Радиоизотопные термоэлектрические генераторы: источник энергии для космоса и удаленных объектов

Введение

Электрогенератор, использующий тепло от радиоактивного распада.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ, RITEG), иногда называемый радиоизотопной энергетической системой (RPS), представляет собой тип ядерной батареи, использующей массив термопар для преобразования тепла, выделяемого при распаде подходящего радиоактивного материала, в электричество посредством эффекта Зеебека. Этот тип генератора не имеет движущихся частей и идеально подходит для развертывания в удаленных и суровых условиях на длительные периоды времени без риска износа или выхода из строя компонентов. РТГ обычно являются наиболее предпочтительным источником энергии для систем, не требующих обслуживания, которым необходимо несколько сотен ватт (или меньше) мощности в течение периодов времени, слишком длительных для экономичного обеспечения топливными элементами, батареями или генераторами, а также в местах, где использование солнечных батарей нецелесообразно. РТГ использовались в качестве источников энергии в спутниках, космических аппаратах и беспилотных удаленных объектах, таких как серия маяков, построенных Советским Союзом за Полярным кругом. Безопасное использование РТГ требует надежного удержания радиоизотопов в течение длительного времени после окончания срока службы устройства. Высокая стоимость РТГ обычно ограничивает их применение специализированными областями в редких или особых случаях.

История

RTG был изобретен в 1954 году учеными из лаборатории Mound Laboratories Кеннетом (Кеном) С. Джорданом (1921-2008) и Джоном Бирденом (1918-2011). В 2013 году они были удостоены чести быть занесенными в Национальный зал славы изобретателей. Джордан и Бирден работали над контрактом Корпуса связи Армии (R 65 8 998 11 SC 03 91), начиная с 1 января 1957 года, для проведения исследований радиоактивных материалов и термопар, подходящих для прямого преобразования тепла в электрическую энергию с использованием полония-210 в качестве источника тепла. RTG были разработаны в США в конце 1950-х годов в лабораториях Mound в городе Майамисберг, штат Огайо, по контракту с Комиссией по атомной энергии США. Проект возглавлял доктор Бертрам К. Бланк. Первым RTG, запущенным в космос Соединенными Штатами, был SNAP 3B в 1961 году, работавший на 96 граммах металла плутония-238, на борту космического аппарата Navy Transit 4A. Одним из первых применений RTG на Земле стало использование в 1966 году ВМС США на необитаемом острове Фэрвей-Рок на Аляске. RTG использовались на этом объекте до 1995 года. Распространенным применением RTG является питание космических аппаратов. Системы вспомогательной ядерной энергии (SNAP) использовались для зондов, которые путешествовали на большие расстояния от Солнца, что делало использование солнечных панелей непрактичным. Поэтому они применялись на аппаратах Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini, New Horizons и Mars Science Laboratory. RTG использовались для питания двух посадочных аппаратов Viking и для научных экспериментов, оставленных на Луне экипажами "Аполлона-12" по "Аполлон-17" (SNAP 27s). Поскольку лунная посадка "Аполлона-13" была прервана, его RTG покоится в южной части Тихого океана, в районе Тонгаского желоба. RTG также использовались для спутников Nimbus, Transit и LES. Для сравнения, лишь несколько космических аппаратов были запущены с использованием полноценных ядерных реакторов: советская серия РОРСАТ и американская SNAP 10A. Помимо космических аппаратов, Советский Союз построил 1007 RTG. В Советском Союзе было построено множество различных типов RTG (включая тип Бета-М) для широкого спектра целей. Маяки не обслуживались в течение многих лет после распада Советского Союза в 1991 году. Некоторые RTG исчезли в этот период – либо в результате мародерства, либо из-за воздействия природных сил: льда, штормов и моря. С 1992 года ВВС США также использовали RTG для питания удаленного арктического оборудования, а правительство США использовало сотни таких устройств для питания удаленных станций по всему миру. Станции обнаружения для радиолокационных систем Top ROCC и SEEK IGLOO, расположенные преимущественно на Аляске, используют RTG. В этих устройствах используется стронций-90, и большее количество таких устройств было развернуто как на суше, так и на дне океана, чем на космических аппаратах. Общедоступные нормативные документы указывают на то, что США развернули по крайней мере 100–150 таких устройств в 1970-х и 1980-х годах. В прошлом небольшие "плутониевые ячейки" (очень маленькие RTG, работающие на 238Pu) использовались в имплантируемых кардиостимуляторах для обеспечения очень длительного "срока службы батареи". По состоянию на 2004 год около девяноста из них все еще использовались. К концу 2007 года их число, по сообщениям, сократилось до девяти. Программа кардиостимуляторов с использованием RTG в лаборатории Mound началась 1 июня 1966 года совместно с NUMEC. Когда было установлено, что источник тепла не останется неповрежденным во время кремации, программа была отменена в 1972 году, поскольку не было возможности полностью гарантировать, что устройства не будут кремированы вместе с телами их пользователей.

The RTG was invented in 1954 by Mound Laboratories scientists Kenneth (Ken) C. Jordan (1921 2008) and John Birden (1918 2011). They were inducted into the National Inventors Hall of Fame in 2013. Jordan and Birden worked on an Army Signal Corps contract (R 65 8 998 11 SC 03 91) beginning on 1 January 1957, to conduct research on radioactive materials and thermocouples suitable for the direct conversion of heat to electrical energy using polonium 210 as the heat source. RTGs were developed in the US during the late 1950s by Mound Laboratories in Miamisburg, Ohio, under contract with the United States Atomic Energy Commission. The project was led by Dr. Bertram C. Blanke. The first RTG launched into space by the United States was SNAP 3B in 1961 powered by 96 grams of plutonium 238 metal, aboard the Navy Transit 4A spacecraft. One of the first terrestrial uses of RTGs was in 1966 by the US Navy at uninhabited Fairway Rock in Alaska. RTGs were used at that site until 1995. A common RTG application is spacecraft power supply. Systems for Nuclear Auxiliary Power (SNAP) units were used for probes that traveled far from the Sun rendering solar panels impractical. As such, they were used with Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini, New Horizons, and the Mars Science Laboratory. RTGs were used to power the two Viking landers and for the scientific experiments left on the Moon by the crews of Apollo 12 through 17 (SNAP 27s). Because the Apollo 13 Moon landing was aborted, its RTG rests in the South Pacific Ocean, in the vicinity of the Tonga Trench. RTGs were also used for the Nimbus, Transit and LES satellites. By comparison, only a few space vehicles have been launched using full fledged nuclear reactors: the Soviet RORSAT series and the American SNAP 10A. In addition to spacecraft, the Soviet Union built 1,007 RTGs Many different types of RTGs (including Beta M type) were built in the Soviet Union for a wide variety of purposes. The lighthouses were not maintained for many years after the dissolution of the Soviet Union in 1991. Some of the RTG units disappeared during this time—either by looting or by the natural forces of ice/storm/sea. As of 1992, the United States Air Force also used RTGs to power remotely located Arctic equipment, and the US government has used hundreds of such units to power remote stations globally. Sensing stations for Top ROCC and SEEK IGLOO radar systems, predominantly located in Alaska, use RTGs. The units use strontium 90, and a larger number of such units have been deployed both on the ground and on the ocean floor than have been used on spacecraft, with public regulatory documents suggesting that the US had deployed at least 100–150 during the 1970s and 1980s. In the past, small "plutonium cells" (very small 238Pu powered RTGs) were used in implanted heart pacemakers to ensure a very long "battery life". as of 2004, about ninety were still in use. By the end of 2007, the number was reported to be down to just nine. The Mound Laboratory Cardiac Pacemaker program began on 1 June 1966, in conjunction with NUMEC. When it was recognized that the heat source would not remain intact during cremation, the program was cancelled in 1972 because there was no way to completely ensure that the units would not be cremated with their users' bodies.

Дизайн

Конструкция РТГ проста по стандартам ядерной технологии: основной компонент – это прочный контейнер радиоактивного материала (топлива). Термопары помещаются в стенки контейнера, при этом внешний конец каждой термопары соединен с теплоотводом. Радиоактивный распад топлива производит тепло. Именно разница температур между топливом и теплоотводом позволяет термопарам генерировать электричество. Термопара – это термоэлектрическое устройство, которое может преобразовывать тепловую энергию непосредственно в электрическую энергию, используя эффект Зеебека. Она состоит из двух видов металла или полупроводникового материала. Если они соединены друг с другом в замкнутый контур, и два соединения находятся при разных температурах, в контуре будет протекать электрический ток. Обычно большое количество термопар соединяют последовательно для генерации более высокого напряжения. РТГ и ядерные реакторы используют принципиально разные ядерные реакции. Ядерные реакторы (включая миниатюрные, используемые в космосе) осуществляют управляемый ядерный распад в цепной реакции. Скорость реакции можно контролировать с помощью поглощающих нейтроны управляющих стержней, поэтому мощность можно изменять в зависимости от потребности или почти полностью отключать для обслуживания. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать неконтролируемой работы при опасно высоких уровнях мощности или даже взрыва или ядерного плавления. Цепные реакции в РТГ не происходят. Тепло образуется в результате спонтанного радиоактивного распада с неизменной и постоянно уменьшающейся скоростью, которая зависит только от количества изотопа топлива и его периода полураспада. В РТГ нельзя изменять тепловыделение в зависимости от потребности или отключать его, когда оно не нужно, и невозможно накопить больше энергии для последующего использования, снижая потребление. Поэтому для удовлетворения пиковых нагрузок могут потребоваться вспомогательные источники питания (например, перезаряжаемые аккумуляторы), а также необходимо обеспечить адекватное охлаждение постоянно, включая этапы предстартовой подготовки и ранние фазы космического полета. Хотя катастрофические аварии, такие как ядерное плавление или взрыв, с РТГ невозможны, все же существует риск радиоактивного загрязнения, если ракета взорвется, устройство повторно войдет в атмосферу и разрушится, наземные РТГ будут повреждены штормами или сезонным льдом, или подвергнутся вандализму.

The design of an RTG is simple by the standards of nuclear technology: the main component is a sturdy container of a radioactive material (the fuel). Thermocouples are placed in the walls of the container, with the outer end of each thermocouple connected to a heat sink. Radioactive decay of the fuel produces heat. It is the temperature difference between the fuel and the heat sink that allows the thermocouples to generate electricity. A thermocouple is a thermoelectric device that can convert thermal energy directly into electrical energy using the Seebeck effect. It is made of two kinds of metal or semiconductor material. If they are connected to each other in a closed loop and the two junctions are at different temperatures, an electric current will flow in the loop. Typically a large number of thermocouples are connected in series to generate a higher voltage. RTGs and fission reactors use very different nuclear reactions. Nuclear power reactors (including the miniaturized ones used in space) perform controlled nuclear fission in a chain reaction. The rate of the reaction can be controlled with neutron absorbing control rods, so power can be varied with demand or shut off (almost) entirely for maintenance. However, care is needed to avoid uncontrolled operation at dangerously high power levels, or even explosion or nuclear meltdown. Chain reactions do not occur in RTGs. Heat is produced through spontaneous radioactive decay at a non adjustable and steadily decreasing rate that depends only on the amount of fuel isotope and its half life. In an RTG, heat generation cannot be varied with demand or shut off when not needed and it is not possible to save more energy for later by reducing the power consumption. Therefore, auxiliary power supplies (such as rechargeable batteries) may be needed to meet peak demand, and adequate cooling must be provided at all times including the pre launch and early flight phases of a space mission. While spectacular failures like a nuclear meltdown or explosion are impossible with an RTG, there is still a risk of radioactive contamination if the rocket explodes, the device reenters the atmosphere and disintegrates, terrestrial RTGs are damaged by storms or seasonal ice, or are vandalized.

События

В связи с нехваткой плутония-238 был предложен новый тип РТГ, работающий с использованием субкритических реакций. В этом типе РТГ альфа-распад радиоизотопа также используется в альфа-нейтронных реакциях с подходящим элементом, таким как бериллий. Это позволяет создать долгоживущий источник нейтронов. Поскольку система работает с критичностью, близкой к, но меньшей единицы, то есть Kэфф < 1, достигается субкритическое размножение, которое увеличивает нейтронный фон и производит энергию в результате реакций деления. Хотя количество делений, происходящих в РТГ, очень мало (что делает их гамма-излучение пренебрежимо малым), поскольку каждая реакция деления высвобождает более чем в 30 раз больше энергии, чем каждый альфа-распад (200 МэВ против 6 МэВ), можно достичь прироста энергии до 10%, что приводит к снижению количества плутония-238, необходимого для каждой миссии. Эта идея была предложена NASA в 2012 году в рамках ежегодного конкурса NASA NSPIRE, а в 2013 году передана в Национальную лабораторию Айдахо в Центр космических ядерных исследований (CSNR) для изучения возможности ее реализации. Однако основные принципы остались без изменений. РТГ предлагались для использования в реалистичных межзвездных прекурсорах и межзвездных зондах. РТГ с использованием америция-241 был предложен для таких миссий в 2002 году. Это может обеспечить продление миссии до 1000 лет для межзвездных зондов, поскольку выходная мощность будет снижаться медленнее, чем у плутония. Электричество, вырабатываемое РТГ, может использоваться для питания научных приборов и связи с Землей на зондах. По мнению авторов, использование бета-источников может позволить увеличить эффективность на 5-10%.

Модели

Типичный РТГ питается от радиоактивного распада и вырабатывает электроэнергию посредством термоэлектрического преобразования, однако, в целях расширения кругозора, здесь рассматриваются и некоторые системы, основанные на вариациях этой концепции.

Топливо

Радиоактивный материал, используемый в РТГ, должен обладать рядом характеристик: в пределах всей таблицы нуклидов. Плутоний-238, курий-244, стронций-90 и, в последнее время, америций-241 являются наиболее часто упоминаемыми изотопами-кандидатами, но в начале 1950-х годов рассматривалось еще 43 изотопа из приблизительно 1300. Также необходимы исключительно низкие уровни гамма- и нейтронного излучения. 238Pu требует наименьших мер защиты. Только три изотопа-кандидата соответствуют последнему критерию (не все перечислены выше) и требуют менее 25 мм свинцовой защиты для блокирования излучения. 238Pu (лучший из этих трех) требует менее 2,5 мм, и во многих случаях в РТГ на основе 238Pu не требуется дополнительная защита, поскольку сам корпус является достаточным. 238Pu стал наиболее широко используемым топливом для РТГ в форме диоксида плутония (PuO2). Однако диоксид плутония(IV), содержащий естественное содержание кислорода, испускает нейтроны со скоростью ~2,3x103 н/сек/г плутония-238. Эта скорость эмиссии относительно высока по сравнению со скоростью эмиссии нейтронов металлическим плутонием-238. Металл, не содержащий примесей легких элементов, испускает ~2,8x103 н/сек/г плутония-238. Эти нейтроны образуются в результате спонтанного деления плутония-238. Разница в скоростях эмиссии металла и оксида обусловлена главным образом альфа-нейтронной реакцией с кислородом-18 и кислородом-17, присутствующими в оксиде. Нормальное содержание кислорода-18 в природной форме составляет 0,204%, а кислорода-17 – 0,037%. Снижение содержания кислорода-17 и кислорода-18 в диоксиде плутония приведет к значительно более низкой скорости эмиссии нейтронов для оксида; этого можно достичь методом газофазного обмена 16O2. Для демонстрации возможности эффективного обмена 16O2 в крупных производственных партиях использовались регулярные партии частиц 238PuO2, осажденных в виде гидроксида. Высокотемпературные микросферы 238PuO2 успешно прошли обмен 16O2, что показало, что обмен произойдет независимо от предыдущей термической обработки 238PuO2. Это снижение скорости эмиссии нейтронов PuO2, содержащего нормальный кислород, в пять раз было обнаружено в ходе исследований кардиостимуляторов в Лаборатории Маунд в 1966 году, отчасти благодаря опыту Лаборатории Маунд в производстве стабильных изотопов, начиная с 1960 года. Для производства крупных источников тепла требуемая защита была бы непомерно высокой без этого процесса. В отличие от трех других изотопов, обсуждаемых в этом разделе, 238Pu должен быть специально синтезирован и не является распространенным продуктом ядерных отходов. В настоящее время только Россия поддерживает крупносерийное производство, в то время как в США было произведено не более [вставить количество] единиц в период с 2013 по 2018 год. Агентства США заинтересованы в начале производства этого материала со скоростью [вставить количество] в год. Если этот план будет профинансирован, целью станет создание автоматизации и масштабирование процессов для производства в среднем [вставить количество] в год к 2025 году. Поскольку стронций является очень реактивным щелочноземельным металлом и так называемым "поглотителем костей", который накапливается в костной ткани из-за его химического сходства с кальцием (попадая в кости, он может значительно повредить костный мозг – быстро делящуюся ткань), он обычно не используется в чистом виде в РТГ. Наиболее распространенной формой является перовскит – титанат стронция (SrTiO3), который химически почти инертен и имеет высокую температуру плавления. Хотя его твердость по Моосу 5,5 делает его непригодным в качестве имитации алмаза, он обладает достаточной твердостью, чтобы выдержать некоторые формы случайного выброса из его защиты без чрезмерного рассеивания пыли. Недостатком использования SrTiO3 вместо металлического стронция является то, что его производство требует энергии. Это также снижает плотность мощности, поскольку часть TiO3 материала не производит теплового распада. Начиная с оксида или металлического стронция, один из путей получения SrTiO3 заключается в преобразовании его в гидроксид стронция в водном растворе, который поглощает углекислый газ из воздуха, становясь менее растворимым карбонатом стронция. Реакция карбоната стронция с диоксидом титана при высокой температуре дает желаемый титанат стронция и углекислый газ. При необходимости продукт из титаната стронция можно затем сформировать в керамический агрегат путем спекания.

The radioactive material used in RTGs must have several characteristics: within the entire table of nuclides. Plutonium 238, curium 244, strontium 90, and most recently americium 241 are the most often cited candidate isotopes, but 43 more isotopes out of approximately 1,300 were considered at the beginning in the 1950s. and exceptionally low gamma and neutron radiation levels. 238Pu has the lowest shielding requirements. Only three candidate isotopes meet the last criterion (not all are listed above) and need less than 25 mm of lead shielding to block the radiation. 238Pu (the best of these three) needs less than 2.5 mm, and in many cases, no shielding is needed in a 238Pu RTG, as the casing itself is adequate. 238Pu has become the most widely used fuel for RTGs, in the form of plutonium(IV) oxide (PuO2). However, plutonium(IV) oxide containing a natural abundance of oxygen emits neutrons at the rate of ~2.3x103 n/sec/g of plutonium 238. This emission rate is relatively high compared to the neutron emission rate of plutonium 238 metal. The metal containing no light element impurities emits ~2.8x103 n/sec/g of plutonium 238. These neutrons are produced by the spontaneous fission of plutonium 238. The difference in the emission rates of the metal and the oxide is due mainly to the alpha, neutron reaction with the oxygen 18 and oxygen 17 present in the oxide. The normal amount of oxygen 18 present in the natural form is 0.204% while that of oxygen 17 is 0.037%. The reduction of the oxygen 17 and oxygen 18 present in the plutonium dioxide will result in a much lower neutron emission rate for the oxide; this can be accomplished by a gas phase 16O2 exchange method. Regular production batches of 238PuO2 particles precipitated as a hydroxide were used to show that large production batches could be effectively 16O2 exchanged on a routine basis. High fired 238PuO2 microspheres were successfully 16O2 exchanged showing that an exchange will take place regardless of the previous heat treatment history of the 238PuO2. This lowering of the neutron emission rate of PuO2 containing normal oxygen by a factor of five was discovered during the cardiac pacemaker research at Mound Laboratory in 1966, due in part to the Mound Laboratory's experience with production of stable isotopes beginning in 1960. For production of the large heat sources the shielding required would have been prohibitive without this process. Unlike the other three isotopes discussed in this section, 238Pu must be specifically synthesized and is not abundant as a nuclear waste product. At present only Russia has maintained high volume production, while in the US, no more than were produced in total between 2013 and 2018. The US agencies involved desire to begin the production of the material at a rate of per year. If this plan is funded, the goal would be to set up automation and scale up processes in order to produce an average of per year by 2025. As is a very reactive alkaline earth metal and a so called "bone seeker" that accumulates in bone tissue due to its chemical similarity to calcium (once in the bones it can significantly damage the bone marrow, a rapidly dividing tissue), it is usually not employed in pure form in RTGs. The most common form is the perovskite strontium titanate (SrTiO3) which is chemically nigh inert and has a high melting point. While its Mohs hardness of 5.5 has made it ill suited as a diamond simulant, it is of sufficient hardness to withstand some forms of accidental release from its shielding without too fine dispersal of dust. The downside to using SrTiO3 instead of the native metal is that its production requires energy. It also reduces power density, as the TiO3 part of the material does not produce any decay heat. Starting from the oxide or the native metal, one pathway to obtaining SrTiO3 is to let it transform to strontium hydroxide in aqueous solution, which absorbs carbon dioxide from air to become less soluble strontium carbonate. Reaction of strontium carbonate with titanium dioxide at high temperature produces the desired strontium titanate plus carbon dioxide. If desired, the strontium titanate product can then be formed into a ceramic like aggregate via sintering.

210Po

Некоторые прототипы РТГ, впервые созданные в 1958 году Комиссией по атомной энергии США, использовали полоний-210. Этот изотоп обеспечивает феноменальную плотность мощности (чистый 210Po выделяет 140 Вт/г) благодаря высокой скорости распада, но имеет ограниченное применение из-за очень короткого периода полураспада – 138 дней. Полуграмма 210Po достигает температуры свыше 500 °C (932 °F). Поскольку Po-210 является чистым альфа-излучателем и не испускает значительного гамма- или рентгеновского излучения, требования к защите от радиации сравнимы с таковыми для Pu-238. Хотя короткий период полураспада также уменьшает время, в течение которого утечка в окружающую среду представляет опасность, полоний-210 чрезвычайно радиотоксичен при попадании внутрь и может нанести серьезный вред даже в химически инертных формах, которые проходят через пищеварительный тракт как "инородное тело". Распространенным способом получения (как случайным, так и преднамеренным) является нейтронное облучение висмута-209, единственного природного изотопа висмута. Именно это случайное образование полония-210 приводится в качестве аргумента против использования эвтектики свинца и висмута в качестве теплоносителя в жидкометаллических реакторах. Однако, если возникнет достаточный спрос на полоний-210, его извлечение может оказаться экономически целесообразным, подобно тому, как тритий экономически извлекается из тяжеловодородного замедлителя в реакторах CANDU.

241Am

Америций-241 является изотопом-кандидатом с гораздо большей доступностью, чем плутоний-238. Хотя период полураспада америция-241 составляет 432 года, что больше, чем у плутония-238, и гипотетически он может питать устройство на протяжении веков, миссии длительностью более 10 лет не рассматривались в исследованиях до 2019 года. Плотность мощности америция-241 составляет лишь 1/4 от плотности мощности плутония-238, америций-241 производит больше проникающего излучения через продукты цепи распада, чем плутоний-238, и требует более эффективной защиты. Требования к защите в РТГ являются третьими по величине минимальными: только плутоний-238 и полоний-210 требуют меньшей защиты. В связи с текущим глобальным дефицитом плутония-238, америций-241 изучается ESA в качестве топлива для РТГ, а в 2019 году Национальная ядерная лаборатория Великобритании объявила о выработке полезной электроэнергии. Преимущество америция-241 заключается в том, что он образуется как ядерный отход и практически изотопно чист. Прототипы РТГ на основе америция-241 рассчитывают на 2,2 Вт/кг для РТГ мощностью 5–50 Вт, но практические испытания показывают, что можно достичь только 1,3–1,9 Вт. К 2022 году эти показатели снизились примерно до 220 Вт.

NASA разработала многомиссионный радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG), в котором термопары будут изготовлены из скуттерудита – арсенида кобальта (CoAs3), который может функционировать при меньшей разнице температур, чем современные конструкции на основе теллура. Это означает, что аналогичный РТГ будет генерировать на 25% больше энергии в начале миссии и как минимум на 50% больше через семнадцать лет. NASA надеется использовать эту конструкцию в следующей миссии "Новые горизонты".

Кража

Радиоактивные материалы, содержащиеся в РТГ, опасны и могут быть использованы в злонамеренных целях. Они непригодны для создания полноценного ядерного оружия, но могут быть использованы в "грязной бомбе". Советский Союз построил множество беспилотных маяков и навигационных огней, работающих на РТГ с использованием стронция-90 (90Sr). Они очень надежны и обеспечивают стабильный источник энергии. Большинство из них не имеют никакой защиты, даже ограждений или предупреждающих знаков, а местонахождение некоторых из этих объектов неизвестно из-за ненадлежащего учета. В одном случае радиоактивные отсеки были открыты вором. В России насчитывается около 1000 таких РТГ, все из которых давно превысили расчетный срок службы в десять лет. Вероятно, большинство из них больше не функционируют и могут потребовать демонтажа. Некоторые металлические корпуса были разобраны охотниками за металлом, несмотря на риск радиоактивного загрязнения. Перевод радиоактивного материала в инертное состояние снижает риск кражи людьми, не осведомленными об опасности радиации (как это произошло в аварии в Гоянии, где заброшенный источник цезия-137 содержал цезий в легкорастворимой форме хлорида цезия). Однако злоумышленник, обладающий достаточными химическими знаниями, может извлечь летучие соединения из инертного материала и/или добиться аналогичного эффекта рассеивания, измельчив инертную матрицу в мелкую пыль.

Радиоактивное загрязнение

РТГ представляют опасность радиоактивного загрязнения: при утечке из контейнера, содержащего топливо, радиоактивные материалы могут загрязнить окружающую среду. Для космических аппаратов основной проблемой является возможность выброса вредных веществ в атмосферу в случае аварии во время запуска или прохождения аппарата вблизи Земли; поэтому их использование в космосе и других областях вызывает споры. Однако, при современных конструкциях корпусов РТГ, вероятность такого события считается низкой. Например, в исследовании воздействия на окружающую среду, проведенном для зонда «Кассини-Гюйгенс», запущенного в 1997 году, оценивалась вероятность аварий с выбросом радиоактивных веществ на различных этапах миссии. Вероятность аварии, приведшей к выбросу радиоактивных веществ из одного или нескольких из трех РТГ (или из 129 радиоизотопных нагревателей) в течение первых 3,5 минут после запуска, оценивалась как 1 к 1400; вероятность выброса на более поздних этапах выхода на орбиту составляла 1 к 476; после этого вероятность случайного выброса резко снижалась до менее 1 к миллиону. Если авария с потенциальным риском загрязнения происходила на этапах запуска (например, аппарат не достигал орбиты), вероятность того, что загрязнение было вызвано РТГ, оценивалась как 1 к 10. Запуск прошел успешно, и «Кассини-Гюйгенс» достиг Сатурна. Для минимизации риска выброса радиоактивных материалов топливо хранится в отдельных модульных блоках, оснащенных собственной теплозащитой. Они окружены слоем иридия и заключены в высокопрочные графитовые блоки. Оба этих материала устойчивы к коррозии и высоким температурам. Графитовые блоки окружены аэрооболочкой, предназначенной для защиты всей конструкции от нагрева при входе в атмосферу Земли. Плутониевое топливо также хранится в керамической форме, устойчивой к высоким температурам, что минимизирует риск испарения и образования аэрозолей. Керамика также обладает низкой растворимостью. Плутоний-238, используемый в этих РТГ, имеет период полураспада 87,74 года, в отличие от 24 110 лет периода полураспада плутония-239, используемого в ядерном оружии и реакторах. Следствием более короткого периода полураспада является то, что плутоний-238 примерно в 275 раз радиоактивнее плутония-239 (т.е. на грамм по сравнению с граммом). Например, 3,6 кг плутония-238 претерпевают такое же количество радиоактивных распадов в секунду, как и 1 тонна плутония-239. Поскольку токсичность обоих изотопов с точки зрения поглощенной радиоактивности практически одинакова, плутоний-238 примерно в 275 раз токсичнее плутония-239 по весу. Альфа-излучение, испускаемое любым изотопом, не проникает через кожу, но может облучать внутренние органы при вдыхании или проглатывании плутония. Особенно уязвимы скелет, поверхность которого склонна к поглощению изотопа, и печень, где изотоп накапливается и концентрируется. Примером облучения, связанного с РТГ, является радиационная авария в Лиа (Грузия) в декабре 2001 года. Ядра РТГ на основе стронция-90 были выброшены, немаркированные и неправильно демонтированные, вблизи построенной Советским Союзом плотины Энгури. Три жителя близлежащей деревни Лиа невольно подверглись воздействию и получили травмы; один из них умер в мае 2004 года от полученных ранений. Международное агентство по атомной энергии возглавило работы по ликвидации последствий и организовало медицинскую помощь. По состоянию на 2022 год два оставшихся ядра РТГ еще не найдены.

RTGs pose a risk of radioactive contamination: if the container holding the fuel leaks, the radioactive material may contaminate the environment. For spacecraft, the main concern is that if an accident were to occur during launch or a subsequent passage of a spacecraft close to Earth, harmful material could be released into the atmosphere; therefore their use in spacecraft and elsewhere has attracted controversy. However, this event is not considered likely with current RTG cask designs. For instance, the environmental impact study for the Cassini–Huygens probe launched in 1997 estimated the probability of contamination accidents at various stages in the mission. The probability of an accident occurring which caused radioactive release from one or more of its three RTGs (or from its 129 radioisotope heater units) during the first 3.5 minutes following launch was estimated at 1 in 1,400; the chances of a release later in the ascent into orbit were 1 in 476; after that the likelihood of an accidental release fell off sharply to less than 1 in a million. If an accident which had the potential to cause contamination occurred during the launch phases (such as the spacecraft failing to reach orbit), the probability of contamination actually being caused by the RTGs was estimated at 1 in 10. The launch was successful and Cassini–Huygens reached Saturn. To minimize the risk of the radioactive material being released, the fuel is stored in individual modular units with their own heat shielding. They are surrounded by a layer of iridium metal and encased in high strength graphite blocks. These two materials are corrosion and heat resistant. Surrounding the graphite blocks is an aeroshell, designed to protect the entire assembly against the heat of reentering the Earth's atmosphere. The plutonium fuel is also stored in a ceramic form that is heat resistant, minimising the risk of vaporization and aerosolization. The ceramic is also highly insoluble. The plutonium 238 used in these RTGs has a half life of 87.74 years, in contrast to the 24,110 year half life of plutonium 239 used in nuclear weapons and reactors. A consequence of the shorter half life is that plutonium 238 is about 275 times more radioactive than plutonium 239 (i. e. /g compared to /g). For instance, 3.6 kg of plutonium 238 undergoes the same number of radioactive decays per second as 1 tonne of plutonium 239. Since the morbidity of the two isotopes in terms of absorbed radioactivity is almost exactly the same, plutonium 238 is around 275 times more toxic by weight than plutonium 239. The alpha radiation emitted by either isotope will not penetrate the skin, but it can irradiate internal organs if plutonium is inhaled or ingested. Particularly at risk is the skeleton, the surface of which is likely to absorb the isotope, and the liver, where the isotope will collect and become concentrated. A case of RTG related irradiation is the Lia radiological accident in Georgia, December 2001. Strontium 90 RTG cores were dumped behind, unlabeled and improperly dismanteled, near the Soviet built Enguri Dam. Three villagers from the nearby village of lt=Lia were unknowingly exposed to it and injured; one of them died in May 2004 from the injuries sustained. The International Atomic Energy Agency led recovery operations and organized medical care. Two remaining RTG cores are yet to be found as of 2022.