Una batería atómica , batería nuclear , batería de radioisótopos o generador de radioisótopos es un dispositivo que utiliza la energía de la desintegración de un isótopo radiactivo para generar electricidad . Al igual que los reactores nucleares , generan electricidad a partir de energía nuclear, pero se diferencian en que no utilizan una reacción en cadena . Aunque comúnmente se les llama baterías , técnicamente no son electroquímicas y no se pueden cargar ni recargar. Son muy costosos, pero tienen una vida extremadamente larga y una alta densidad de energía , por lo que normalmente se utilizan como fuentes de energía para equipos que deben funcionar sin supervisión durante largos períodos de tiempo, como naves espaciales , marcapasos , sistemas submarinos y estaciones científicas automatizadas en lugares remotos del mundo. [1] [2] [3]
La tecnología de las baterías nucleares comenzó en 1913, cuando Henry Moseley demostró por primera vez una corriente generada por radiación de partículas cargadas. El campo recibió considerable atención de investigación en profundidad para aplicaciones que requerían fuentes de energía de larga duración para necesidades espaciales durante los años 1950 y 1960. En 1954, RCA investigó una pequeña batería atómica para pequeños receptores de radio y audífonos. [4] Desde la investigación y el desarrollo iniciales de RCA a principios de la década de 1950, se han diseñado muchos tipos y métodos para extraer energía eléctrica de fuentes nucleares. Los principios científicos son bien conocidos, pero la tecnología moderna a nanoescala y los nuevos semiconductores de banda ancha han creado nuevos dispositivos y propiedades materiales interesantes que antes no estaban disponibles.
Las baterías nucleares se pueden clasificar según la tecnología de conversión de energía en dos grupos principales: convertidores térmicos y convertidores no térmicos . Los tipos térmicos convierten parte del calor generado por la desintegración nuclear en electricidad. El ejemplo más notable es el generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG), que se utiliza a menudo en naves espaciales. Los convertidores no térmicos extraen energía directamente de la radiación emitida, antes de que se degrade en calor. Son más fáciles de miniaturizar y no requieren gradiente térmico para funcionar, por lo que son adecuados para su uso en aplicaciones a pequeña escala. El ejemplo más notable es la celda betavoltaica .
Las baterías atómicas suelen tener una eficiencia del 0,1 al 5%. Los dispositivos betavoltaicos de alta eficiencia pueden alcanzar una eficiencia del 6 al 8%. [5]
Un convertidor termoiónico consta de un electrodo caliente, que emite termiónicamente electrones a través de una barrera de carga espacial hacia un electrodo más frío, produciendo una salida de energía útil. El vapor de cesio se utiliza para optimizar las funciones de trabajo de los electrodos y proporcionar un suministro de iones (mediante ionización superficial ) para neutralizar la carga espacial de los electrones . [6]
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Un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) utiliza termopares . Cada termopar está formado por dos cables de diferentes metales (u otros materiales). Un gradiente de temperatura a lo largo de cada cable produce un gradiente de voltaje de un extremo del cable al otro; pero los diferentes materiales producen diferentes voltajes por grado de diferencia de temperatura. Al conectar los cables en un extremo, calentar ese extremo pero enfriar el otro extremo, se genera un voltaje utilizable, pero pequeño (milivoltios) entre los extremos de los cables no conectados. En la práctica, muchos se conectan en serie (o en paralelo) para generar un voltaje (o corriente) mayor a partir de la misma fuente de calor, a medida que el calor fluye desde los extremos calientes a los extremos fríos. Los termopares metálicos tienen una baja eficiencia térmica a eléctrica. Sin embargo, la densidad del portador y la carga se pueden ajustar en materiales semiconductores como el telururo de bismuto y el silicio germanio para lograr eficiencias de conversión mucho mayores. [7]
Las células termofotovoltaicas (TPV) funcionan según los mismos principios que una célula fotovoltaica , excepto que convierten la luz infrarroja (en lugar de la luz visible ) emitida por una superficie caliente en electricidad. Las células termofotovoltaicas tienen una eficiencia ligeramente superior a la de los pares termoeléctricos y pueden superponerse a pares termoeléctricos, lo que potencialmente duplica la eficiencia. El esfuerzo de desarrollo de la tecnología de conversión de energía de radioisótopos TPV de la Universidad de Houston tiene como objetivo combinar células termofotovoltaicas simultáneamente con termopares para proporcionar una mejora de 3 a 4 veces en la eficiencia del sistema con respecto a los generadores de radioisótopos termoeléctricos actuales. [ cita necesaria ]
Un generador de radioisótopos Stirling es un motor Stirling impulsado por la diferencia de temperatura producida por un radioisótopo. La NASA estaba desarrollando una versión más eficiente, el avanzado generador de radioisótopos Stirling , pero fue cancelado en 2013 debido a sobrecostos a gran escala. [8]
Los convertidores no térmicos extraen energía de la radiación emitida antes de que se degrade en calor. A diferencia de los convertidores termoeléctricos y termoiónicos, su rendimiento no depende de la diferencia de temperatura. Los generadores no térmicos se pueden clasificar por el tipo de partícula utilizada y por el mecanismo mediante el cual se convierte su energía.
Se puede extraer energía de las partículas cargadas emitidas cuando su carga se acumula en un conductor , creando así un potencial electrostático . Sin un modo de disipación, el voltaje puede aumentar hasta la energía de las partículas radiadas, que puede variar desde varios kilovoltios (para radiación beta) hasta megavoltios (radiación alfa). La energía electrostática acumulada se puede convertir en electricidad utilizable de una de las siguientes maneras.
Un generador de carga directa consta de un condensador cargado por la corriente de partículas cargadas de una capa radiactiva depositada sobre uno de los electrodos. El espaciado puede ser al vacío o dieléctrico . Se pueden utilizar partículas beta cargadas negativamente o partículas alfa cargadas positivamente , positrones o fragmentos de fisión . Aunque esta forma de generador eléctrico nuclear se remonta a 1913, en el pasado se han encontrado pocas aplicaciones para las corrientes extremadamente bajas y los voltajes inconvenientemente altos que proporcionan los generadores de carga directa. Se emplean sistemas de oscilador/transformador para reducir los voltajes, luego se usan rectificadores para transformar la energía de CA nuevamente en corriente continua.
El físico inglés H. G. J. Moseley construyó el primero de ellos. El aparato de Moseley consistía en un globo de cristal plateado por dentro con un emisor de radio montado en la punta de un alambre en el centro. Las partículas cargadas de radio crearon un flujo de electricidad mientras se movían rápidamente desde el radio hacia la superficie interior de la esfera. Todavía en 1945, el modelo Moseley guió otros esfuerzos para construir baterías experimentales que generaran electricidad a partir de emisiones de elementos radiactivos.
Las baterías atómicas electromecánicas utilizan la acumulación de carga entre dos placas para tirar de una placa flexible hacia la otra, hasta que las dos placas se tocan, se descargan, igualan la acumulación electrostática y regresan. El movimiento mecánico producido se puede utilizar para producir electricidad mediante la flexión de un material piezoeléctrico o mediante un generador lineal. Los milivatios de potencia se producen en pulsos dependiendo de la velocidad de carga, en algunos casos varias veces por segundo (35 Hz). [9]
Un dispositivo radiovoltaico (RV) convierte la energía de la radiación ionizante directamente en electricidad mediante una unión semiconductora , similar a la conversión de fotones en electricidad en una célula fotovoltaica . Dependiendo del tipo de radiación objetivo, estos dispositivos se denominan alfavoltaicos (AV, αV), betavoltaicos (BV, βV) y/o gammavoltaicos (GV, γV). Los betavoltaicos han recibido tradicionalmente la mayor atención ya que los emisores beta (de baja energía) causan la menor cantidad de daño radiativo, lo que permite una vida operativa más larga y menos blindaje. El interés en los dispositivos alfavoltaicos y (más recientemente) gammavoltaicos está impulsado por su potencial mayor eficiencia.
Los dispositivos alfavoltaicos utilizan una unión semiconductora para producir energía eléctrica a partir de partículas alfa energéticas . [10] [11]
Los dispositivos betavoltaicos utilizan una unión semiconductora para producir energía eléctrica a partir de partículas beta energéticas ( electrones ). Una fuente comúnmente utilizada es el isótopo de hidrógeno tritio .
Los dispositivos betavoltaicos son particularmente adecuados para aplicaciones eléctricas de baja potencia donde se necesita una larga vida útil de la fuente de energía, como dispositivos médicos implantables o aplicaciones militares y espaciales. [12]
La startup china Betavolt afirmó en enero de 2024 tener un dispositivo en miniatura en etapa de prueba piloto. [13] Supuestamente genera 100 microvatios de potencia y un voltaje de 3 V y tiene una vida útil de 50 años sin necesidad de carga ni mantenimiento. [13] Betavolt afirma que es el primer dispositivo miniaturizado jamás desarrollado. [13] Obtiene su energía del isótopo níquel-63 ubicado en un módulo del tamaño de una moneda muy pequeña. [14] A medida que se consume, el níquel-63 se descompone en isótopos de cobre estables y no radiactivos, que no representan ninguna amenaza ambiental. [14] Contiene una fina oblea de níquel-63 que proporciona electrones de partículas beta intercalados entre dos finas capas semiconductoras de diamante cristalográfico . [15] [16]
Los dispositivos gammavoltaicos utilizan una unión semiconductora para producir energía eléctrica a partir de partículas gamma energéticas ( fotones de alta energía ). Solo se consideraron en la década de 2010 [17] [18] [19] [20], pero se propusieron ya en 1981. [21]
Se ha informado de un efecto gammavoltaico en células solares de perovskita . [17] Otro diseño patentado implica la dispersión de la partícula gamma hasta que su energía haya disminuido lo suficiente como para ser absorbida en una célula fotovoltaica convencional. [18] También se están investigando diseños gammavoltaicos que utilizan diamante y diodos Schottky . [19] [20]
En un dispositivo radiofotovoltaico (RPV) , la conversión de energía es indirecta: las partículas emitidas se convierten primero en luz utilizando un material radioluminiscente (un centelleador o fósforo ), y luego la luz se convierte en electricidad utilizando una célula fotovoltaica . Dependiendo del tipo de partícula objetivo, el tipo de conversión se puede especificar con mayor precisión como alfafotovoltaica (APV o α-PV), [22] betafotovoltaica (BPV o β-PV) [23] o gammafotovoltaica (GPV o γ-PV). [24]
La conversión radiofotovoltaica se puede combinar con la conversión radiovoltaica para aumentar la eficiencia de conversión. [25]
Medtronic y Alcatel desarrollaron un marcapasos impulsado por plutonio , el Numec NU-5, impulsado por una pastilla de plutonio 238 de 2,5 Ci, implantado por primera vez en un paciente humano en 1970. Se espera que los 139 marcapasos nucleares Numec NU-5 implantados en la década de 1970 nunca necesitan ser reemplazados, una ventaja sobre los marcapasos no nucleares, que requieren el reemplazo quirúrgico de sus baterías cada 5 a 10 años. Se espera que las "baterías" de plutonio produzcan suficiente energía para impulsar el circuito durante más tiempo que los 88 años de vida media del plutonio-238. [26] [27] [28] [29]
La última de estas unidades se implantó en 1988, cuando los marcapasos alimentados con litio, que tenían una vida útil esperada de 10 años o más sin las desventajas de las preocupaciones por la radiación y los obstáculos regulatorios, hicieron que estas Unidades obsoletas.
Las baterías betavoltaicas también se están considerando como fuentes de energía duraderas para marcapasos sin plomo. [30]
Las baterías atómicas utilizan radioisótopos que producen partículas beta de baja energía o, a veces, partículas alfa de energías variables. Se necesitan partículas beta de baja energía para evitar la producción de radiación Bremsstrahlung penetrante de alta energía que requeriría un fuerte blindaje. Se han probado radioisótopos como el tritio , el níquel -63, el prometio -147 y el tecnecio -99. Se han utilizado plutonio -238, curio -242, curio -244 y estroncio -90. [31] Además de las propiedades nucleares del isótopo utilizado, también existen cuestiones de propiedades químicas y disponibilidad. Un producto producido deliberadamente mediante irradiación de neutrones o en un acelerador de partículas es más difícil de obtener que un producto de fisión fácilmente extraído del combustible nuclear gastado .
El plutonio-238 debe producirse deliberadamente mediante la irradiación de neutrones del neptunio-237, pero puede convertirse fácilmente en una cerámica estable de óxido de plutonio. El estroncio-90 se extrae fácilmente del combustible nuclear gastado, pero debe convertirse en titanato de estroncio en forma de perovskita para reducir su movilidad química, reduciendo la densidad de potencia a la mitad. El cesio-137, otro producto de fisión nuclear de alto rendimiento, rara vez se utiliza en baterías atómicas porque es difícil de convertir en sustancias químicamente inertes. Otra propiedad indeseable del Cs-137 extraído del combustible nuclear gastado es que está contaminado con otros isótopos de cesio que reducen aún más la densidad de potencia.
En el campo de los sistemas microelectromecánicos ( MEMS ), ingenieros nucleares de la Universidad de Wisconsin en Madison han explorado las posibilidades de producir baterías minúsculas que aprovechen núcleos radiactivos de sustancias como el polonio o el curio para producir energía eléctrica. [ cita necesaria ] Como ejemplo de una aplicación integrada y autoalimentada, los investigadores han creado una viga en voladizo oscilante que es capaz de realizar oscilaciones periódicas y constantes durante períodos de tiempo muy largos sin necesidad de repostar combustible. El trabajo en curso demuestra que este voladizo es capaz de transmitir radiofrecuencia, lo que permite que los dispositivos MEMS se comuniquen entre sí de forma inalámbrica.
Estas microbaterías son muy ligeras y suministran suficiente energía para funcionar como fuente de alimentación para su uso en dispositivos MEMS y, además, para suministro de nanodispositivos. [32]
La energía de radiación liberada se transforma en energía eléctrica, que se restringe a la zona del dispositivo que contiene el procesador y la microbatería que le suministra energía. [33] : 180–181
Los núcleos radiactivos liberan electrones que disparan al polo negativo de la batería.