachtet, die mit Pu-RTGs betrieben wurden.[9] Durch die Langlebigkeit sollten unnötige Eingriffe zum Batteriewechsel vermieden werden. Es gibt heute (2005) weltweit noch etwa 100 Träger derartiger Implantate. Seit längerem werden Herzschrittmacher dagegen nur noch mit chemisch arbeitenden Lithium-Batterien betrieben und erreichen damit eine Betriebszeit bis zu 10 Jahren.

Die bekannteste und heute einzige Anwendung von RTGs ist die Raumfahrt, wo sie zur Stromversorgung von Sonden zu den äußeren Planeten dienen. Jenseits der Mars-Umlaufbahn reicht die Strahlung der weit entfernten Sonne nicht mehr aus, um mit Solarzellen in praktikabler Größe den Energiebedarf der Sonden zu decken. RTGs sind die derzeit einzigen Generatoren, die leicht und zuverlässig genug sind, um in eine Sonde integriert zu werden und die ausreichend lange Strom liefern können. Alle Raumsonden, die zum Planeten Jupiter oder weiter fliegen, wie Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons wurden mit Isotopenbatterien ausgerüstet.

Die Anfang der 1970er Jahre von den Apollo-Astronauten auf dem Mond aufgestellten automatischen Meßstationen (ALSEP) bezogen ihre Energie ebenfalls von Isotopenbatterien.

Typische Generatoren für Raumsonden sind mit keramischem Plutoniumdioxid (PuO2) in Form fester Blöcke befüllt – es ist chemisch stabiler, nahezu wasserunlöslich, zerstäubt nicht und hat einen höheren Schmelzpunkt als metallisches Plutonium.

In der Raumfahrt dienen Heizelemente (RHU, Radioisotope Heater Unit) dazu durch die Beheizung von Raumsonden den Betrieb ihrer elektronischen Schaltungen im kalten Raum fernab der Sonne zu ermöglichen. Verwendet wird wie in den RTGs dazu Plutoniumoxid. Ein RHU enthält 2,7 g PuO2, eingeschlossen in eine 3,2 cm x 2,6 cm große Kapsel, und liefert eine thermische Leistung von ca. 1 W bei einem Gesamtgewicht von ca. 40 g.[10]

Radioaktivitäts-Problematik

Die Radioisotope in einer Isotopenbatterie zerfallen nach den für das jeweilige Isotop spezifischen Halbwertszeiten und nicht durch neutroneninduzierte Kernspaltung. Daher besteht keine Gefahr einer Kettenreaktion.
Bei beschädigter Abschirmung, Zerstörung oder Defekten können die Isotope aber ihre Umgebung kontaminieren. Weiterhin besteht das Risiko einer Entwendung. Zwar können damit keine Kernwaffen hergestellt werden, da hierfür durch Neutronen leicht spaltbare Isotope wie Plutonium-239 benötigt würden, aber die Radioisotope könnten von Terroristen in „schmutzigen Bomben“ eingesetzt werden, bei denen gezielt radioaktives Material verstreut wird, um Schrecken zu verbreiten.

Raumfahrt

Eine umfangreiche Debatte zum Thema Radioaktivität von RTGs in der Raumfahrt fand 1997 statt, als die NASA-Mission Cassini-Huygens zum Saturn startete. Anwohner des Weltraumbahnhofs und Umweltverbände protestierten, da sie bei einem Fehlstart schwerwiegende Umweltschäden befürchteten. Ein weiteres Risiko wurde hinsichtlich eines Fly-by-Manövers der Sonde an der Erde im August 1999 gesehen, der sie zum Saturn beschleunigte.

Das Thema kam erneut an die Öffentlichkeit, als im Januar 2006 die NASA die Raumsonde New Horizons mit einer Isotopenbatterie an Bord zum Zwergplaneten Pluto startete.

Das Gehäuse der Radioisotopengeneratoren für Raumsonden und Satelliten ist jedoch derart konstruiert, dass sie eine Explosion der Trägerrakete oder einen unkontrollierten Wiedereintritt überstehen, ohne dass eine Freisetzung der Radioisotope in die Atmosphäre stattfindet. Eine Entwendung der Isotope nach dem Start ist ausgeschlossen.

Terrestrische Anwendungen in der ehemaligen UdSSR

Wegen der insgesamt großen Menge von Isotopenmaterial wird auch die Anwendung in den Nachfolgestaaten der UdSSR als problematisch gesehen. Dort wurden von 1960 bis ca. 1980 etwa 1500 Radioisotopengeneratoren hergestellt. Sie wurden für Verwendungszwecke wie die Stromversorgung abseits gelegener Leuchttürme oder militärischer Funkstationen konstruiert, wobei wegen des hohen Leistungsbedarfs dieser Anwendungen große Mengen radioaktiven Materials eingesetzt wurden[11].

Alle dieser Geräte haben mittlerweile ihre Lebensdauer überschritten. Aufgrund der schleppenden Demontage und Entsorgung durch die zuständigen Behörden sowie der meist unzureichenden Sicherung dieser Anlagen kam es mindestens bis 2006 zu Freisetzungen strahlenden Materials durch Korrosion und insbesondere durch Metall-Diebstähle[12].

Auch aus Georgien wurde berichtet, dass Holzfäller in Wäldern die liegengelassenen Bestandteile der Isotopenbatterien ehemaliger mobiler militärischer Funkanlagen fanden.[13]

Nach Zahlen des US-Energieministeriums verbleiben per Ende 2007 noch immer über 850 zu entsorgende Radioisotopengeneratoren in Russland[14]

Quellen

  1. http://saturn.jpl.nasa.gov/spacecraft/safety/eisss2.pdf Section 4
  2. http://de.wikipedia.org/wiki/Halbwertszeit#Radioaktive_Halbwertszeit
  3. http://en.wikipedia.org/wiki/Caesium-137
  4. http://87.139.25.178:81/ger/theory.htm
  5. en:Radioisotope_thermoelectric_generator#Fuels
  6. Nuklide für RTGs (PDF) letzte Seite
  7. http://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator#Use
  8. http://www.bellona.org/english_import_area/international/russia/navy/northern_fleet/incidents/31772
  9. Herzschrittmacher mit Plutonium (engl.)
  10. Radioisotope Heater Units
  11. http://www.bellona.no/bellona.org/english_import_area/international/russia/navy/northern_fleet/incidents/37598
  12. Chernobyl-like slovenliness today: RTGs are being vandalized near Norilsk (2006)
  13. IAEA Bulletin Volume 48, No.1 - Remote Control: Decommissioning RTGs (engl.)
  14. http://www.iaea.org/OurWork/ST/NE/NEFW/CEG/documents/ws052007_15E.pdf
 Commons: Radioisotopengenerator – Bilder, Videos und Audiodateien