A radioizotópos termoelektromos generátor (RTG)

A Naprendszer távoli bolygóit felkereső űrszondák energiaellátására a napelemek már nem elég hatékonyak, erre a radioizotópos termoelektromos generátor (RTG) a jó megoldás. Ha két különböző fémből (vagy félvezetőből) álló áramkörben a fémek érintkezési pontjai között hőmérséklet‑különbséget hozunk létre, akkor az áramkörben feszültség keletkezik, melynek nagysága függ a hőmérséklet különbségtől. Az RTG-ben ilyen termoelemekkel hoznak létre elektromos feszültséget. A két fém egyik érintkezési pontját a világűr hűti, a másikat radioaktív bomlásból származó hő melegíti. Fűtőanyagnak olyan izotóp jó, amely tömegegységenként a lehető legnagyobb energiát szolgáltatja, kis áthatolóképességű (könnyen árnyékolható) és nagy energiájú sugárzással bomlik. A felezési ideje ne legyen nagyon rövid, hogy a hosszú úton ki ne merüljön az energiaforrás, de az sem jó, ha túl hosszú a felezési idő, mert akkor az anyag alacsony fűtőteljesítményű. A legmegfelelőbb anyagnak a mesterségesen előállítható plutónium‑238 izotóp bizonyult. Nagy sűrűségű, alfa‑sugárzó, felezési ideje 88 év. A radioaktív fűtőelemet a hengeres generátor belső tengelye mentén helyezik el, amint az ábrán látszik. Erre merőlegesen, sugárirányban állnak a termoelemek, amelyek egyik csatlakozási pontja a fűtőelemektől kap hőt, a másik a hűtőcsövekhez csatlakozik. Ilyen generátorokat használtak például a Pioneer, a Voyager, a Galileo, az Ulysses és a Cassini űrszondákban.   
(Képek: Wikipédia)

  
  

a) Ismertesse a radioaktív bomlások fajtáit!

b) Miért termelődik hő a radioaktív bomlások során?

c) Miért fűti a rendszert nagyobb teljesítménnyel a rövidebb felezési idejű izotóp, mint a hosszabb felezési idejű?

d) Miért esett a választás egy $\alpha $‑sugárzó izotópra a RTG esetén?

e) Milyen leányelem keletkezik a plutónium-238 izotóp $\alpha $‑bomlása során?

f) A többrétegű szigetelést a termoelem két végpontja közé helyezik el. Miért?

g) A Voyager‑1 űrszondát 1977‑ben bocsátották fel, és 2025‑ig lesz elég energiája, hogy rádiójeleket küldjön a Földre. Hányadrészére csökken ezalatt az RTG‑be beépített fűtőanyagcellák sugárzási teljesítménye?

a) A radioaktív bomlásfajták rövid ismertetése:

3 pont

• $\alpha $‑bomlás – héliumatommag (1 pont) (pusztán az „alfa-részecske” nem elegendő)
• $\beta $‑bomlás – elektron (1 pont)
• $\gamma $‑bomlás – elektromágneses sugárzás (1 pont)

b) A hőfejlődés magyarázata:

2 pont

A magból kilépő részecske energiája a környezetben elnyelődik (2 pont), fűti azt. (Ha a vizsgázó más, de szakmailag helyes módon fogalmazza meg, hogy a folyamatban energia keletkezik, ami fűti a környezetet, a válasz elfogadandó.)

c) A felezési idő és teljesítmény közötti összefüggés leírása:

2 pont

Rövidebb felezési idő esetén időegységenként több bomlás (1 pont) történik, ami időegységenként több energiát (1 pont) szabadít fel.

d) Az $\alpha $‑sugárzó izotóp előnyének megadása:

2 pont

Az $\alpha $‑sugárzás rövid távon elnyelődik (2 pont). (Ha a vizsgázó ezt a tényt úgy fejezi ki, hogy a három bomlásfajta közül ez a legkisebb áthatoló képességű, legkönnyebben árnyékolható, azt is el kell fogadni.)

e) A keletkező leányelem megnevezése:

2 pont

Az urán (1 pont) 234‑es (1 pont) izotópja.
 

f) A szigetelés elhelyezésének magyarázata:

4 pont

Mivel a termoelem által szolgáltatott feszültség annál nagyobb, minél nagyobb a hőmérséklet‑különbség (2 pont) a két végpont között, célszerű a belső (melegített) és a külső (hűtött) oldal közti hőcserét akadályozni (2 pont), hátráltatni.
 

g) A teljesítménycsökkenés mértékének meghatározása:

3 pont

48 évvel (1 pont) a fellövés után a teljesítmény az eredeti teljesítménynek a

\[2^{-\frac{48}{88}}\]

‑szorosa (1 pont), ami 0,685, azaz kb. 69% (1 pont).

Összesen: 18 pont