Bateria nuclear

Diagrama de la nau espacial del programa Voyager, que utilisa bateries nuclears conegudes com a Generadors Termoelèctrics de Radioisòtops (RTG, per les seues sigles en anglés) com a font d'energia. Estes bateries són essencials per a mantindre les sondes operatives en l'espai profunt, a on la llum solar és insuficient per a alimentar panels solars.

Els térmens bateria atòmica, bateria nuclear, bateria de triti i generador de radioisòtops s'ampren per a descriure un dispositiu que usa les emissions d'un isòtop radiactiu per a generar electricitat. De la mateixa manera que els reactors nuclears, estes bateries generen electricitat a partir de l'energia atòmica, pero es diferencien d'ells en que no usen una reacció en cadena. Comparats en atres bateries resulten molt costosos, pero tenen una vida útil molt llarga i una gran densitat d'energia. Per això s'usen generalment en equips que deuen funcionar sense ser atesos durant llarcs periodos de temps, com satèlits i estacions científiques automàtiques en llocs remots.

La tecnologia de bateries nuclears va escomençar en 1913, quan Henry Moseley va demostrar per primera volta la cèlula Beta, i va rebre una atenció considerable per a aplicacions que requerixen fonts d'energia de llarga duració per a usos aeroespacials durant els anys 1950 i 1960. A lo llarc dels anys s'han desenrollat molts tipos i métodos. Els principis científics són ben coneguts, pero la moderna nanotecnología i els nous semiconductors de banda ampla han creat nous dispositius, aixina com propietats materials interessants que no estaven disponibles anteriorment.

Actualment s'estan desenrollant bateries que usen l'energia de la desintegració dels radioisòtops per a proporcionar energia durant llarcs periodos de temps (10-20 anys). Les tècniques de conversió es poden agrupar en dos tipos: tèrmica i no tèrmica. Els conversores tèrmics (la potència dels quals d'eixida és funció d'una diferència de temperatura) inclouen generadors termoelèctrics i termoiònics. Els conversores no tèrmics (la potència dels quals d'eixida no és una funció d'una diferència de temperatura) extrauen una fracció de l'energia incident quan es transforma en calor en lloc d'utilisar l'energia tèrmica per a moure electrons en un circuit.

Conversores tèrmics

Conversor termoiònic

Un conversor termoiònic consistix en un electrodo calent que emet electrons cap a un electrodo més fret, produint una potència elèctrica útil. S'usa vapor de cesi per a optimisar el funcionament dels electrodos.

Generadors termoelèctrics

Un conversor termoelèctric consistix en una conexió serie de termoparells, que convertixen la calor lliberada per la desintegració d'un material radiactiu en electricitat usant l'efecte Seebeck. Els termoparells metàlics tenen una eficiència baixa en la conversió temperatura-electricitat. No obstant, usant materials semiconductors com el telur de bismut o el silici-germani, es poden conseguir eficiència de conversió molt majors. Alcancen un rendiment de fins a un 10 %.

Cèlules termofotovoltaicas

usen el mateix principi que les cèlules fotovoltaiques, excepto que convertixen la llum infrarroja (i no la llum visible) emesa per una superfície calenta, en electricitat. Les cèlules termofotovoltaiques tenen una eficiència llaugerament superior als parells termoelèctrics i es poden combinar en ells, doblant en teoria l'eficiència. L'Universitat de Houston està desenrollant un programa de tecnologia de conversió d'energia a partir de radioisòtops cridat TPV, l'objectiu dels quals és combinar cèlules termofotovoltaiques en termoparells per a proporcionar una millora d'entre 3 i 4 voltes en l'eficiència sobre els actuals generadors termoelèctrics de radioisòtops.

Conversores termoelèctrics AMTEC (Alkali-Metal Thermal to Electric Converter)

són sistemes electroquímics basats en l'electrolito usat en les bateries de sodi-sulfure, β-alumina. El dispositiu és una cela de concentració de sodi que usa un electrolito sòlit, ceràmic, policristalino de β-alumina (BASE), com separador entre una zona d'alta pressió que conté vapor de sodi a 900 - 1300 K i una zona de baixa pressió que conté un condensador per a sodi líquit a 400 - 700 K. L'eficiència de les celes AMTEC alcança un 16 % en el laboratori i es prediu que poden alcançar un 20 %.

Conversores no tèrmics

Els conversores no tèrmics extrauen una fracció de l'energia nuclear en produir-se calor en la desintegració nuclear. L'eixida no és funció de les diferències de temperatura com en els conversores termoelèctrics i termoiònics. Es poden agrupar en tres classes.

Generadors de càrrega directa

En el primer tipo, els generadors principals consistixen en un condensador que es carrega per la corrent de les partícules carregades d'una capa radiactiva depositada en un dels electrodos. L'espai entre els electrodos pot ser el buit o un dielèctric. Es poden utilisar partícules en càrrega negativa (partícules beta) o positiva (partícules alfa, positrones o fragments de fissió). Encara que esta forma de generador nuclear-elèctric es remonta a 1913, lo alts voltages i molt baixes corrents que proporciona fan que s'hagen desenrollat poques aplicacions en el passat. Actualment s'usen sistemes d'osciladors/transformadors per a reduir el voltage, seguits de rectificadores per a transformar la corrent alterna d'eixida de nou en contínua.

Va ser el físic anglés Henry Moseley qui va construir el primer d'estos generadors. El seu dispositiu consistia en una esfera de cristal, en la seua superfície interior platejada, i un emissor de ràdio montat en l'extrem d'un cable en el centre. Les partícules carregades del radi creaven un fluix d'electricitat en moure's ràpidament del radi a la part interior de la superfície de l'esfera. En un moment tan tardà com 1945, el model de Moseley va servir com a guia per al desenroll d'atres generadors experimentals d'electricitat a partir de les emissions d'elements radiactius.

Betavoltaicos

Estos generadors de corrent elèctrica usen l'energia d'una font radiactiva emissora de partícules beta (electrons). Una font comuna és el triti, un isòtop del hidrogen. A diferència de la majoria de les fonts d'energia nuclears, que usen la radiació nuclear per a generar calor que posteriorment es convertix en electricitat (generadors termoelèctrics i termoiònics), els generadors betavoltaicos usen un procés de conversió no tèrmic.

Els generadors betavoltaicos s'adapten especialment be a les aplicacions de baixa potència en les que es requerix una gran duració de la font d'energia, com en dispositius mèdics implantables i aplicacions aeroespacials.

Optoeléctricos

Investigadors de l'Institut Kurchatov de Moscou han propost una pila nuclear optoeléctrica. Un emissor beta (com per eixemple el tecnecio-99) estimularia un excímero, el qual genera llum que a la seua volta alimentaria una cèlula fotoeléctrica. La bateria consistiria en un excímero mescla d'argón/xenón en un recipient a pressió en una superfície interna reflectante, Tc-99 finament polvorisat, i un mezclador intermitent ultrasònic, allumenant una cèlula fotoeléctrica en una banda prohibida ajustada per al excímero. La ventaja d'este disseny és que no es requerixen montages de precisió dels electrodos, i la major part de les partícules beta escapen del material finament dividit per a contribuir a la potència de la bateria.

Bateries electromecàniques

Les bateries atòmiques electromecàniques usen l'acumulació de càrrega entre dos plaques per a acostar una placa flexible cap a l'atra, fins que abdós es toquen, es descarreguen i es torna a la situació inicial, separant-se abdós plaques. El moviment mecànic produït es pot amprar per a produir electricitat per mig de la deformació d'un material piezoelèctric o en un generador llineal. Es poden produir mW de potència en polsos, en alguns casos vàries voltes per segon (35 Hz).