Alternativen zu Plutionium in RTG

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Wenn eine Raumsonde ins äußere Sonnensystem aufbricht, benötigt sie eine Stromversorgung die unabhängig von der Sonnenstrahlung ist, die immer weiter abnimmt. Derzeit ist dies noch immer ein RTG, bei dem Thermoelemente einen Teil der Zerfallswärme von Plutonium-238 in Strom umwandeln. Es gibt Alternativen wie Kernreaktoren oder Solarzellen, doch darum soll es in diesem Beitrag nicht gehen, sondern um eine Alternative zu Pu-238 als Element für die RTG.

Zuerst: Warum eine Alternative? Die Erzeugung von Pu-238 ist recht teuer. Es entsteht in zwei Schritten in Kernreaktoren. Zuerst entsteht aus U-235 das Neptunium 237. Es wird heute aus den Brennstäben extrahiert und in eigenen Stäben in einem Schwerwasserreaktor starker Neutronenstrahlung ausgesetzt, wobei durch Neutroneneinfang zum Teil das Pu-238 entsteht.

Dafür eine eigene Fertigung aufzubauen ist teuer. 150 Millionen Dollar soll die Wiederaufnahme der Produktion kosten. Früher war es einfach, denn es fiel als Abfallprodukt bei der Gewinnung von atomwaffenfähigem Plutonium an. Es entsteht wie dieses in größerer Menge, wenn Kernbrennstäbe nur kurz in Betrieb sind. Bei längerem Betrieb wird es wieder gespalten. Daher ist ökonomisch unrentabel einen Reaktor nur für die Produktion von Pu-238 zu betreiben und das Material entsprechend teuer.

Die Misere fing Ende der achtziger Jahre an, als die USA weniger atomwaffenfälliges Plutonium produzierten. Damit wurde auch kaum noch Pu-238 produziert. Lange Zeit konnten sie es von Russland beziehen, deren Graphitreaktoren recht gut geeignet sind es zu produzieren. Doch auch das ist nun nicht mehr möglich. Die USA haben noch rund 37 kg Pu-238. Damit man eine Vorstellung hat: In einem RTG des Typs GPHS, wie er seit 1989 für Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons eingesetzt wurde, stecken rund 8,2 kg Plutonium und er liefert anfangs 285 Watt Leistung. Das reicht also für gerade mal vier dieser Generatoren.

Daneben ist es teuer. Die Fertigung eines GPHS kostete zuletzt 90 Millionen Dollar, also mehr als 10 Millionen pro Kilogramm Pu-238.(Rund 200 mal teurer als Gold oder Platin). Also Zeit nach Alternativen zu suchen. Wenn man das Funktionsprinzip beibehält: Also ein radioaktives Element erzeugt beim Verfall Wärme und daraus erzeugt man Strom, dann gibt es folgende Elemente die man in größeren Mengen herstellen kann:

Element Halbwertszeit
Plutonium 238 87,4 Jahre
Cäsium 137 30 Jahre
Strontium-90 28 Jahre
Curium 244 18,1 Jahre
Kobalt 60 5,24 Jahre
Prometium 147 2,6 Jahre
Ruthenium 1 Jahr
Cer 144 0,78 Jahre
Curium 242 0,45 Jahre
Polonium 210 0,38 Jahre
Thullium 170 0,35 Jahre

Diese Liste kann man jedoch schon in einem ersten Schritt reduzieren. Die NASA gibt heute den Strom ihrer RTG beim Start und nach 10 Jahren unter Marsbedingungen und 14 Jahren im Weltraum an. Das sind heute typische Missionszeiten. Cassini wird bis 2017 betrieben werden, 20 Jahre nach dem Start. Galileo wurde 14 Jahre lang betrieben.

Rein theoretisch sinkt die Wärmeabgabe nach einer Halbwertszeit auf die Hälfte ab. Aber durch Alterungen der Thermoelemente und sinkenden Wirkungsgrad (da dieser nicht von der Gesamtenergie sondern dem Temperaturunterschied abhängt) sinkt der erzeugte Strom schneller ab. Bei Voyager wird 2025, rund 48 Jahre nach dem Start die Stromproduktion auf die Hälfte gesunken sein. Das entspricht ungefähr einer halben Halbwertszeit. Das bedeutet, dass man bei 10-14 Jahren Lebensdauer und der Annahme, dass zum Ende nicht die Stromausbeute auf weniger als die Hälfte des Anfangswerts sinken darf, alle Elemente mit Halbwertszeiten unter 20-28 Jahren ausschließen kann. Das reduziert die Auswahl auf die ersten 3-4 Elemente.

Das nächste Ausschlusskriterium ist die Energieabgabe. Elemente können zerfallen unter Abgabe von Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung. Die Durchdringungsfähigkeit nimmt in dieser Reihenfolge zu. Gammastrahlung ist heute nach dem Stand der Technik nicht sauber abschirmbar. Von den ersten vier Elementen sieht es so aus:

Element Strahlung
Plutonium 238 Alpha
Cäsium 137 Gamma und Beta
Strontium-90 Beta
Curium 244 Alpha

Das schließt Cäsium 137 aus. Strontium 90 wird eine höhere Abschirmung benötigen als Curium 244 und Plutonium 238.

Die nächste Tabelle gibt an wie viel Energie man pro g Triebstoff erhält:

Element Energie über 10 Jahre Betrieb [kWh/g]
Plutonium 238 47
Cäsium 137 33
Strontium-90 74
Curium 244 190

Die Energie und Abschirmung hängt nicht nur von der Halbwertszeit ab, sondern auch der Energie jedes Zerfalls. Cäsium 137 erweist sich hier als Plutonium 238 unterlegen. Alle anderen Elemente sind besser. Weitere Differenzierungen kann man machen nach Schmelzpunkt (Sicherheitsaspekt) Dichte (Volumen und damit Gewicht) und Konzentration (üblicherweise liegt das Isotop nicht in Reinform vor und auch meistens in einer Verbindung). Ich will davon nur noch eine Übersicht nehmen, die Wärmeabgabe pro Volumen:

Element Energiedichte [kWh/cm³]
Plutonium 238 3,9
Cäsium 137 0,38
Strontium-90 1,01
Curium 244 20,4

Das bedeutet, dass Cäsium 137 und Strontium 90 vier bis zehnmal mal größere RTG ergeben als Plutonium und daher eher nachteilig sind. Doch wichtig sind für den kommerziellen Einsatz die Kosten. Sie hängen von der Produktionsrate und dem Aufwand ab. Folgende Mengen der Isotope sind mit einem Kernreaktor gewinnbar:

Element Produktionsmenge [kg/1 GW Reakjtor/Jahr]
Plutonium 238 15
Cäsium 137 36
Strontium-90 16
Curium 244 0,4

Damit scheidet Curium 244 praktisch aus, da es 30-mal weniger produziert wird als vom Plutonium, man aber ein Fünftel dessen Menge braucht. Das führt zur vorletzten Tabelle, den Kosten pro kWh bei einer 10 Jahresmission:

Element Relative Kosten pro kwh für eine 10 Jahresmission
Plutonium 238 138
Cäsium 137 4
Strontium-90 6
Curium 244 22

Es gibt also Alternativen: Allerdings außer den Radioisotopen alleine noch einen zweiten Aspekt: Wie schwer wird das ganze. Das hängt nicht nur von den Radisotopen ab, sondern auch dem Gesamtsystem, z.b. was dieses wiegt, aufgrund des nötigen Schutzes und das zeigt warum man bisher bei Pu-238 blieb:

Element Schutzschild für eine 1kWh Wärmequelle um die Strahlung in 10 m Abstand auf 10mrem/h zu reduzieren
Plutonium 238 2,5 mm
Cäsium 137 117 mm (aber 500 mal höherer Neutonenfluss der nicht abschirmbar ist, als Pu-238)
Strontium-90 152 mm
Curium 244 51 mm

Alle Schilddicken sind in mm Blei-Aquivalent. Das reduziert die Auswahl praktisch auf Plutonium. Bei Curium ist schon ein über 5 cm dicker Bleischild nötig.  Bei der Größe eines GPHS von 0,43 x 0,43 x 1,14 m, davon (geschätzt) 0,3 x 0,3 x 1,14 m ohne Radiatoren ist das ein Zusatzgewicht von 656 kg – praktisch ist es also viel zu schwer. Die GPHS haben einen 2 mm starken Irdidumschutzschild.

Das ist der Hauptgrund für die Verwendung von Pu-238: als einziges Element kann man es mit einer nur wenige Millimeter dicken Schutzschicht abschirmen. Da auch das Gewicht wichtig ist, ist dies der Hauptgrund für die Verwendung.

Wichtiger als die Suche nach anderen Elementen ist es daher den Wirkungsgrad zu steigern. Bei den derzeitigen Thermoelementen liegt er bei Missionsbeginn bei 6,4%. Das ist natürlich noch steigerbar. In den frühen neunziger Jahren hat man in Amerika an Alkalimetall Thermal to Electric Converters (AMTEC) RTG gearbeitet. Bei diesem Verfahren wird Natrium durch die Wärme erhitzt und bei unterschiedlichem Druck verdampft es, wobei als Besonderheit bei Natrium ist, das es in Ionen und Elektronen zerfällt, man also direkt Strom gewinnen kann. Der Wirkungsgrad im Labor bei diesem Prozess liegt bei 16 % und Wirkungsgrade von 15-25 % sollten theoretisch möglich sein. Das wäre 2-3 mal besser als bei den GPHS (6.4%). Ein solcher RTG war für eine leichtgewichtige Plutosonde vorgesehen. Die Entwicklung wurde dann jedoch eingestellt. Strom wird hier also nicht durch den thermoelektrischen Effekt erzeugt.

Klassische Wärmekraftmaschinen sind hier noch weitaus effizienter. Vor allem wenn man daran denkt, dass direkt am Element eine Temperatur von über 1000 °C vorliegt. Das grundsätzliche Problem ist das alle Maschinen bewegliche Teile haben und sie absolut wartungsfrei über 10-14 Jahre lang laufen können. Es gibt immerhin eine Maschine, die dieses Potential hat, das ist der Stirlingmotor, der mit einem abgeschlossenen Kreislauf abreitet und sehr einfach aufgebaut wird. (entsprechende Motoren werden z.B. in Afrika in die Mitte von Parabolspiegeln gesetzt um Strom oder mechanische Arbeit an Orten zu erzeugen wo es keinen Strom gibt).

Der Stirlingmotor besteht aus einem Kolben in einem Zylinder. Ein Teil des Zylinders wird erwärmt, der andere ist kühl. Das Arbeitsgas, das im Zylinder eingeschlossen ist, dehnt sich bei Wärmaufnahme auf und treibt den Kolben an. Dabei dehnt es sich aus und kühlt ab, spätestens wenn es den gekühlten Bereich erreicht.  Dieses ist  optimierbar indem es z.B. zwei Kolben sind die verbunden sind oder Regeneratoren einen Teil der Wärmeenergie speichern. Das wichtigste ist, das ein Stirlingmotor sehr einfach aufgebaut ist, sehr langlebig und als sehr robust gilt. Es gibt schon seit Jahren Tests von Sterlingmotoren für RTG, doch eingesetzt werden sie erst, wenn sicher ist, dass sie über die Missionszeit nicht ausfallen. Das bedeutet dass sie über ein Jahrzehnt im Dauerbetrieb getestet werden müssen.

der Vorteil ist der Wirkungsgrad von rund 30%. Die Gesamtkonstruktion ist zwar nicht leichter, aber sie ist effizienter gemessen am eingesetzten Plutonium, das der Hauptkostenfaktor ist:

GPHS MMRTG SRG
Masse 56.3 kg 44 kg 26.7 kg
GPHS Module 18 8 2
Strom beim Start 285 W 125 W 123 W
Strom/Masse 4.97 W/kg 2.84 W/kg 4.60 W/kg
Thermische Leistung 4410 W 1900 W 1100 W
Plutonium 9.7 kg 4.3 kg 1.2 kg
Strom/kg Plutonium 29 W/kg 29 W/kg 102 W/kg
Stromabgabe 211 W nach 11 Jahren 110 W nach 14 Jahren 109 W nach 14 Jahren
Durchschnittlich pro Jahr 2.3 % 0.86 % 0.81 %

Der Stirling-RTG (SRG) ist leichter als der MMRTG, der beim mobilen Marslabor Curiosity eingesetzt wird und vor allem ist er effizienter, denn er erzeugt die gleiche Leistung mit nur zwei GPHS Modulen, anstatt mit acht. Das müsste die Produktionskosten drastisch senken und der vorliegende Bestand müsste auch viel länger ausreichen.

Datenquelle: BASIC Elements of Static RTG

7 thoughts on “Alternativen zu Plutionium in RTG

  1. Wenn Du im Dokument in die letzte Folie gehst findest Du es dort auch ausgeführt. Es benötigt eine siebenmal so starke Abschirmung wie Pu-238. Bei einer Halbwertszeit von 432 Jahren benötigt man dann auch rund fünfmal so viel. Das macht es dann doch ziemlich schwer.

    So billig ist es übrigens auch nicht: Nach Wikipedia 1.500 Dollar pro Gramm. Pu-238 liegt zwar bei rund 10.000 $ pro Gramm, aber wie schon gesagt man braucht ja dann fünfmal mehr Material, das relativiert das ganze.

  2. Hmm, warum sollte sich Americium nicht für ein RTG eignen. Americium fällt in jedem Leichtwasserreaktor an und ist derzeit im 100kg Masstab verfügbar. Der relativ hohe Preis sollte darauf beruhen das es nur für Forschungszwecke heutzutage isoliert wird (andere Anwendungen spielen dagegen fast keine Rolle, selbst der Urspüngliche Einsatz in Rauch- udn Feuermeldern verschlang nur wenige g der Jahresproduktion) Eigentlich müsste der Preis sinken wenn es gezielt im grösseren Masstab abgetrennt wird. Ferner, wozu braucht man eine so starke Abschirmung? Denke doch nur solange wie sich Menschen in unmittelbarer Nähe der Strahlungsquelle aufhalten, nach dem Start ist diese eingentlich Sinnfrei und könnte in der Parkbahn abgetrennt werden. Das sollte der Nutzlast zu gute kommen können. Ferner- man braucht die Abschirmung nicht für die Alpha Emmissionen von Americium. Problematisch ist hierbei nur der Anteil an Neutronenstrahlung aus der Spontanspaltung des Isotops. Diese ist aber so seltsam das klingt nicht mit den schwersten Elementen gut abschirmbar sondern mit den leichteren- borierte Kunstoffe zb eignen sich dafür Super. Bor raagiert mit Neutronen gemäss 10/5B 1/0n -> 7/3Li 2/2He2 ab, und das Gammastrahlungsfrei. Daneben ist Bor recht leicht. So aus dieser warte dürfte es eigentlich kein schlechter Ersatz sein.

  3. Egal wie Du es drehst und wendest: Es wir 5-mal mehr Material gebraucht und zusätzliche Abschirmung. Wenn man die nach dem Start abtrennt nützt das nichts, dann kann man sie auch gleich dran lassen. Da ist die Nutzlast dann schon beschleunigt worden und sie dürfte eben um ein vielfaches schwerer als Pu-238 sein. Dazu kommt ja noch die äußere Abschirmung gegen Explosionen der Trägerrakete etc. die viel dicker als die Strahlenabschirmung ist.

  4. Ein paar Fakten:
    * In der Tabelle ist beim SRG wohl die thermische Leistung falsch angegeben; zumindest passt sie nicht zu den anderen Daten!
    * Plutonium-238 entsteht in normalen Kernbrennstäben anfangs nur wenig, mit der Zeit immer mehr. Es ist ja dreifacher Neutroneneinfang, ausgehend vom Uran-235, nötig! Das mittlere Isotop, Uran-236, hat zudem einen sehr kleinen Neutroneneinfangsquerschnitt. Folglich ist, anders als behauptet, in den nur kurz bestrahlten Brennelementen aus der Kernwaffenproduktion KAUM Plutonium-238 enthalten.
    * Bei der Kernwaffenproduktion findet aber regelmäßig ein Brennelement-Wechsel und eine Wiederaufbereitung statt. Man kann also neben dem Plutonium (überwiegend 239) auch das Neptunium (überwiegend 237) extrahieren, und letzteres als seperates zu bestrahlendes Element (z.B. in einem eigenen Brennelementrohr) zurück in den Reaktor schicken. Dort wird es dann durch Neutronenbestrahlung in Plutonium-238 verwandelt. Man darf die Neptunium-Elemente aber ihrerseits nicht zu lange im Reaktor lassen, denn auch das Plutonium-238 fängt gerne (sogar viel wahrscheinlicher als Neptunium-237) weitere Neutronen und wird dann zum Plutonium-239, das man nicht will.

    Man ist also zur Plutonium-238-Produktion vor allem im zweiten Schritt auf häufigen Brennelementwechsel angewiesen, und das geht in Leistungsreaktoren nicht, wo ein Brennelementwechsel nur einmal im Jahr vorgesehen ist!

    Americium-241 entsteht hingegen auf „natürlichem“ Weg in recht reiner Form in allen herkömmlichen Reaktoren – je länger die Bestrahlung (während der auch Plutonium-241 entsteht) und die anschließende Lagerung (während der Plutonium-241 zu Americium-241 zerfällt), um so mehr.

    Im Vergleich zu Plutonium-238 ist Americium-241 viel sicherer: Wesentlich hhere kritische Masse (ja, auch, wenn es meist anders behauptet wird, könnte man aus Plutonium-238 eine Atombombe bauen, da es mit schnellen Neutronen spaltbar ist!), geringere Wärmeentwicklung und weniger Spontanspaltung, folglich weniger Neutronen. Warum der zitierte Report Am-241 komplett „vergisst“ und nur in der letzten Tabelle erwähnt und dort dann eine dickere nötige Abschirmung behauptet, ist schleierhaft. Vielleicht sollen dort neue Kernreaktoren verkauft werden, denn Am-241 ist das einzige für RTGs nutzbare Element, das man auch ohne neue gezielte Reaktoren einfach aus normalem Atommüll in einer WAA abseparieren könnte.

    Es gibt übrigens überhaupt nur drei halbwegs stabile Americium-Isotope mit Halbwertszeiten jenseits von ein paar Stunden oder Tagen: Das genannte 241, das 243 (reiner Alpha-Strahler mit 7370 Jahren HWZ) und metastabiles Americium-242 (HWZ 141 Jahre). Letzteres sendet Gammastrahlung mit 0,049 MeV aus – das könnte man auch als „Röntgenstrahlung“ titulieren und benötigt garantiert nicht die genannten 2 cm Bleischild, um abgeschirmt zu werden. Die Bleiwesten, die man beim Arzt umgehängt bekommt, sind ja auch nicht so dick. Und das Problem mit dem Am-242M existiert auch nur dann, wenn es überhaupt in nennenswerter Menge enthalten ist, was sich aber wahrscheinlich bei lange bestrahlten Brennelementen nicht vermeiden lässt.

    Kai

  5. Sehr geehrter Herr Leitenberger,
    vielen Dank für den netten Artikel, fällt nur mal wieder nicht unter die Kategorie „alles, was sie nicht wissen wollen“.
    Etwas erstaunt war ich über die Produktionsmenge in Kilogramm, wo Sr-90 ja nur minimal über dem Wert von Pu-238 liegt. Ich hätte (basierend auf dem Preisunterschied) geschätzt, dass deutlich mehr Sr-90 und Cs-137 erzeugt wird.
    Was hat es mit dem Neutronenfluss bei Cs-137 in der letzten Tabelle auf sich? Cs-137 ist ein Betastrahler, wie kommt hier ein Neutronenfluss zustande? Problematisch in der Abschirmung sollte eher die Gammastrahlung sein, die von dem Zerfallsprodukt Barium-137 im angeregten Zustand ausgeht.

    Mit freundlichen Grüßen,
    Felix Letkemann

  6. Die Daten stammen aus der verlinkten Quelle, dort findet man auch den Passus über die Neutronenstrahlung. Die kosten hängen nicht nur von der Menge ab, sondern auch der Gewinnung. Cäsium kann man direkt gewinnen, Pu-238 wird aus Neptunium gewonnen das in einem zweiten Schritt durch Neutroneneinfang erst zu Pu-238 wird.

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