Radioisotopengenerator

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

In 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.

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Übersicht verschiedener Radioisotopengeneratoren

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

• Thermoelektrischer Isotopengenerator; ein Radionuklid als Wärmequelle betreibt einen thermoelektrischen Generator, ähnlich einem Peltierelement (Seebeckeffekt bzw. inverser Peltiereffekt). Diese Art Isotopengeneratoren ist die gebräuchlichste und wird unten im Detail beschrieben.

Daneben existieren weitere Typen:

• Thermionischer Isotopengenerator; er nutzt die Glühemission von Elektronen aus einer durch das Radionuklid erhitzten Glühkathode
• Thermophotovoltaischer Isotopengenerator; er nutzt die Infrarotstrahlung des sich bis zur Glut erhitzenden Radionuklides und wandelt sie mit Photodioden ähnlich wie Solarzellen in Strom um
• Direkt ladende Generatoren; sie nutzen die durch die Emission von geladenen Teilchen (Beta- oder Alphastrahlung) entstehende elektrische Ladung
• Optoelektrischer Isotopengenerator, in ihm werden durch die radioaktive Strahlung Gase zum Leuchten angeregt, deren Strahlung wird mit Photodioden in Strom umgewandelt.
• sogenannte Betavoltaics, sie wandeln Betastrahlung in einem Halbleiter ähnlich einer Photodiode direkt in elektrischen Strom um.
• Piezoelektrischer Isotopengenerator; hier verformt sich periodisch ein piezoelektrischer Körper, indem er Ladung von einem Betastrahler aufnimmt und diese bei Verformung in einen elektrischen Kontakt abgibt, den er durch seine Verformung schließt.
• Isotopenbatterien mit Alkalimetall-thermisch-elektrischem Wandler (engl.: alkali-metal thermal to electric converter, kurz AMTEC), sie nutzen das elektrochemische System der Natrium-Schwefel-Batterie ähnlich wie eine Brennstoffzelle, indem durch die Wärme des Radionuklides verdampfter Schwefel durch einen Separator bzw. Festelektrolyt aus Aluminiumoxid-Keramik gedrückt wird.

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)), und einem thermoelektrischen Generator.

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%.
 

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 große Wärmeabgabe für sein Gewicht und Volumen zu erreichen. Die Strahlung muss auch durch eine dünne Abschirmung aufgehalten werden, damit der RTG nicht zu schwer wird. Deshalb sind Betastrahler wegen der Freisetzung von Bremsstrahlung, Gammastrahler und Isotope mit hoher Spontanspaltungsrate wegen der Freisetzung von Gammastrahlen und Neutronen nicht gut geeignet^[1]. 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 ebenfalls keine extrem starken Strahler sein, da bereits geringe Mengen von ihnen fast sofort gebildet werden.

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

Plutonium ²³⁸Pu das in Kernreaktoren erbrütet werden muss wird als Radionuklid in den meisten RTGs, besonders in der Raumfahrt verwendet. Es besitzt eine hohe Energiedichte, die mehr als 100 Mal so groß ist wie die von Benzin. Die durch Spontanzerfall entstehende Wärmeleistung beträgt etwa 450 Watt pro Kilogramm. Plutonium ²³⁸Pu ist ein Alphastrahler mit niedriger Spontanspaltungsrate und dadurch geringer Neutronen- und Gammaemission mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren, d.h. nach 87,7 Jahren sind es 225 W, nach 175,4 Jahren noch ca. 112 W usw. Die relativ lange Halbwertszeit (= mehrere Jahrzente Einsatzzeit des RTG) und geringe Emission schwer abschirmbarer Strahlung führen dazu, dass es nur die dünnste Strahlenabschirmung der hier genannten Isotope benötigt. Eine Menge von 300 g Plutonium-238 liefert nach thermoelektrischer Wandlung mit ca. 8 % Wirkungsgrad z.B. etwa 11 Watt elektrische Leistung und innerhalb von 10 Jahren somit etwa 933 Kilowattstunden elektrische Energie.

Strontium ⁹⁰Sr fällt als Spaltprodukt in Kernreaktoren an und ist ein Betastrahler mit 28,78 Jahre Halbwertszeit. Diese Betastrahlung setzt bei der Abbremsung in dem umgebenden Material Bremsstrahlung frei. Das Zerfallsprodukt Yttrium ⁹⁰Y setzt noch härtere Betastrahlung frei, die zu noch stärkerer Bremsstrahlung führt. Deshalb benötigt Strontium ⁹⁰Sr eine viel dickere Abschirmung als Alpha-Strahler. Als Vorteil kann gelten, dass es nur über die erwähnte Zwischenstufe (Yttrium ⁹⁰Y mit 64,10 Stunden Halbwertszeit) zu stabilem Zirkonium ⁹⁰Zr zerfällt und so die Strahlung nach etwa 10 Halbwertszeiten (287,8 Jahre) als weitgehend bedeutungslos gelten kann^[2]. Strontium ⁹⁰Sr kann in großen Mengen bei der Wiederaufarbeitung gewonnen werden und wird in RTGs auf der Erde verwendet, wo das Gewicht der Abschirmung nicht so entscheidend ist wie in der Raumfahrt.

Caesium ¹³⁷Cs fällt als Spaltprodukt in Kernreaktoren an und hat 30,17 Jahre Halbwerszeit. Es benötigt, da es Betastrahlung emittiert und das Zerfallsprodukt Barium ^137mBa ein starker Gammastrahler ist^[3], eine aufwändigere Abschirmung für die Strahlung als Alpha-Strahler. Als Vorteil kann gelten, dass es nur über die erwähnte Zwischenstufe (Barium ^137mBa mit 2,55 Minuten Halbwertszeit) zu stabilem Barium ¹³⁷Ba zerfällt und so die Strahlung nach etwa 10 Halbwertszeiten (301,7 Jahre) als weitgehend bedeutungslos gelten kann^[4]. Caesium ¹³⁷Cs kann in großen Mengen bei der Wiederaufarbeitung gewonnen werden.

Curium ²⁴⁴Cm muss in Kernreaktoren erbrütet werden und hat 18,1 Jahre Halbwertszeit. Als Alphastrahler benötigt es nur eine dünnere Abschirmung als die Betastrahler, jedoch ist seine Spontanspaltungsrate und damit die Neutronen- und Gammastrahlung höher als die von Plutonium ²³⁸Pu, wodurch auch die benötigte Abschirmung deutlich dicker sein muss. Auch ist seine Halbwertszeit viel geringer, so dass ein RTG mit ihm eine viel kürzere Einsatzdauer hätte.

Americium ²⁴¹Am entsteht beim Zerfall des in Kernreaktoren in kleinen Mengen erbrüteten Plutonium ²⁴¹Pu. Es wäre mit 432,2 Jahren Halbwertszeit für RTGs, die nicht nur wenige Jahrzehnte sondern Jahrhunderte lang elektrische Energie liefern können, geeignet. Durch die längere Halbwertszeit verteilt sich die Energieabgabe auf eine längere Zeit als bei Plutonium ²³⁸Pu, sodass zu Anfang die Strahlungsleistung nur bei ca. 1/4 liegt. Jedoch ist Americium kein reiner Alphastrahler, sondern gibt beim Zerfall große Mengen relativ weicher Gammastrahlung ab, weil nur ca. 0,35% aller ²⁴¹Am Atome die gesamte Zerfallsenergie dem Alphateilchen mitgeben^[5]. Deshalb benötigen diese RTGs eine etwas dickere Abschirmung als die mit ²³⁸Pu Füllung.^[6][7]

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 vom Heizelement 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 [1].
In [2] findet sich eine Tabelle von der Sowjetunion 1976 bis 1990 zur terrestrischen Nutzung gefertigter RTG. Daraus lassen sich Wirkungsgrade von ca. 2,5…6 % errechnen.   Als problematisch wird heute der Einsatz von Isotopenbatterien in Herzschrittmachern der ersten Generation betrachtet, die mit Pu-RTGs betrieben wurden [3]. 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 den Betrieb elektronischer 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 [4].

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.

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 Sonden-Batterien ist jedoch derart konstruiert, dass sie eine Explosion der Trägerrakete oder einen unkontrollierten Wiedereintritt überstehen, ohne dass eine Freisetzung der Radioisotope in die Atmosphäre stattfinden soll.

Wegen der insgesamt großen Menge von Isotopenmaterial wird auch die Anwendung in den Nachfolgestaaten der UdSSR als problematisch gesehen. Dort wurden und werden teils abseits gelegene Leuchttürme sowie militärische Funkstationen mit Isotopenbatterien versorgt. Wegen des hohen Leistungsbedarfs müssen große Mengen radioaktiven Materials eingesetzt werden.

Man befürchtet, dass diese Anlagen teils unzureichend gesichert sind, so dass es zu Diebstahl oder Freisetzung durch Korrosion kommen kann. Aus Georgien wurde berichtet, dass Schrottsammler in Wäldern die liegengelassenen Bestandteile der Isotopenbatterien ehemaliger, mobiler militärischer Funkanlagen fanden.

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://de.wikipedia.org/wiki/Halbwertszeit#Radioaktive_Halbwertszeit
5. ↑ http://87.139.25.178:81/ger/theory.htm
6. ↑ en:Radioisotope_thermoelectric_generator#Fuels
7. ↑ Nuklide für RTGs (PDF) letzte Seite