Generador termoeléctrico de radioisótopos

Un pellet de ²³⁸PuO₂ para ser utilizado en una RTG, tanto para la misión Cassini y la Galileo. La producción inicial es de 62 vatios. El pellet se vuelve incandescente hasta el rojo caliente por el calor generado por la desintegración radiactiva (principalmente α). Esta foto fue tomada después de aislar el pellet bajo una manta de grafito durante varios minutos y luego retirar la manta.

En la misma carta breve en la que introdujo el satélite de comunicaciones, Arthur C. Clarke sugirió que, con respecto a la nave «el período de operación podría prolongarse indefinidamente mediante el uso de termopares».[1][2]

Un RTG fue desarrollado en EE. UU. a finales de la década 1950 por el Mound Laboratories en Miamisburg, Ohio, bajo contrato con la United States Atomic Energy Commission. El proyecto fue dirigido por Bertram C. Blanke.[3]

El primer RTG lanzado al espacio por los Estados Unidos fue el Sistema nuclear de potencia auxiliar SNAP 3 a bordo del satélite de la Marina Transit 4A en 1961. Uno de los primeros usos terrestres de los RTG fue en 1966 por la US Navy en la isla deshabitada roca Fairway, en Alaska para generar la energía de un sistema de vigilancia medioambiental. Los RTG se utilizaron en ese lugar hasta 1995.

El diseño de un RTG es simple desde el punto de vista de la ingeniería nuclear: el componente principal es un robusto contenedor de combustible nuclear. Los termopares se colocan en la parte exterior del contenedor, con el contacto externo del mismo situado junto a un disipador. La desintegración del combustible nuclear genera calor que se desplaza hacia el exterior del contenedor, pasa junto a los termopares y se disipa en los disipadores. Un termopar es un dispositivo termoeléctrico que convierte calor en electricidad de forma directa, usando el efecto Seebeck. Está construido con dos metales (o semiconductores) diferentes unidos entre sí, y que son conductores eléctricos. Ambos metales están conectados en un bucle cerrado mediante dos uniones, si ambas uniones se encuentran a temperaturas diferentes, se produce una diferencia de potencial entre ambas que genera una corriente eléctrica.

Inspeccionando los niveles de radiación de los RTG de la Cassini-Huygens

Los combustibles usados en los RTG deben tener determinadas características:

• Su periodo de semidesintegración debe ser suficientemente largo como para generar calor de forma continua durante un periodo razonable de tiempo; a su vez, dicho periodo de semidesintegración debe ser lo suficientemente corto como para generar una cantidad de calor utilizable en la práctica. Dichos periodos suelen ser de varias decenas de años, aunque se utilizan isótopos de vidas medias más cortas para aplicaciones especializadas.
• En su uso espacial, el combustible debe producir una gran cantidad de calor respecto a su masa y volumen (alta densidad energética). En su uso terrestre dichos parámetros no son importantes.
• Debería producir radiación de alta energía y de baja penetración, preferentemente radiación alfa. La radiación beta puede producir grandes cantidades de rayos X y rayos gamma, mediante la producción de radiación secundaria, lo que requiere un fuerte blindaje del dispositivo. La serie de desintegración de dichos isótopos no deberían producir grandes cantidades de radiación gamma, neutrones o radiación penetrante en general.

New Horizons en la sala de ensamblaje.

Los dos primeros criterios limitan el número de combustibles posibles a menos de 30. Los más adecuados son:

• el ²³⁸Pu,
• el ²⁴⁴Cm y
• el ⁹⁰Sr

Existen otros como:

• el ²¹⁰Po,
• el ¹⁴⁷Pm,
• el ¹³⁷Cs,
• el ¹⁴⁴Ce,
• el ¹⁰⁶Ru y
• el ²⁴²Cm.

El plutonio-238 es el que necesita menores blindajes y el que tiene mayor periodo de semidesintegración (es decir, mayor periodo de generación de calor). Solo tres isótopos cumplen un tercer criterio: el de necesitar menos de 25 mm de blindaje de plomo. El mejor en este aspecto, el plutonio-238, requiere únicamente 2,5 mm de plomo, siendo en ocasiones el mismo material del contenedor suficiente.

El plutonio-238, en forma de óxido de plutonio (IV), es el más usado en los RTG de las sondas espaciales. Tiene un semiperiodo de 87,7 años, una densidad energética razonable y una tasa de emisión de radiación gamma y neutrónica extremadamente baja. Muchos RTG de uso terrestre utilizan estroncio-90 (Usados por ejemplo en faros de regiones remotas cercanas al polo norte), que aunque tiene una semivida menor, una densidad energética mucho más baja y emite radiación de frenado o bremsstrahlung, es más barato.

Algunos RTG fabricados en 1958 por la Comisión para la Energía Nuclear estadounidense (la NRC) utilizaron polonio-210, isótopo que tiene una excepcional densidad energética pero emite cantidades apreciables de radiación gamma. Un kilogramo de polonio-210 puro en forma cúbica tendría una arista de 48 mm y emitiría 63,5 kW de potencia (140 W/g), calor suficiente para vaporizar dicho material. También se estudiaron los isótopos curio-242 y curio-244 pero requieren un blindaje pesado para evitar que se filtren las radiaciones gamma y neutrónicas que provienen de reacciones de fisión espontánea.

El americio-241 también podría ser empleado como combustible, con una semivida mayor que el plutonio-238: 432 años. Un RTG construido con este combustible podría producir energía eléctrica durante siglos. Sin embargo, la densidad energética del americio-241 es aproximadamente la cuarta parte de la del plutonio-238, y emite radiación gamma procedente de los productos de desintegración, aunque un blindaje de solo 18 mm sería suficiente para apantallar dicha radiación. Es el segundo isótopo con menor necesidad de apantallamiento tras el plutonio-238.

La mayoría de RTG usan plutonio-238, el cual tiene un periodo de semidesintegración de 87,7 años. Así, los RTG que usen este combustible perderán ${\textstyle 1-0.5^{1/87.7}}$ , es decir, un 0,787 % de su potencia anualmente. Un RTG de este tipo tendrá el ${\displaystyle 0.5^{23/87.7}}$, es decir, un 83,4 % de su potencia inicial al cabo de 23 años. Así, con una potencia inicial de 470 W, tras 23 años su salida se habrá reducido hasta ${\textstyle 0.834\times 470W=392W}$. Sin embargo, los termopares bimetálicos también pierden rendimiento con el tiempo. A principios de 2001, los RTG de las Voyager habían reducido su potencia hasta los 315 W en el caso de la Voyager 1 y los 319 W en el caso de la Voyager 2; los termopares estaban trabajando al 80 % de su capacidad inicial.

La vida útil fue un aspecto importante de la misión Galileo: en principio iba a ser lanzada en 1986, pero el accidente del Challenger pospuso su lanzamiento hasta 1989, así que los RTG habían perdido parte de su potencia inicial, con lo que hubo que reconsiderar la potencia disponible durante la misión.

Los RTG usan termopares para convertir el calor liberado por el material radiactivo en electricidad. Los termopares, aunque son fiables y duran mucho tiempo, son poco eficientes. El rendimiento medio está entre el 3 y el 7 %, siendo el máximo alcanzado del 10 %. Sin embargo, se han estudiado alternativas para generar energía eléctrica a partir del calor generado. Un mayor aprovechamiento facilitaría el tener que usar menor cantidad de combustible nuclear, con lo que podría reducirse el tamaño de estos dispositivos para abaratar las misiones.

Los dispositivos de conversión energética basados en el principio de la emisión termoiónica pueden tener rendimientos como máximo del 10-20 %, pero requieren temperaturas mayores que las alcanzadas en los RTG estándar. Algún prototipo de RTG termoiónico ha usado polonio-210, y otros isótopos extremadamente radiactivos podrían servir, pero estos isótopos tienen periodos de semidesintegración muy cortos y son inviables. Algunos reactores nucleares espaciales han usado convertidores termoiónicos^{[cita requerida]}, pero estos reactores son demasiado pesados para ser usados en la mayoría de misiones.

Las células termofotovoltaicas se rigen por los mismos principios que las células fotovoltaicas, con la diferencia de que pueden convertir luz infrarroja en energía eléctrica. Su rendimiento es algo mayor que el de los termopares y pueden ser situadas al lado de los termopares, doblando así el rendimiento total. Se han hecho pruebas con calentadores eléctricos, arrojando rendimientos del 20 %, pero no se han probado sistemas con radioisótopos reales. Algunos diseños teóricos de células termofotovoltaicas arrojan rendimientos de hasta el 30 %, pero aún no han sido probadas en la práctica. Las células termofotovoltaicas de silicio y los termopares de silicio se degradan más rápido que los termopares metálicos, especialmente en presencia de radiación ionizante. Se necesita investigar más en esta área.

Existen además generadores dinámicos, que a diferencia de los termopares, constan de partes móviles que pueden averiarse y requieren mantenimiento, por lo que no podrían ser empleadas en misiones espaciales. Además producen vibraciones y ruido en radiofrecuencia. A pesar de todo, la NASA ha trabajado en un RTG avanzado que usa un motor Stirling sin pistones para producir energía eléctrica.[4] Estos prototipos han mostrado eficiencias de hasta el 23 %, y se podrían alcanzar eficiencias mayores aumentando la diferencia de temperatura entre los focos. El uso de partes móviles magnéticas que no se toquen y que no se desgasten, como los rodamientos de flexión, y un entorno hermético sin lubricantes, ha demostrado, en unidades de prueba, una elevada durabilidad y la ausencia de desgaste tras años de uso continuado. Los resultados experimentales han mostrado que un generador Stirling de radioisótopos podría funcionar durante décadas sin mantenimiento. La vibración podría reducirse aplicando sistemas de contrapistón para contrarrestar el movimiento. La aplicación más probable de este diseño es su uso en los futuros Rovers marcianos, donde la vibración no es preocupante.

"*":El SRG no es un RTG, es en realidad un Motor Stirling.

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