Radioisotopenbatterie

Eine Radionuklidbatterie, auch Radioisotopengenerator oder Atombatterie genannt, wandelt thermische Energie des spontanen Kernzerfalls eines Radionuklides in elektrische Energie um. Sie gewinnt ihre Energie aus radioaktivem Zerfall und nicht aus Kernspaltung mit Kettenreaktion und ist daher von Kernreaktoren zu unterscheiden.

Radioisotopengenerator der Raumsonde Cassini-Huygens.

Wesentliche Merkmale von Radionuklidgeneratoren sind, dass sie meist klein sind und - außer beim Piezoelektrischen Isotopengenerator - ohne bewegliche Teile arbeiten. Sie sind autonom, wartungsfrei und können sehr lange (Jahre bis Jahrzehnte) elektrische Energie liefern.

Neben der Stromerzeugung werden teils auch Vorrichtungen Radioisotopengenerator genannt, in denen ein für medizinische Zwecke benötigtes kurzlebiges Radionuklid laufend als Zerfallsprodukt eines langlebigen Mutternuklids erzeugt wird, z. B. der Gallium-68-Generator.

Übersicht verschiedener Radionuklidbatterien

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

• Thermoelektrischer Isotopengenerator (engl. Radioisotope thermoelectric generator, abk. RTG); ein Radionuklid erzeugt Wärme und betreibt einen thermoelektrischen Generator, ähnlich einem Peltierelement (Seebeckeffekt bzw. inverser Peltiereffekt). Diese Art Isotopengeneratoren ist die gebräuchlichste und wird unten im Detail beschrieben.
• Thermionischer Isotopengenerator; er nutzt die Glühemission von Elektronen aus einer durch das Radionuklid erhitzten Glühkathode; als thermionischer Generator oder thermionischer Umwandler unabhängig von der Quelle der Wärme.
• 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^[1]). Sie nutzen Komponenten wie bei der Natrium-Schwefel-Batterie. Durch die Wärme des Radionuklides verdampfter Schwefel wird durch einen Separator bzw. Festelektrolyt aus Aluminiumoxid-Keramik gedrückt und dabei ionisiert. Die Zelle ähnelt einer Brennstoffzelle. Der Wirkungsgrad liegt bei 15-20%.
• Stirling Isotopengenerator (SRG, engl. stirling radioisotope generator). Die vom Radioisotopengenerator erzeugte Temperaturdifferenz treibt einen Stirlingmotor. Sein Wirkungsgrad (20-30%) ist höher als die thermoelektrischer Elemente (10-15%).

Thermoelektrischer Isotopengenerator

Schema eines Radioisotopengenerators

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)), einem thermoelektrischen Generator und einem Kühlkörper.

Prinzip

Durch den radioaktiven Zerfall eines Radionuklids 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 %. Die Thermoelemente benötigen einen möglichst großen Temperaturunterschied zur Stromerzeugung. Deshalb wird eine Seite durch das radioaktive Präparat erhitzt, die andere Seite strahlt über eine große, dunkle Fläche Wärmeenergie in die Umgebung ab und wird so gekühlt.

Radionuklide

Damit der RTG während der Einsatzdauer nicht zu stark an Leistung einbüßt, sollte das verwendete Radioinuklid eine Halbwertszeit besitzen, die wesentlich größer ist als die geplante Betriebszeit, in der Praxis also meistens einige Jahrzehnte Halbwertszeit. In der Raumfahrt muss das Radionuklid eine energiereiche Strahlung abgeben, um eine in Relation zu seinem Gewicht und seinem Volumen große Wärmeabgabe zu erreichen. Die Strahlung muss auch durch eine dünne Abschirmung aufgehalten werden können, damit der RTG nicht zu schwer wird. Deshalb sind Betastrahler wegen der Freisetzung von Bremsstrahlung und Gammastrahler und Isotope mit hoher Spontanspaltungsrate wegen der Freisetzung von Gammastrahlen und Neutronen nicht gut geeignet.^[2]

Dabei ist das Radionuklid im RTG so angeordnet oder so wenig davon vorhanden, dass auch bei Isotopen von Transuranen die Kritische Masse nicht erreicht oder überschritten wird, so dass die Auslösung einer Kettenreaktion durch Neutronen aus spontanen Spaltungen ausgeschlossen ist.

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 Nuklids dürfen jedoch ebenfalls keine extrem starken Strahler sein, da bereits geringe Mengen fast sofort gebildet werden, was zu sehr starker Strahlung führen würde.

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 100mal so groß ist wie die von Benzin. Die durch Spontanzerfall entstehende Wärmeleistung beträgt etwa 450 Watt pro Kilogramm. 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 Jahrzehnte Einsatzzeit des RTG) und geringe Emission schwer abschirmbarer Strahlung führen dazu, dass es nur die dünnste Strahlenabschirmung der hier genannten Nuklide 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.
  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.

• Strontium ⁹⁰Sr fällt als Spaltprodukt in Kernreaktoren an und ist ein Betastrahler mit 28,78 Jahren 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 ⁹⁰Sr eine viel dickere Abschirmung als ein Alpha-Strahler. Als Vorteil kann gelten, dass es nur über die erwähnte Zwischenstufe (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.^[3] Strontium-90 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 Halbwertszeit. Es benötigt, da es Betastrahlung emittiert und das Zerfallsprodukt Barium ^137mBa ein starker Gammastrahler ist,^[4] eine aufwändigere Abschirmung für die Strahlung als ein Alpha-Strahler. Als Vorteil kann gelten, dass es nur über die erwähnte Zwischenstufe (^137mBa mit 2,55 Minuten Halbwertszeit) zu stabilem ¹³⁷Ba zerfällt und so die Strahlung nach etwa 10 Halbwertszeiten (301,7 Jahre) als weitgehend bedeutungslos gelten kann. Caesium-137 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 ²³⁸Pu, so dass die 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 ²⁴¹Pu. Es wäre mit 432,2 Jahren Halbwertszeit für RTGs geeignet, die nicht nur Jahrzehnte, sondern Jahrhunderte lang elektrische Energie liefern können. Durch die längere Halbwertszeit verteilt sich die Energieabgabe auf eine längere Zeit als bei ²³⁸Pu, so dass 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

Durch Zerfallsenergie glühendes Pellet aus Plutoniumdioxid.

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 von den Heizelementen 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.

Allgemeine Anwendungen

Schnittbild durch einen GPHS-RTG der Raumsonde Cassini-Huygens.

Aufgrund ihrer Einfachheit und langen Laufzeit finden RTGs dort Verwendung, wo kein Stromnetz vorhanden ist, kein Strom auf andere Art (z. B. mit Solarzellen) erzeugt werden kann, 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.^[8]
Nach einer Tabelle zu den von der Sowjetunion 1976 bis 1990 zur terrestrischen Nutzung gefertigten RTGs lassen sich Wirkungsgrade von ca. 2,4 bis 5,7 % errechnen.^[9]

Schnittbild durch ein RHU Heizelement

Als problematisch wird heute der Einsatz von Isotopenbatterien in Herzschrittmachern der ersten Generation betrachtet, die mit Pu-RTGs betrieben wurden.^[10] Durch die Langlebigkeit sollten unnötige Eingriffe zum Batteriewechsel vermieden werden. Es gibt heute (2005) weltweit noch etwa 100 Träger derartiger Implantate. Inzwischen werden neue Herzschrittmacher nur noch mit chemisch arbeitenden Lithium-Batterien betrieben und erreichen damit eine Betriebszeit bis zu 10 Jahren.

Anwendungen in der Raumfahrt

In der Raumfahrt dienen RTG zur Stromversorgung von Sonden zu den äußeren Planeten. Jenseits der Mars-Umlaufbahn reicht meistens 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. Erst durch die Entwicklung von relativ neuen Hochleistungssolarzellen können inzwischen auch einige Raumsonden bis zur Jupiter-Umlaufbahn Solarzellen verwenden, beispielsweise die Raumsonden Rosetta und Juno.

Die Anfang der 1970er Jahre von den Apollo-Astronauten auf dem Mond aufgestellten automatischen Meßstationen (ALSEP) bezogen ihre Energie ebenfalls von Isotopenbatterien.

Unter dem Namen Multi Mission RTG (MMRTG) entwickelt NASA eine Hochleistungs-Radionuklidbatterie. 4,5kg Plutoniumoxid erzeugen 2kW thermische Leistung, aus der 0,12kW elektrische Leistung gewonnen werden. Die Batterie hat die Form eines Zylinders mit einen Durchmesser und Höhe von etwa 65cm. Sie wiegt ca. 45kg.

Radioisotopen-Heizelemente

In der Raumfahrt dienen Heizelemente (RHU) dazu, durch die Beheizung von Raumsonden den Betrieb ihrer elektronischen 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.^[11]

Sicherheit von Radionuklidbatterien

Die Radionuklide in einer Isotopenbatterie zerfallen nach den für das jeweilige Nuklid spezifischen Halbwertszeiten und nicht durch neutroneninduzierte Kernspaltung. Dabei ist das Radionuklid im RTG so angeordnet oder so wenig davon vorhanden, dass auch bei Isotopen von Transuranen die Kritische Masse nicht erreicht oder überschritten wird, so dass die Auslösung einer Kettenreaktion durch Neutronen aus spontanen Spaltungen ausgeschlossen ist.

Bei beschädigter Abschirmung, Zerstörung oder Defekten können die Nuklide 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 Radionuklide könnten in „schmutzigen Bomben“ eingesetzt werden, bei denen radioaktives Material verstreut wird, um Kontamination herbeizuführen.

Raumfahrt

Das Gehäuse der Radioisotopengeneratoren für Raumsonden und Satelliten ist so konstruiert, dass sie eine Explosion der Trägerrakete oder einen unkontrollierten Wiedereintritt überstehen, ohne dass eine Freisetzung der Radioisotope in die Atmosphäre stattfindet. Eine Entwendung der Isotope nach dem Start ist ausgeschlossen.

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.

Terrestrische Anwendungen in der ehemaligen UdSSR

Wegen der insgesamt großen Menge von radioaktivem Material wird auch die Anwendung in den Nachfolgestaaten der UdSSR als problematisch gesehen. Dort wurden von 1960 bis ca. 1980 etwa 1500 Radioisotopengeneratoren hergestellt. Sie wurden für Verwendungszwecke wie die Stromversorgung abseits gelegener Leuchttürme oder militärischer Funkstationen konstruiert, wobei wegen des hohen Leistungsbedarfs dieser Anwendungen und des geringen Wirkungsgrades der Stromerzeugung große Mengen (bis zu über 100 kg) radioaktiven Materials, meist ⁹⁰Strontium, eingesetzt wurden^[12].

Alle dieser Geräte haben mittlerweile ihre Lebensdauer überschritten. Aufgrund der schleppenden Demontage und Entsorgung durch die zuständigen Behörden sowie der meist unzureichenden Sicherung dieser Anlagen kam es mindestens bis 2006 zu Freisetzungen strahlenden Materials durch Korrosion und insbesondere durch Metall-Diebstähle^[13].

Auch aus Georgien wurde berichtet, dass Holzfäller in Wäldern die liegengelassenen Bestandteile der Isotopenbatterien ehemaliger mobiler militärischer Funkanlagen fanden.^[14]

Nach Zahlen des US-Energieministeriums verbleiben Ende 2007 noch immer über 850 zu entsorgende Radioisotopengeneratoren in Russland^[15]

Quellen

1. ↑ Wikipedia: Alkali-metal thermal to electric converter
2. ↑ http://saturn.jpl.nasa.gov/spacecraft/safety/eisss2.pdf Section 4
3. ↑ http://de.wikipedia.org/wiki/Halbwertszeit#Radioaktive_Halbwertszeit
4. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Caesium-137
5. ↑ http://87.139.25.178:81/ger/theory.htm
6. ↑ en:Radioisotope_thermoelectric_generator#Fuels
7. ↑ Nuklide für RTGs (PDF) letzte Seite
8. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator#Use
9. ↑ http://www.bellona.org/english_import_area/international/russia/navy/northern_fleet/incidents/31772
10. ↑ Herzschrittmacher mit Plutonium (engl.)
11. ↑ Radioisotope Heater Units
12. ↑ http://www.bellona.no/bellona.org/english_import_area/international/russia/navy/northern_fleet/incidents/37598
13. ↑ Chernobyl-like slovenliness today: RTGs are being vandalized near Norilsk (2006)
14. ↑ IAEA Bulletin Volume 48, No.1 - Remote Control: Decommissioning RTGs (engl.)
15. ↑ http://www.iaea.org/OurWork/ST/NE/NEFW/CEG/documents/ws052007_15E.pdf

Weblinks

• Artikel über Probleme mit terrestrisch genutzten RIGs in der Russischen Föderation (engl.)
• RTG-FAQ der NASA zur Cassini-Mission (dt.)
• Die Radioisotopenelemente an Bord von Cassini und Kernreaktoren in Satelliten. (deutsch)
• Caltech-JPL Thermoelectrics Website (english)
• NASA Risiko Studien zum Cassini-Huygens Start
• elektrische Antriebe in der Raumfahrt
• Strahlenschutzüberlegungen hinsichtlich des Absturzes von nuklearbetriebenen Satelliten. Stellungnahme der Strahlenschutzkommission. Bonn 6. Dezember 1989
• Antwort der Bundesregierung auf eine Kleine Anfrage zur Atomenergienutzung in der Raumfahrt, 27.01.1997
• Principles Relevant to the Use of Nuclear Power Sources In Outer Space. Resolution der UN-Vollversammlung vom 14. Dezember 1992
• Nuclear Reactors for Space