Generador termoeléctrico de radioisótopos

Un generador termoeléctrico de radioisótopos ( RTG , RITEG ), a veces denominado sistema de energía de radioisótopos (RPS), es un tipo de batería nuclear que utiliza una serie de termopares para convertir el calor liberado por la desintegración de un material radiactivo adecuado en electricidad mediante el efecto Seebeck . Este tipo de generador no tiene partes móviles y es ideal para su implementación en entornos remotos y hostiles durante períodos prolongados sin riesgo de desgaste o mal funcionamiento de las piezas.

Los RTG suelen ser la fuente de energía más conveniente para situaciones sin mantenimiento que necesitan unos pocos cientos de vatios (o menos) de energía durante períodos demasiado largos para que las celdas de combustible , las baterías o los generadores los proporcionen de manera económica, y en lugares donde las celdas solares no son prácticas. Los RTG se han utilizado como fuentes de energía en satélites , sondas espaciales e instalaciones remotas no tripuladas, como una serie de faros construidos por la Unión Soviética dentro del Círculo Polar Ártico .

El uso seguro de los RTG requiere la contención de los radioisótopos mucho después de la vida útil de la unidad. El costo de los RTG tiende a limitar su uso a aplicaciones específicas en situaciones raras o especiales.

El RTG fue inventado en 1954 por los científicos de Mound Laboratories Kenneth (Ken) C. Jordan (1921-2008) y John Birden (1918-2011). ^{[1] [2]} Fueron incluidos en el Salón Nacional de la Fama de los Inventores en 2013. ^{[3] [4]} Jordan y Birden trabajaron en un contrato del Cuerpo de Señales del Ejército (R-65-8-998 11-SC-03-91) a partir del 1 de enero de 1957, para realizar investigaciones sobre materiales radiactivos y termopares adecuados para la conversión directa de calor en energía eléctrica utilizando polonio-210 como fuente de calor. Los RTG fueron desarrollados en los EE. UU. a fines de la década de 1950 por Mound Laboratories en Miamisburg, Ohio , bajo contrato con la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos . El proyecto fue dirigido por el Dr. Bertram C. Blanke. ^[5]

El primer RTG lanzado al espacio por los Estados Unidos fue el SNAP 3B en 1961, propulsado por 96 gramos de plutonio-238 metálico, a bordo de la nave espacial Transit 4A de la Armada . Uno de los primeros usos terrestres de los RTG fue en 1966 por la Armada de los Estados Unidos en el deshabitado Fairway Rock en Alaska. Los RTG se utilizaron en ese sitio hasta 1995.

Una aplicación común de RTG es el suministro de energía a naves espaciales. Varias generaciones de diseño de RTG se han utilizado para sondas que viajaron lejos del Sol, lo que hizo que los paneles solares fueran poco prácticos. Como tal, se han utilizado para Pioneer 10 y 11 ; Voyager 1 y 2 ; Galileo ; Ulysses ; Cassini ; New Horizons ; y están planeados para la misión Dragonfly a Titán . Los RTG también se utilizaron en lugar de paneles solares para alimentar los dos módulos de aterrizaje Viking y para los experimentos científicos que dejaron en la Luna las tripulaciones del Apolo 12 al 17 (SNAP 27). Debido a que el aterrizaje en la Luna del Apolo 13 fue abortado, su RTG descansa en el Océano Pacífico Sur , en las proximidades de la Fosa de Tonga . ^[6] Los diseños de los rovers Curiosity y Perseverance de Marte seleccionaron RTG para permitir una mayor flexibilidad en los sitios de aterrizaje y una vida útil más larga que la opción de energía solar, ^{[7] [8]} como se usó en generaciones anteriores de rovers . Los RTG también se utilizaron para los satélites Nimbus , Transit y LES . En comparación, sólo unos pocos vehículos espaciales han sido lanzados utilizando reactores nucleares completos : la serie soviética RORSAT y el estadounidense SNAP-10A .

Además de las naves espaciales, la Unión Soviética construyó 1.007 RTG ^[9] para alimentar faros no tripulados y balizas de navegación en la costa ártica soviética a finales de la década de 1980. ^{[9] [10]} Se construyeron muchos tipos diferentes de RTG (incluido el tipo Beta-M ) en la Unión Soviética para una amplia variedad de propósitos. Los faros no recibieron mantenimiento durante muchos años después de la disolución de la Unión Soviética en 1991. Algunas de las unidades RTG desaparecieron durante este tiempo, ya sea por saqueo o por las fuerzas naturales del hielo/tormenta/mar. ^{[9] En 1996, partidarios} rusos e internacionales comenzaron un proyecto para desmantelar los RTG en los faros, y para 2021, todos los RTG habían sido retirados. ^[9]

A partir de 1992, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos también utilizó RTG para alimentar equipos ubicados remotamente en el Ártico, y el gobierno de los EE. UU. ha utilizado cientos de estas unidades para alimentar estaciones remotas en todo el mundo. Las estaciones de detección para los sistemas de radar Top-ROCC y SEEK IGLOO, ubicadas predominantemente en Alaska , utilizan RTG. Las unidades utilizan estroncio-90 , y se ha desplegado un mayor número de estas unidades tanto en tierra como en el fondo del océano que las que se han utilizado en naves espaciales, con documentos regulatorios públicos que sugieren que los EE. UU. habían desplegado al menos 100-150 durante los años 1970 y 1980. ^{[11] [ necesita actualización ]}

En el pasado, se utilizaban pequeñas "células de plutonio" (RTG muy pequeñas alimentadas por ^{238 Pu) en} marcapasos cardíacos implantados para garantizar una "vida útil de la batería" muy prolongada. ^[12] En 2004 ^[actualizar], todavía se utilizaban unas noventa. A finales de 2007, se informó de que el número se había reducido a sólo nueve. ^[13] El programa de marcapasos cardíacos del Laboratorio Mound comenzó el 1 de junio de 1966, en colaboración con NUMEC. ^[14] Cuando se reconoció que la fuente de calor no permanecería intacta durante la cremación, el programa se canceló en 1972 porque no había forma de garantizar por completo que las unidades no fueran incineradas con los cuerpos de sus usuarios.

El diseño de un RTG es simple para los estándares de la tecnología nuclear : el componente principal es un contenedor resistente de un material radiactivo (el combustible). Los termopares se colocan en las paredes del contenedor, con el extremo exterior de cada termopar conectado a un disipador de calor . La desintegración radiactiva del combustible produce calor. Es la diferencia de temperatura entre el combustible y el disipador de calor lo que permite que los termopares generen electricidad.

Un termopar es un dispositivo termoeléctrico que puede convertir la energía térmica directamente en energía eléctrica mediante el efecto Seebeck . Está hecho de dos tipos de metal o material semiconductor. Si se conectan entre sí en un bucle cerrado y las dos uniones están a diferentes temperaturas , fluirá una corriente eléctrica en el bucle. Normalmente se conectan en serie una gran cantidad de termopares para generar un voltaje más alto.

Los reactores de fisión y los RTG utilizan reacciones nucleares muy diferentes. Los reactores de energía nuclear (incluidos los miniaturizados utilizados en el espacio) realizan una fisión nuclear controlada en una reacción en cadena . La velocidad de la reacción se puede controlar con barras de control que absorben neutrones , por lo que la energía se puede variar según la demanda o apagar (casi) por completo para realizar tareas de mantenimiento. Sin embargo, se debe tener cuidado para evitar el funcionamiento descontrolado a niveles de potencia peligrosamente altos, o incluso la explosión o fusión nuclear . Las reacciones en cadena no ocurren en los RTG. El calor se produce a través de la desintegración radiactiva espontánea a una velocidad no ajustable y decreciente constante que depende solo de la cantidad de isótopo de combustible y su vida media. En un RTG, la generación de calor no se puede variar según la demanda ni apagarse cuando no se necesita y no es posible ahorrar más energía para más adelante reduciendo el consumo de energía. Por lo tanto, es posible que se necesiten fuentes de alimentación auxiliares (como baterías recargables) para satisfacer la demanda máxima, y ​​se debe proporcionar una refrigeración adecuada en todo momento, incluidas las fases previas al lanzamiento y las primeras fases de vuelo de una misión espacial. Si bien fallas espectaculares como una fusión o explosión nuclear son imposibles con un RTG, aún existe un riesgo de contaminación radiactiva si el cohete explota, el dispositivo vuelve a ingresar a la atmósfera y se desintegra, los RTG terrestres son dañados por tormentas o hielo estacional, o son vandalizados.

Debido a la escasez de plutonio-238, se ha propuesto un nuevo tipo de RTG asistido por reacciones subcríticas. ^[15] En este tipo de RTG, la desintegración alfa del radioisótopo también se utiliza en reacciones de neutrones alfa con un elemento adecuado como el berilio . De esta manera se produce una fuente de neutrones de larga duración . Debido a que el sistema está trabajando con una criticidad cercana pero menor que 1, es decir, K _eff < 1, se logra una multiplicación subcrítica que aumenta el fondo de neutrones y produce energía a partir de reacciones de fisión. Aunque el número de fisiones producidas en el RTG es muy pequeño (lo que hace que su radiación gamma sea insignificante), debido a que cada reacción de fisión libera más de 30 veces más energía que cada desintegración alfa (200  MeV en comparación con 6 MeV), se puede alcanzar una ganancia de energía de hasta el 10%, lo que se traduce en una reducción del ²³⁸ Pu necesario por misión. La idea fue propuesta a la NASA en 2012 para la competencia anual NSPIRE de la NASA, que se trasladó al Laboratorio Nacional de Idaho en el Centro de Investigación Nuclear Espacial (CSNR) en 2013 para estudios de viabilidad. ^{[16] [ verificación fallida ]} Sin embargo, los elementos esenciales no se han modificado.

Se han propuesto RTG para su uso en misiones precursoras interestelares realistas y sondas interestelares . ^[17] Un ejemplo de esto es la propuesta Innovative Interstellar Explorer (2003-actualidad) de la NASA. ^[18] En 2002 se propuso un RTG que utiliza ^{241 Am para este tipo de misión. [17]} Esto podría soportar extensiones de misión de hasta 1000 años en la sonda interestelar, porque la salida de energía disminuiría más lentamente a largo plazo que el plutonio. ^[17] También se examinaron otros isótopos para RTG en el estudio, observando características como vatio/gramo, vida media y productos de desintegración. ^[17] Una propuesta de sonda interestelar de 1999 sugirió utilizar tres fuentes de energía de radioisótopos avanzados (ARPS). ^[19] La electricidad del RTG se puede utilizar para alimentar instrumentos científicos y la comunicación con la Tierra en las sondas. ^[17] Una misión propuso utilizar la electricidad para alimentar motores de iones , llamando a este método propulsión eléctrica por radioisótopos (REP). ^[17]

Se ha propuesto una mejora de potencia para fuentes de calor de radioisótopos basada en un campo electrostático autoinducido. ^[20] Según los autores, se podrían lograr mejoras de entre el 5 y el 10 % utilizando fuentes beta.

Un RTG típico funciona mediante desintegración radiactiva y genera electricidad a partir de una conversión termoeléctrica, pero, para fines de conocimiento, se incluyen aquí algunos sistemas con algunas variaciones de ese concepto.

Naves espaciales y sistemas de energía nuclear conocidos y su destino. Los sistemas enfrentan una variedad de destinos; por ejemplo, el SNAP-27 de Apollo quedó abandonado en la Luna. ^[21] Algunas otras naves espaciales también tienen pequeños calentadores de radioisótopos; por ejemplo, cada uno de los rovers de exploración de Marte tiene un calentador de radioisótopos de 1 vatio. Las naves espaciales utilizan diferentes cantidades de material; por ejemplo, el MSL Curiosity tiene 4,8 kg de dióxido de plutonio-238 . ^[22]

** El reactor BES-5 Buk (БЭС-5) no era realmente un RTG; era un reactor rápido que utilizaba termopares basados ​​en semiconductores para convertir el calor directamente en electricidad ^{[27] [28]}

*** no es realmente un RTG, el SNAP-10A usaba combustible de uranio enriquecido, hidruro de circonio como moderador, refrigerante de aleación de sodio y potasio líquido, y se activaba o desactivaba con reflectores de berilio ^[26] . El calor del reactor alimentaba un sistema de conversión termoeléctrica para la producción eléctrica. ^[26]

**** no es realmente un RTG, el ASRG utiliza un dispositivo de energía Stirling que funciona con radioisótopos (ver generador de radioisótopos Stirling )

El material radiactivo utilizado en los RTG debe tener varias características: ^[34]

1. Su vida media debe ser lo suficientemente larga como para que libere energía a una tasa relativamente constante durante un período de tiempo razonable. La cantidad de energía liberada por tiempo ( potencia ) de una cantidad dada es inversamente proporcional a la vida media. Un isótopo con el doble de vida media y la misma energía por desintegración liberará energía a la mitad de la tasa por mol . Por lo tanto, las vidas medias típicas de los radioisótopos utilizados en RTG son de varias décadas, aunque los isótopos con vidas medias más cortas podrían usarse para aplicaciones especializadas.
2. Para su uso en vuelos espaciales, el combustible debe producir una gran cantidad de energía por masa y volumen ( densidad ). La densidad y el peso no son tan importantes para el uso terrestre, a menos que haya restricciones de tamaño. La energía de desintegración se puede calcular si se conoce la energía de la radiación radiactiva o la pérdida de masa antes y después de la desintegración radiactiva. La liberación de energía por desintegración es proporcional a la producción de energía por mol .
3. La radiación debe ser de un tipo que se absorba y transforme fácilmente en radiación térmica, preferiblemente radiación alfa . La radiación beta puede emitir una cantidad considerable de radiación gamma / rayos X a través de la producción de radiación secundaria por bremsstrahlung y, por lo tanto, requiere un blindaje fuerte. Los isótopos no deben producir cantidades significativas de radiación gamma, radiación neutrónica o radiación penetrante en general a través de otros modos de desintegración o productos de la cadena de desintegración . ^[5]

Los dos primeros criterios limitan el número de combustibles posibles a menos de treinta isótopos atómicos ^[34] dentro de toda la tabla de nucleidos .

El plutonio-238 , el curio-244 , el estroncio-90 y, más recientemente, el americio-241 son los isótopos candidatos citados con más frecuencia, pero al principio, en la década de 1950, se consideraron 43 isótopos más de aproximadamente 1300. ^[5]

La tabla que se muestra a continuación no indica necesariamente las densidades de potencia del material puro, sino de una forma químicamente inerte . En el caso de los actínidos, esto no es de gran importancia, ya que sus óxidos suelen ser bastante inertes (y pueden transformarse en cerámicas, lo que aumenta aún más su estabilidad), pero en el caso de los metales alcalinos y los metales alcalinotérreos, como el cesio o el estroncio, respectivamente, se deben utilizar compuestos químicos relativamente complejos (y pesados). Por ejemplo, el estroncio se utiliza habitualmente como titanato de estroncio en los RTG, lo que aumenta la masa molar en un factor de aproximadamente 2. Además, dependiendo de la fuente, es posible que no se pueda obtener la pureza isotópica. El plutonio extraído del combustible nuclear gastado tiene una baja proporción de Pu-238, por lo que el plutonio-238 para su uso en RTG suele fabricarse específicamente mediante la irradiación neutrónica del neptunio-237 , lo que aumenta aún más los costes. El cesio en los productos de fisión está compuesto casi a partes iguales de Cs-135 y Cs-137, más cantidades significativas de Cs-133 estable y, en el combustible gastado "joven", de Cs-134 de vida corta. Si se quiere evitar la separación de isótopos , un proceso costoso y que requiere mucho tiempo, esto también debe tenerse en cuenta. Aunque históricamente los RTG han sido bastante pequeños, en teoría no hay nada que impida que alcancen el rango de potencia _térmica de los megavatios . Sin embargo, para tales aplicaciones, los actínidos son menos adecuados que los radioisótopos más ligeros, ya que la masa crítica es órdenes de magnitud inferior a la masa necesaria para producir tales cantidades de energía. Como el Sr-90, el Cs-137 y otros radionucleidos más ligeros no pueden mantener una reacción nuclear en cadena bajo ninguna circunstancia, se podrían ensamblar RTG de tamaño y potencia arbitrarios a partir de ellos si se puede producir suficiente material. En general, sin embargo, las aplicaciones potenciales para estos RTG de gran escala son más bien el dominio de los reactores modulares pequeños , los microrreactores o las fuentes de energía no nucleares.

El plutonio-238 tiene una vida media de 87,7 años, una densidad de potencia razonable de 0,57 vatios por gramo ^[35] y niveles de radiación gamma y de neutrones excepcionalmente bajos. ^{El 238} Pu tiene los requisitos de blindaje más bajos. Solo tres isótopos candidatos cumplen el último criterio (no todos están enumerados anteriormente) y necesitan menos de 25 mm de blindaje de plomo para bloquear la radiación. ^{El 238} Pu (el mejor de estos tres) necesita menos de 2,5 mm y, en muchos casos, no se necesita blindaje en un RTG ^{de 238} Pu, ya que la carcasa en sí es adecuada. ^{El 238} Pu se ha convertido en el combustible más utilizado para RTG, en forma de óxido de plutonio (IV) (PuO ₂ ). ^[36] Sin embargo, el óxido de plutonio (IV) que contiene una abundancia natural de oxígeno emite neutrones a una velocidad de aproximadamente2,3 × 10 ³  n/seg/g de plutonio-238. Esta tasa de emisión es relativamente alta en comparación con la tasa de emisión de neutrones del metal plutonio-238. El metal que no contiene impurezas de elementos ligeros emite aproximadamente2,8 × 10 ³  n/seg/g de plutonio-238. Estos neutrones se producen por la fisión espontánea del plutonio-238.

La diferencia en las tasas de emisión del metal y el óxido se debe principalmente a la reacción de neutrones alfa con el oxígeno-18 y el oxígeno-17 presentes en el óxido. La cantidad normal de oxígeno-18 presente en la forma natural es 0,204% mientras que la de oxígeno-17 es 0,037%. La reducción del oxígeno-17 y el oxígeno-18 presentes en el dióxido de plutonio dará como resultado una tasa de emisión de neutrones mucho menor para el óxido; esto se puede lograr mediante un método de intercambio de ¹⁶ O _{2 en fase gaseosa. Se utilizaron lotes de producción regulares de partículas de} ²³⁸ PuO ₂ precipitadas como hidróxido para demostrar que grandes lotes de producción podrían intercambiarse de manera efectiva con ¹⁶ O ₂ de manera rutinaria. Las microesferas ^{de 238} PuO _{2 cocidas a alta temperatura se intercambiaron con} ¹⁶ O ₂ con éxito, lo que demuestra que se producirá un intercambio independientemente del historial de tratamiento térmico previo del ²³⁸ PuO ₂ . ^[37] Esta reducción de la tasa de emisión de neutrones del oxígeno normal que contiene PuO ₂ por un factor de cinco se descubrió durante la investigación de marcapasos cardíacos en el Laboratorio Mound en 1966, debido en parte a la experiencia del Laboratorio Mound con la producción de isótopos estables a partir de 1960. Para la producción de grandes fuentes de calor, el blindaje requerido habría sido prohibitivo sin este proceso. ^[38]

A diferencia de los otros tres isótopos analizados en esta sección, ^{el 238} Pu debe sintetizarse específicamente y no es abundante como residuo nuclear. En la actualidad, solo Rusia ha mantenido una producción de alto volumen, mientras que en los EE. UU., no se produjeron más de 50 g (1,8 oz) en total entre 2013 y 2018. ^[39] Las agencias estadounidenses involucradas desean comenzar la producción del material a un ritmo de 300 a 400 gramos (11 a 14 oz) por año. Si se financia este plan, el objetivo sería establecer procesos de automatización y ampliación para producir un promedio de 1,5 kg (3,3 lb) por año para 2025. ^{[40] [39]}

El estroncio-90 ha sido utilizado por la Unión Soviética en RTG terrestres. ^{El 90} Sr se desintegra por emisión β, con una emisión γ menor. Si bien su vida media de 28,8 años es mucho más corta que la del ²³⁸ Pu, también tiene una energía de desintegración menor con una densidad de potencia de 0,46 vatios por gramo. ^[41] Debido a que la producción de energía es menor, alcanza temperaturas más bajas que ^{el 238} Pu, lo que resulta en una menor eficiencia de RTG. ^{[ cita requerida ] El 90} Sr tiene un alto rendimiento de productos de fisión en la fisión de ambos²³⁵
U y²³⁹
Por lo tanto, el Pu está disponible en grandes cantidades a un precio relativamente bajo si se extrae del combustible nuclear gastado . ^[41]90
El Sr es un metal alcalinotérreo muy reactivo y un llamado "buscador de huesos" que se acumula en el tejido óseo debido a su similitud química con el calcio (una vez en los huesos puede dañar significativamente la médula ósea , un tejido que se divide rápidamente), por lo general no se utiliza en forma pura en RTG. La forma más común es el titanato de estroncio perovskita (SrTiO ₃ ), que es químicamente casi inerte y tiene un alto punto de fusión. Si bien su dureza Mohs de 5,5 lo ha hecho inadecuado como simulador de diamante , tiene la dureza suficiente para soportar algunas formas de liberación accidental de su blindaje sin una dispersión demasiado fina de polvo. La desventaja de usar SrTiO ₃ en lugar del metal nativo es que su producción requiere energía. También reduce la densidad de potencia, ya que la parte TiO ₃ del material no produce ningún calor de desintegración. Partiendo del óxido o del metal nativo, una vía para obtener SrTiO ₃ es dejar que se transforme en hidróxido de estroncio en solución acuosa, que absorbe dióxido de carbono del aire para convertirse en carbonato de estroncio menos soluble . La reacción del carbonato de estroncio con dióxido de titanio a alta temperatura produce el titanato de estroncio deseado más dióxido de carbono . Si se desea, el producto de titanato de estroncio se puede transformar en un agregado similar a la cerámica mediante sinterización .

Algunos prototipos de RTG, construidos por primera vez en 1958 por la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos, han utilizado polonio-210 . Este isótopo proporciona una densidad de potencia fenomenal ( el ²¹⁰ Po puro emite 140 W /g) debido a su alta tasa de desintegración , pero tiene un uso limitado debido a su vida media muy corta de 138 días. Una muestra de medio gramo de ²¹⁰ Po alcanza temperaturas de más de 500 °C (900 °F). ^[42] Como ^{el 210} Po es un emisor alfa puro y no emite radiación gamma o de rayos X significativa, los requisitos de protección son tan bajos como los del ²³⁸ Pu. Si bien la corta vida media también reduce el tiempo durante el cual la liberación accidental al medio ambiente es una preocupación, el polonio-210 es extremadamente radiotóxico si se ingiere y puede causar daños significativos incluso en formas químicamente inertes, que pasan a través del tracto digestivo como un "objeto extraño". Una ruta común de producción (ya sea accidental o deliberada) es la irradiación de neutrones de²⁰⁹
Bi , el único isótopo natural del bismuto . Esta producción accidental es la que se cita como argumento contra el uso de eutéctico de plomo-bismuto como refrigerante en reactores de metal líquido. Sin embargo, si existe una demanda suficiente de polonio-210, su extracción podría resultar rentable, de manera similar a cómo se recupera económicamente el tritio del moderador de agua pesada en los reactores CANDU .

El americio-241 es un isótopo candidato con una disponibilidad mucho mayor que ^{el 238} Pu. Aunque ^{el 241} Am tiene una vida media de 432 años, que es aproximadamente cinco veces más larga que la del ²³⁸ Pu y podría hipotéticamente alimentar un dispositivo durante siglos, las misiones con más de 10 años no fueron objeto de la investigación hasta 2019. ^[43] La densidad de potencia del ²⁴¹ Am es solo una cuarta parte de la del ²³⁸ Pu, y ^{el 241} Am produce más radiación penetrante a través de productos de la cadena de desintegración que ^{el 238} Pu y necesita más blindaje. Sus requisitos de blindaje en un RTG son los terceros más bajos: solo ^{el 238} Pu y ^{el 210} Po requieren menos. Con una escasez global actual ^[44] de ²³⁸ Pu, ^{el 241} Am está siendo estudiado como combustible RTG por la ESA ^{[43] [45]} y en 2019, el Laboratorio Nuclear Nacional del Reino Unido anunció la generación de electricidad utilizable. ^[46] Una ventaja sobre ^{el 238} Pu es que se produce como residuo nuclear y es casi isotópicamente puro. Los diseños prototipo de RTG de ²⁴¹ Am esperan 2–2,2 W _e /kg para el diseño de RTG de 5–50 W _e, pero las pruebas prácticas muestran que solo se pueden lograr 1,3–1,9 W _{e .} ^[43] El americio-241 se utiliza actualmente en pequeñas cantidades en detectores de humo domésticos y, por lo tanto, su manejo y propiedades están bien establecidas. Sin embargo, se desintegra en neptunio-237 , el más móvil químicamente entre los actínidos.

El curio-250 es el isótopo con el número atómico más bajo que se desintegra principalmente por fisión espontánea, un proceso que libera muchas veces más energía que la desintegración alfa. En comparación con el plutonio-238, el curio-250 proporciona aproximadamente una cuarta parte de la densidad de potencia, pero 95 veces la vida media (~8300 años frente a ~87 años). Como es un emisor de neutrones (más débil que el californio-252, pero no del todo despreciable), algunas aplicaciones requieren un blindaje adicional contra la radiación de neutrones . Como el plomo, que es un excelente material de blindaje contra los rayos gamma y la radiación de frenado inducida por rayos beta , no es un buen escudo de neutrones (en cambio, refleja la mayoría de ellos), se tendría que añadir un material de blindaje diferente en aplicaciones donde los neutrones son una preocupación.

La mayoría de los RTG utilizan ²³⁸ Pu, que se desintegra con una vida media de 87,7 años. Por lo tanto, los RTG que utilizan este material perderán potencia de salida en un factor de 1 – (1/2) ^1/87,7 , es decir, 0,787 % por año.

Un ejemplo es el MHW-RTG utilizado por las sondas Voyager . En el año 2000, 23 años después de su producción, el material radiactivo en el interior del RTG había disminuido en potencia en un 16,6%, es decir, proporcionando el 83,4% de su salida inicial; comenzando con una capacidad de 470 W, después de este tiempo tendría una capacidad de solo 392 W. Una pérdida de potencia relacionada con los RTG de la Voyager son las propiedades degradantes de los termopares bimetálicos utilizados para convertir la energía térmica en energía eléctrica ; los RTG estaban funcionando a aproximadamente el 67% de su capacidad original total en lugar del 83,4% esperado. A principios de 2001, la potencia generada por los RTG de la Voyager había disminuido a 315 W para la Voyager 1 y a 319 W para la Voyager 2. [ ^47] Para 2022, estas cifras habían caído a alrededor de 220 W. ^[48]

La NASA ha desarrollado un generador termoeléctrico de radioisótopos multimisión (MMRTG) en el que los termopares estarían hechos de skutterudite , un arseniuro de cobalto (CoAs ₃ ), que puede funcionar con una diferencia de temperatura menor que los diseños actuales basados ​​en telurio . Esto significaría que un RTG similar en todo lo demás generaría un 25% más de energía al comienzo de una misión y al menos un 50% más después de diecisiete años. La NASA espera utilizar el diseño en la próxima misión New Frontiers . ^[49]

Los materiales radiactivos contenidos en los RTG son peligrosos e incluso pueden utilizarse con fines maliciosos. No son útiles para un arma nuclear genuina , pero aún pueden servir en una " bomba sucia ". La Unión Soviética construyó muchos faros no tripulados y balizas de navegación alimentados por RTG que utilizan estroncio-90 ( ⁹⁰ Sr). Son muy confiables y proporcionan una fuente constante de energía. La mayoría no tiene protección, ni siquiera vallas o señales de advertencia, y las ubicaciones de algunas de estas instalaciones ya no se conocen debido a un mal mantenimiento de registros. En un caso, los compartimentos radiactivos fueron abiertos por un ladrón. ^[10] En otro caso , tres leñadores en la región de Tsalendzhikha, Georgia , encontraron dos fuentes huérfanas de cerámica RTG a las que se les había quitado su blindaje; dos de los leñadores fueron hospitalizados más tarde con quemaduras graves por radiación después de llevar las fuentes sobre sus espaldas. Las unidades finalmente fueron recuperadas y aisladas. ^[50] En Rusia hay aproximadamente 1.000 RTG de este tipo, todos los cuales han superado hace mucho tiempo su vida operativa diseñada de diez años. La mayoría de estos RTG probablemente ya no funcionen y tal vez sea necesario desmantelarlos. Algunos de sus revestimientos metálicos han sido desmantelados por cazadores de metales, a pesar del riesgo de contaminación radiactiva. ^[51] La transformación del material radiactivo en una forma inerte reduce el peligro de robo por parte de personas que desconocen el peligro de la radiación (como ocurrió en el accidente de Goiânia en una fuente abandonada de Cs-137 donde el cesio estaba presente en forma de cloruro de cesio fácilmente soluble en agua ). Sin embargo, un actor malintencionado con suficiente habilidad química podría extraer una especie volátil de material inerte y/o lograr un efecto similar de dispersión moliendo físicamente la matriz inerte hasta convertirla en un polvo fino.

Los RTG presentan un riesgo de contaminación radiactiva : si el contenedor que contiene el combustible tiene fugas, el material radiactivo puede contaminar el medio ambiente.

En el caso de las naves espaciales, la principal preocupación es que si se produjera un accidente durante el lanzamiento o un paso posterior de una nave espacial cerca de la Tierra, se podría liberar material dañino a la atmósfera; por lo tanto, su uso en naves espaciales y en otros lugares ha generado controversia. ^{[52] [53]}

Sin embargo, este evento no se considera probable con los diseños actuales de contenedores RTG. Por ejemplo, el estudio de impacto ambiental para la sonda Cassini-Huygens lanzada en 1997 estimó la probabilidad de accidentes de contaminación en varias etapas de la misión. La probabilidad de que ocurriera un accidente que causara una liberación radiactiva de uno o más de sus tres RTG (o de sus 129 unidades de calentamiento de radioisótopos ) durante los primeros 3,5 minutos posteriores al lanzamiento se estimó en 1 en 1.400; las posibilidades de una liberación más tarde en el ascenso a la órbita fueron de 1 en 476; después de eso, la probabilidad de una liberación accidental cayó bruscamente a menos de 1 en un millón. ^[54] Si ocurría un accidente que tenía el potencial de causar contaminación durante las fases de lanzamiento (como que la nave espacial no alcanzara la órbita), la probabilidad de que la contaminación fuera realmente causada por los RTG se estimó en 1 en 10. ^[55] El lanzamiento fue exitoso y Cassini-Huygens llegó a Saturno .

Para minimizar el riesgo de liberación de material radiactivo, el combustible se almacena en unidades modulares individuales con su propio blindaje térmico. Están rodeadas por una capa de metal de iridio y revestidas de bloques de grafito de alta resistencia . Estos dos materiales son resistentes a la corrosión y al calor. Alrededor de los bloques de grafito hay una cubierta aerodinámica, diseñada para proteger todo el conjunto contra el calor que se produce al reingresar a la atmósfera terrestre. El combustible de plutonio también se almacena en una forma cerámica resistente al calor, lo que minimiza el riesgo de vaporización y aerosolización. La cerámica también es altamente insoluble .

El plutonio-238 utilizado en estos RTG tiene una vida media de 87,74 años, en contraste con la vida media de 24.110 años del plutonio-239 utilizado en armas nucleares y reactores . Una consecuencia de la vida media más corta es que el plutonio-238 es aproximadamente 275 veces más radiactivo que el plutonio-239 (es decir, 17,3 curios (640  GBq )/ g en comparación con 0,063 curios (2,3 GBq)/g ^[56] ). Por ejemplo, 3,6  kg de plutonio-238 experimentan el mismo número de desintegraciones radiactivas por segundo que 1 tonelada de plutonio-239. Dado que la morbilidad de los dos isótopos en términos de radiactividad absorbida es casi exactamente la misma, ^[57] el plutonio-238 es aproximadamente 275 veces más tóxico en peso que el plutonio-239.

La radiación alfa emitida por cualquiera de los dos isótopos no penetrará la piel, pero puede irradiar los órganos internos si se inhala o ingiere plutonio. Los que corren especial riesgo son el esqueleto , cuya superficie probablemente absorberá el isótopo, y el hígado , donde el isótopo se acumulará y se concentrará.

Un ejemplo de irradiación relacionada con RTG es el accidente radiológico de Lia en Georgia , en diciembre de 2001. Los núcleos de RTG de estroncio-90 fueron arrojados detrás, sin etiquetar y desmantelados incorrectamente, cerca de la presa de Enguri construida por los soviéticos . Tres aldeanos de la cercana aldea de Lia estuvieron expuestos sin saberlo y resultaron heridos; uno de ellos murió en mayo de 2004 a causa de las heridas sufridas. El Organismo Internacional de Energía Atómica dirigió las operaciones de recuperación y organizó la atención médica. En 2022, todavía no se han encontrado dos núcleos de RTG restantes.

Se han producido varios accidentes conocidos relacionados con naves espaciales impulsadas por RTG:

1. Un fallo de lanzamiento el 21 de abril de 1964 en el que el satélite de navegación estadounidense Transit-5BN-3 no logró alcanzar la órbita y se quemó al reingresar al norte de Madagascar . ^[58] El combustible de plutonio metálico de 17 000 Ci (630 TBq) en su RTG SNAP -9a fue expulsado a la atmósfera sobre el hemisferio sur, donde se quemó, y se detectaron rastros de plutonio-238 en el área unos meses después. Este incidente dio lugar a que el Comité de Seguridad de la NASA exigiera un reingreso intacto en futuros lanzamientos de RTG, lo que a su vez afectó al diseño de los RTG en proceso.
2. El satélite meteorológico Nimbus B-1, cuyo vehículo de lanzamiento fue destruido deliberadamente poco después del lanzamiento el 21 de mayo de 1968 debido a una trayectoria errática. Lanzado desde la Base Aérea Vandenberg , su RTG SNAP-19 que contenía dióxido de plutonio relativamente inerte fue recuperado intacto del lecho marino en el canal de Santa Bárbara cinco meses después y no se detectó contaminación ambiental. ^[59]
3. En 1969, el lanzamiento de la primera misión del explorador lunar Lunokhod fracasó, esparciendo polonio-210 sobre una amplia zona de Rusia. ^[60]
4. El fracaso de la misión Apolo 13 en abril de 1970 significó que el Módulo Lunar reingresó a la atmósfera transportando un RTG y se incendió sobre Fiji . Llevaba un RTG SNAP-27 que contenía 44.500 Ci (1.650 TBq) de dióxido de plutonio en un contenedor de grafito en la pata del módulo de aterrizaje que sobrevivió intacto al reingreso a la atmósfera de la Tierra, como fue diseñado para hacer, la trayectoria fue organizada de modo que se hundiera entre 6 y 9 kilómetros de agua en la fosa de Tonga en el Océano Pacífico . La ausencia de contaminación por plutonio-238 en las muestras atmosféricas y de agua de mar confirmó la suposición de que el contenedor está intacto en el lecho marino. Se espera que el contenedor contenga el combustible durante al menos 10 vidas medias (870 años). El Departamento de Energía de los EE. UU. ha realizado pruebas de agua de mar y determinó que la carcasa de grafito, que fue diseñada para soportar el reingreso, es estable y no debería producirse ninguna liberación de plutonio. Investigaciones posteriores no han encontrado ningún aumento de la radiación natural de fondo en la zona. El accidente del Apolo 13 representa un escenario extremo debido a las altas velocidades de reentrada de la nave que regresaba del espacio cislunar (la región entre la atmósfera de la Tierra y la Luna). Este accidente ha servido para validar el diseño de los RTG de última generación como altamente seguros.
5. El Marte 96 fue lanzado por Rusia en 1996, pero no logró abandonar la órbita terrestre y reingresó a la atmósfera unas horas más tarde. Los dos RTG a bordo llevaban en total 200 g de plutonio y se supone que sobrevivieron a la reentrada, tal como estaban diseñados para hacerlo. Se cree que ahora se encuentran en algún lugar de un óvalo que corre en dirección noreste-suroeste de 320 km de largo por 80 km de ancho, cuyo centro está a 32 km al este de Iquique , Chile . ^[61]

Un RTG, el SNAP-19C , se perdió cerca de la cima de la montaña Nanda Devi en la India en 1965 cuando fue almacenado en una formación rocosa cerca de la cima de la montaña frente a una tormenta de nieve antes de que pudiera ser instalado para alimentar una estación remota automatizada de la CIA que recopilaba telemetría de la instalación de prueba de cohetes china. Las siete cápsulas ^[62] fueron arrastradas montaña abajo sobre un glaciar por una avalancha y nunca se recuperaron. Lo más probable es que se derritieran a través del glaciar y se pulverizaran, con lo que el combustible de aleación ²³⁸ Pu-Zr oxidó las partículas de tierra que se mueven en una columna debajo del glaciar. ^{[63] [ página necesaria ]}

Muchos de los RTG Beta-M producidos por la Unión Soviética para alimentar faros y balizas se han convertido en fuentes huérfanas de radiación. Varias de estas unidades han sido desmanteladas ilegalmente para convertirlas en chatarra (lo que ha provocado la exposición completa de la fuente de Sr-90 ), han caído al océano o tienen un blindaje defectuoso debido a un diseño deficiente o a daños físicos. El programa de reducción cooperativa de amenazas del Departamento de Defensa de los EE. UU. ha expresado su preocupación de que el material de los RTG Beta-M pueda ser utilizado por terroristas para construir una bomba sucia . ^[10] Sin embargo, la perovskita de titanato de estroncio utilizada es resistente a todas las formas probables de degradación ambiental y no puede fundirse ni disolverse en agua. La bioacumulación es poco probable, ya que el SrTiO ₃ pasa por el tracto digestivo de los humanos u otros animales sin cambios, pero el animal o el humano que lo ingiriera seguiría recibiendo una dosis significativa de radiación en el sensible revestimiento intestinal durante el paso. La degradación mecánica de "piedras" u objetos más grandes en polvo fino es más probable y podría dispersar el material sobre un área más amplia, sin embargo esto también reduciría el riesgo de que cualquier evento de exposición individual resulte en una dosis alta.

• Convertidor térmico a eléctrico de metal alcalino  : dispositivo electroquímico para convertir el calor
• Batería atómica  : dispositivos que generan electricidad a partir de la desintegración de radioisótopos
• Betavoltaica  : Tipo de batería nuclear que genera corriente eléctrica.Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Reactor de Kilopower con tecnología Stirling  : proyecto de la NASA destinado a producir un reactor nuclear para el espacioPáginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Batería nuclear optoeléctrica  – Batería eléctrica que utiliza energía nuclear
• Unidad calentadora de radioisótopos  : dispositivo que proporciona calor a través de la desintegración radiactiva.
• Isótopo radiactivo  : Átomo que tiene un exceso de energía nuclear, lo que lo hace inestable.Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Generador de radioisótopos Stirling  : generador de radioisótopos basado en un motor Stirling alimentado por una gran unidad de calentamiento de radioisótoposPáginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Convertidor termoiónico  : dispositivo generador de energía

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• Sitio web de sistemas de energía de radioisótopos de la NASA: página RTG
• Informe de la NASA sobre el JPL, Expandiendo fronteras con sistemas de energía de radioisótopos: brinda información sobre RTG y un enlace a una presentación más extensa
• SpaceViews: El debate sobre el RTG de Cassini
• Generador de radioisótopos Stirling
• Contribuciones del DOE: buenos enlaces
• Laboratorio Nacional de Idaho: productor de RTG
• Página del MMRTG del Laboratorio Nacional de Idaho con un "recorrido virtual" basado en fotografías