mini|hochkant=1.2|Aktivitätsmessungen an dem für Cassini-Huygens bestimmten Radioisotopengenerator im Kennedy Space Center
Eine Radionuklidbatterie, auch Radioisotopengenerator,Ein „(Radio)isotopengenerator“ dient der Energieerzeugung. Der Begriff wird manchmal synonym gebraucht (und daher auch verwechselt) mit Radionuklidgenerator (dient der Radionukliderzeugung). Isotopenbatterie oder Atombatterie, wandelt die thermische Energie oder die Betastrahlung bzw. Alphastrahlung des spontanen Kernzerfalls eines Radionuklids in elektrische Energie um. Sie gewinnt ihre Energie aus radioaktivem Zerfall, nicht etwa aus einer Kernspaltung mit nachfolgender Kettenreaktion, und ist daher kein Kernreaktor. Wird die elektrische Energie nur aus der beim Zerfall freigesetzten Wärmeenergie über den thermoelektrischen Effekt gewonnen, spricht man von einem RTG (für radioisotope thermoelectric generator).
Radionuklidbatterien sind im Allgemeinen klein, kompakt und kommen ohne bewegliche Teile aus. Sie sind autonom, wartungsfrei und können über Jahre bis Jahrzehnte hinweg elektrische Energie liefern. Wirkungsgrade sind üblicherweise gering, da wartungsarme und leichte Energiewandler wichtiger sind als hohe Effizienz. Der Nachteil ist, dass die gelieferte Energie nicht gleichmäßig abgegeben wird, sondern exponentiell mit der Zeit abnimmt. Der Generator muss demnach so dimensioniert werden, dass er gegen Ende der geplanten Nutzungsdauer noch genügend Energie abgeben kann.
Das Prinzip wurde bereits vor Entdeckung der Kernspaltung theoretisch diskutiert. Bereits 1913 wurde – anhand des natürlicherweise als Produkt der Zerfallsreihe des 238U vorkommenden 226Ra – durch Henry Moseley (1887–1915) im Labor ermittelt, welche Eigenschaften eine derartige nukleare Batterie hätte.Atomic Batterieshttps://www.famousscientists.org/henry-moseley/ Praktisch eingesetzt wurde das Prinzip allerdings erst nach dem Zweiten Weltkrieg unter Verwendung künstlich hergestellter Radionuklide.
Prinzip eines RTG Durch den Zerfall eines Radionuklids entstehen Wärmeenergie und Strahlung. Während die Wärme bei einem Radionuklid-Heizelement als Wärmequelle verwendet wird, setzt ein RTG sie mit Hilfe eines Wandlers in elektrische Energie um. Das Radionuklid im RTG ist so angeordnet oder in so geringer Menge vorhanden, dass auch bei Isotopen von Transuranen die kritische Masse zur Zündung einer Kettenreaktion nicht erreicht wird.
Als Wandler werden bis heute am häufigsten thermoelektrische Generatoren (siehe auch unten im Kapitel Wandler) eingesetzt. Sie arbeiten verschleißfrei ohne bewegte Teile und sind daher gut für ihr Einsatzgebiet, beispielsweise sonnenferne, langlebige Raumsonden geeignet. Der Wirkungsgrad beträgt nur 3 bis 8 Prozent. Die darin zur Energiewandlung eingesetzten thermoelektrischen Elemente benötigen zur Stromerzeugung einen möglichst großen Temperaturunterschied. Deshalb wird eine Seite durch das radioaktive Präparat erhitzt, die andere Seite strahlt über eine große Fläche mit hohem Emissionsgrad Wärmeleistung in die Umgebung ab und wird so gekühlt.
Alternativen sind im Entwicklungsstadium. Die vielversprechendste davon ist der AMTEC-Generator (Alkalimetall-thermisch-elektrischer Wandler, siehe unten). Er sollte ursprünglich auf der New-Horizons-Raumsonde eingesetzt werden, aus finanziellen Gründen wurde aber ein thermoelektrischer Generator (Typ GPHS-RTG) gewählt.
mini|hochkant=1.6|Teilschnitt-Darstellung eines ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) Beim Konzept des „Advanced Stirling Radioisotope Generator“ (ASRG) wird mit der Wärme des Radioisotops ein Stirlingmotor betrieben, der wiederum einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Der Wirkungsgrad des Stirlingsmotors ist mit ca. 28 Prozent wesentlich höher als der von Thermoelementen, wodurch mit derselben Menge des Radionuklids wesentlich mehr elektrische Energie erzeugt werden kann. Aufgrund beweglicher Teile, die zum Ausfall des Systems führen können, ist ein ASRG jedoch nicht wartungsfrei. Bislang ist nur auf der Chinesischen Raumstation ein Stirlinggenerator im Einsatz. Dort wird bei einem Temperaturverhältnis von 2,2 zwischen warmem und kaltem Ende ein Wirkungsgrad von 24,7 % erreicht.
Vergleich von Radionuklidbatterien und Kernreaktoren Gegenüber Kernreaktoren besitzen Radionuklidbatterien ein schlechteres Masse-Leistungs-Verhältnis. Der Brennstoffzerfall ist unabhängig davon, ob elektrische Leistung entnommen wird oder nicht. Bei Radioisotopen fällt die Energieabgabe exponentiell ab, deshalb muss immer ein Überschuss an Brennstoff mitgenommen werden, was höhere Kosten und eine schwerere Abschirmung erfordert. Vorteilhaft gegenüber Kernreaktoren sind hingegen die robustere und einfachere Bauweise mit weniger beweglichen Teilen und die Möglichkeit, auch im Bereich weniger Watt Leistung operieren zu können, was für Kernreaktoren üblicherweise nicht möglich ist, da eine Mindestmasse zum Erreichen und Erhalten von Kritikalität nötig ist. Auch thermisches Durchgehen bzw. Leistungsexkursion sind bei Radionuklidbatterien ausgeschlossen, da keine Kettenreaktion vorliegt und keine positiven Rückkopplungen möglich sind. Nachzerfallswärme ist in gewisser Weise das Wirkprinzip von RTGs, sodass selbige grundsätzlich auf deren Abführung angelegt sein müssen.
Genutzte und theoretisch nutzbare Nuklide Damit ein RTG während des Einsatzes nicht zu stark an Leistung einbüßt, sollte das verwendete Radionuklid eine Halbwertszeit besitzen, die um den Faktor 2 bis 5 länger als die geplante Betriebsdauer ist. In der Raumfahrt muss das Radionuklid hinreichend viel Energie abgeben, um eine in Relation zu seiner Masse und seinem Volumen große Wärmeabgabe zu erreichen. Andererseits muss eine dünne Abschirmung genügen, damit der RTG nicht zu schwer wird. Sensible Messinstrumente – bzw. bei bemannten Missionen die Crew – müssen vor Strahlenschäden geschützt werden und bei geplanter Gammaspektroskopie würde das Signal in bestimmten Wellenlängen vom RTG „übertönt“. Allerdings ist bei Missionen jenseits der van-Allen-Gürtel ohnehin Sorge zu tragen, dass die Nutzlast kosmische Strahlung, Sonnenwind usw. übersteht. Besonders problematisch sind daher die folgenden Eigenschaften: Betastrahler setzen Bremsstrahlung frei, Gammastrahler und Nuklide mit hoher Spontanspaltungsrate sind wegen der Freisetzung von Gammastrahlen und Neutronen nicht gut geeignet. Für eine hinreichend große spezifische Wärmeabgabe sollte die Halbwertszeit nicht unnötig lang sein, sonst wäre zu viel des Radionuklids nötig, wodurch die RTGs für eine vertretbare Startmasse zu schwer würden. Bei angedachten interstellaren Sonden sind Alphastrahler mit bis zu 10.000 Jahren Halbwertszeit in der Diskussion.
Bei Anwendungen auf der Erde ist die Masse der Abschirmung und die Leistungsdichte weniger wichtig, dafür spielt jedoch der Preis des Radionuklids eine entscheidende Rolle. Deshalb werden auf der Erde auch Betastrahler in RTGs verwendet. Die Zerfallsprodukte der gesamten Zerfallsreihe des gewählten Nuklids dürfen jedoch ebenfalls keine allzu durchdringende Strahlung abgeben.
Einige Isotope aus dem abgebrannten Brennstoff von Kernkraftwerken können verwendet werden, wie zum Beispiel 90Sr, 137Cs, 144Ce, 106Ru oder 241Am. Zu deren Gewinnung ist allerdings eine Wiederaufarbeitungsanlage nötig. Viele Isotope, darunter die Transurane, müssen erst aufwändig durch Neutronenbestrahlung in einem Reaktor erbrütet werden, wozu teilweise sogar mehrere Durchgänge durch eine Wiederaufarbeitungsanlage nötig sind, zum Beispiel 210Po, 238Pu oder 244Cm. 244Cm kostet ungefähr 160.000 US$/g.
Spaltprodukte aus Kernkraftanlagen sind ökonomisch attraktiv, da sie wenig oder keine andere Verwendung haben, und bei der Wiederaufarbeitung als Abfall gelten. Eine Nutzung dieses Koppelproduktes ist daher ökonomisch wie ökologisch (Kreislaufwirtschaft) prinzipiell wünschenswert. Allerdings sind die meisten Spaltprodukte Betastrahler und einige unter ihnen darüber hinaus starke Gammastrahler, was stärkere Abschirmung erfordert als bei Alphastrahlern. Diese Spaltprodukte haben keine kritische Masse, sodass der Größe entsprechender Anlagen keine physikalischen Grenzen gesetzt sind.
Natürlich vorkommende primordiale Nuklide sind zu langlebig und haben eine zu geringe Leistungsdichte oder sind sehr selten. Die radiogenen und kosmogenen Nuklide sind in zu geringer Konzentration vorhanden als dass ihre Extraktion aus natürlichen Quellen lohnend wäre. Auch bei Nukliden, welche in der Natur vorkommen wie 14C, 3H oder 210Po, welche in RTGs genutzt werden oder genutzt werden könnten, wird die künstliche Erzeugung bevorzugt, da sie wirtschaftlicher ist. Historisch wurde allerdings über die Nutzung des natürlich vorkommenden 226Ra diskutiert, bevor die Möglichkeit der Erzeugung künstlicher Radionuklide bestand.
Im Folgenden Eigenschaften und Verwendungen einiger wichtiger Radionuklide:
Radio-nuklid Halbwerts-zeit(Jahre) Zerfall Brennstoff spezifische Leistung(W/g) Abschir-mung SchmelzpunktdesBrennstoffs 60Co 5,27 β, γ Metall 18,9 schwer 1480 °C 90Sr 28,78 β, β SrTiO3 2,31 schwer 1910 °C 106Ru 1,02 β, β Metall 70,0 schwer 2310 °C 137Cs 30,17 β, γ CsCl oder GlasMartin Nuclear Division: Feasibility of Isotopic Power for Manned Lunar Missions, Volume 2--Mission, Fuel, and Nuclear Safety and Radiation, Mai 1964, S. 49. 0,60 schwer 646 °C / – 144Ce 0,78 β, β, γ CeO2 62,6 schwer 2190 °C 147Pm 2,62 β Pm2O3 1,23 mittel 2130 °C 210Po 0,38 α GdPo 141 einfach 1630 °C 238Pu 87,7 α PuO2 0,568 einfach 2250 °C 242Cm 0,45 α Cm2O3 122 mittel 1950 °C 244Cm 18,1 α 2,84 mittel 241Am 432,2 α AmO2 0,112 mittel 2000 °C 243Am 7513 α, β, α 0,010 ≥ mittel
Cobalt 60Co Cobalt 60Co wird durch Neutronenbeschuss von 59Co erzeugt und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5,26 Jahren unter Betazerfall zunächst in einen angeregten Zustand von 60Ni* und anschließend unter Aussendung von energiereicher Gammastrahlung in den Grundzustand dieses Nuklids. 60Co wird unter anderem zur Sterilisierung oder Konservierung von Lebensmitteln, zur Materialuntersuchung (Durchstrahlungsprüfung) und in der Krebstherapie in Form der Kobaltkanone verwendet. Bei der Verwendung in einer Radioisotopenbatterie wäre deshalb eine sehr dicke Abschirmung nötig.
Strontium 90Sr Strontium 90Sr fällt als Spaltprodukt in Kernreaktoren an und ist ein Betastrahler mit 28,78 Jahren Halbwertszeit. Die Zerfallsenergie beträgt 0,546 MeV. Diese Betastrahlung setzt Bremsstrahlung frei. Das kurzlebige Zerfallsprodukt Yttrium 90Y setzt mit 2,282 MeV noch härtere Betastrahlung mit stärkerer Bremsstrahlung frei. Deshalb benötigt 90Sr eine viel dickere Abschirmung als ein Alpha-Strahler. 90Sr hat eine kurze Zerfallskette und zerfällt über 90Y mit 64,10 Stunden Halbwertszeit zu stabilem Zirkonium 90Zr. Die Strahlung ist nach etwa 900 Jahren auf einen ungefährlichen Wert gesunken. 90Sr kann in großen Mengen bei der Wiederaufarbeitung gewonnen werden und wird in RTGs auf der Erde verwendet, wo die Masse der Abschirmung nicht so entscheidend ist wie in der Raumfahrt. Als Erdalkalimetall bildet sich ein wasserlösliches Hydroxid, wenn das Metall oder Oxid in Kontakt mit Wasser gerät. Das Carbonat bzw. Sulfat sind schwer wasserlöslich, allerdings nicht sonderlich physikalisch beständig. Daher bietet sich Strontiumtitanat als chemisch wie physikalisch beständige Form an und wurde z. B. in der UdSSR auch großtechnisch für diese Verwendung hergestellt.
Ruthenium 106Ru