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 piezas móviles y es ideal para su implementación en entornos remotos y hostiles durante períodos prolongados sin riesgo de que las piezas se desgasten o funcionen mal.
Los RTG suelen ser la fuente de energía más deseable 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 puedan proporcionarlos 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 productiva de la unidad. El coste 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 de la Fama de los Inventores Nacionales 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 finales 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 Estados Unidos fue el SNAP 3B en 1961, propulsado por 96 gramos de metal plutonio-238 , a bordo de la nave espacial Navy Transit 4A . Uno de los primeros usos terrestres de los RTG fue en 1966 por parte de la Marina de los EE. UU. 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. Se utilizaron unidades de sistemas de energía auxiliar nuclear (SNAP) para sondas que viajaban lejos del Sol, lo que hacía que los paneles solares no fueran prácticos. Como tales, se utilizaron con Pioneer 10 , Pioneer 11 , Voyager 1 , Voyager 2 , Galileo , Ulysses , Cassini , New Horizons y el Mars Science Laboratory . Los RTG se utilizaron para impulsar los dos módulos de aterrizaje Viking y para los experimentos científicos que dejaron en la Luna las tripulaciones de los Apolo 12 al 17 (SNAP 27). Debido a que el alunizaje del Apolo 13 fue abortado, su RTG descansa en el Océano Pacífico Sur , en las proximidades de la Fosa de Tonga . [6] 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 en toda regla : la serie soviética RORSAT y el estadounidense SNAP-10A .
Además de las naves espaciales, a finales de los años 1980 la Unión Soviética construyó 1.007 RTG [7] para alimentar faros no tripulados y balizas de navegación en la costa ártica soviética . [7] [8] En la Unión Soviética se construyeron muchos tipos diferentes de RTG (incluido el tipo Beta-M ) 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 saqueos o por las fuerzas naturales del hielo, la tormenta o el mar. [7] En 1996, partidarios rusos e internacionales iniciaron un proyecto para desmantelar los RTG en los faros, y para 2021, todos los RTG habían sido retirados. [7]
A partir de 1992, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos también utilizó RTG para alimentar equipos árticos ubicados remotamente, y el gobierno de los EE. UU. ha utilizado cientos de unidades de este tipo 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 han desplegado un mayor número de unidades de este tipo tanto en tierra como en el fondo del océano que las utilizadas en naves espaciales, y documentos reglamentarios públicos sugieren que Estados Unidos había desplegado al menos entre 100 y 150 durante el Décadas de 1970 y 1980. [9] [ necesita actualización ]
En el pasado, se utilizaban pequeñas "células de plutonio" (RTG muy pequeñas alimentadas por 238 Pu) en los marcapasos implantados para garantizar una "duración de la batería" muy larga. [10] En 2004 [actualizar], unos noventa todavía estaban en uso. A finales de 2007, se informó que el número se había reducido a sólo nueve. [11] El programa de marcapasos cardíacos de Mound Laboratory comenzó el 1 de junio de 1966, junto con NUMEC. [12] Cuando se reconoció que la fuente de calor no permanecería intacta durante la cremación, el programa fue cancelado en 1972 porque no había manera de garantizar completamente que las unidades no serían cremadas con los cuerpos de sus usuarios.
El diseño de un RTG es sencillo según 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 recipiente, 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 están conectados entre sí en un circuito cerrado y las dos uniones están a diferentes temperaturas , fluirá una corriente eléctrica en el circuito. Normalmente se conecta una gran cantidad de termopares en serie para generar un voltaje más alto.
Los RTG y los reactores de fisión utilizan reacciones nucleares muy diferentes. Los reactores de energía nuclear (incluidos los miniaturizados utilizados en el espacio) realizan fisión nuclear controlada en una reacción en cadena . La velocidad de la reacción se puede controlar con barras de control absorbentes de neutrones , por lo que la potencia se puede variar según la demanda o apagar (casi) por completo para mantenimiento. Sin embargo, es necesario tener cuidado para evitar el funcionamiento incontrolado a niveles de potencia peligrosamente altos, o incluso una 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 un ritmo no ajustable y decreciente constantemente que depende únicamente de la cantidad de isótopo del combustible y su vida media. En un RTG, la generación de calor no se puede variar según la demanda ni apagar 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 de vuelo inicial de una misión espacial. Si bien fallas espectaculares como una fusión o explosión nuclear son imposibles con un RTG, aún existe el riesgo de contaminación radiactiva si el cohete explota, el dispositivo vuelve a entrar en la atmósfera y se desintegra, los RTG terrestres resultan 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. [13] 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 funciona con una criticidad cercana pero menor a 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 frente a 6 MeV), se obtiene hasta un 10% de ganancia de energía. es alcanzable, lo que se traduce en una reducción de los 238 Pu necesarios por misión. La idea se propuso 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. [14] [ verificación fallida ] Sin embargo, lo esencial no se modifica.
Se ha propuesto el uso de RTG en misiones realistas de precursores interestelares y sondas interestelares . [15] Un ejemplo de esto es la propuesta del Innovative Interstellar Explorer (2003-actualidad) de la NASA. [16] En 2002 se propuso un RTG que utiliza 241 Am para este tipo de misión . [15] Esto podría soportar extensiones de misión de hasta 1000 años en la sonda interestelar, porque la producción de energía disminuiría más lentamente a largo plazo que el plutonio. [15] En el estudio también se examinaron otros isótopos de RTG, analizando rasgos como vatios/gramo, vida media y productos de desintegración. [15] Una propuesta de sonda interestelar de 1999 sugería el uso de tres fuentes avanzadas de energía de radioisótopos (ARPS). [17] La electricidad RTG se puede utilizar para alimentar instrumentos científicos y comunicarse con la Tierra a través de las sondas. [15] Una misión propuso utilizar la electricidad para alimentar motores de iones , llamando a este método propulsión eléctrica por radioisótopos (REP). [15]
Se ha propuesto una mejora de potencia para fuentes de calor de radioisótopos basada en un campo electrostático autoinducido. [18] Según los autores, se podrían lograr mejoras del 5-10% utilizando fuentes beta.
Un RTG típico funciona con desintegración radiactiva y genera electricidad a partir de conversión termoeléctrica, pero para mayor conocimiento, aquí se incluyen algunos sistemas con algunas variaciones de ese concepto.
Naves espaciales/sistemas de energía nuclear conocidos y su destino. Los sistemas se enfrentan a una variedad de destinos; por ejemplo, el SNAP-27 del Apolo quedó en la Luna. [19] Algunas otras naves espaciales también tienen pequeños calentadores de radioisótopos, por ejemplo, cada uno de los Mars Exploration Rovers 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 . [20]
** no es realmente un RTG, el reactor BES-5 Buk (БЭС-5) era un reactor rápido que utilizaba termopares basados en semiconductores para convertir el calor directamente en electricidad [25] [26]
*** no es realmente un RTG, el SNAP-10A utilizó combustible de uranio enriquecido, hidruro de circonio como moderador, refrigerante líquido de aleación de sodio y potasio y se activó o desactivó con reflectores de berilio [24] El calor del reactor alimentó un sistema de conversión termoeléctrica para la producción eléctrica. . [24]
**** 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: [32]
Los dos primeros criterios limitan el número de combustibles posibles a menos de treinta isótopos atómicos [32] dentro de toda la tabla de nucleidos .
El plutonio-238 , el curio-244 , el estroncio-90 y hoy en día el americio-241 son los isótopos candidatos citados con mayor frecuencia, pero a principios de la década de 1950 se consideraron 43 isótopos más de aproximadamente 1300. [5]
La siguiente tabla no proporciona necesariamente densidades de potencia para el material puro sino para una forma químicamente inerte . Para los actínidos esto es de poca preocupación ya que sus óxidos suelen ser bastante inertes (y pueden transformarse en cerámicas aumentando aún más su estabilidad), pero para los metales alcalinos y alcalinotérreos como el cesio o el estroncio respectivamente, se han encontrado compuestos químicos relativamente complejos (y pesados). para ser utilizado. Por ejemplo, el estroncio se utiliza comúnmente como titanato de estroncio en RTG, lo que aumenta la masa molar en aproximadamente un factor de 2. Además, dependiendo de la fuente, es posible que no se pueda obtener pureza isotópica. El plutonio extraído del combustible nuclear gastado tiene una proporción baja de Pu-238, por lo que el plutonio-238 para uso en RTG generalmente se fabrica expresamente mediante irradiación de neutrones de neptunio-237 , lo que eleva aún más los costos. El cesio en los productos de fisión contiene partes casi iguales de Cs-135 y Cs-137, además de 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. Si bien históricamente los RTG han sido bastante pequeños, en teoría no hay nada que impida que los RTG alcancen el rango de potencia térmica de megavatios . Sin embargo, para tales aplicaciones los actínidos son menos adecuados que los radioisótopos más ligeros, ya que la masa crítica está varios órdenes de magnitud por debajo de 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, a partir de ellos se podrían ensamblar RTG de tamaño y potencia arbitrarios si se pudiera producir suficiente material. Sin embargo, en general, las aplicaciones potenciales de estos RTG de gran escala son más bien del dominio de pequeños reactores modulares , microrreactores o 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 [33] y niveles de radiación gamma y de neutrones excepcionalmente bajos. 238 Pu tiene los requisitos de blindaje más bajos. Sólo 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. 238 Pu (el mejor de estos tres) necesita menos de 2,5 mm y, en muchos casos, no se necesita blindaje en un 238 Pu RTG, ya que la carcasa en sí es adecuada.238 El Pu se ha convertido en el combustible más utilizado para los RTG, en forma de óxido de plutonio (IV) (PuO 2 ). [ cita necesaria ] Sin embargo, el óxido de plutonio (IV) que contiene una abundancia natural de oxígeno emite neutrones a una velocidad de ~ 2,3x10 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 ~2,8x10 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 forma natural es del 0,204%, mientras que la de oxígeno-17 es del 0,037%. La reducción del oxígeno-17 y del 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 238 partículas de PuO 2 precipitadas como hidróxido para demostrar que grandes lotes de producción podían intercambiarse eficazmente 16 O 2 de forma rutinaria. Se intercambiaron exitosamente 238 microesferas de PuO 2 cocidas a alta temperatura , lo que demuestra que el intercambio tendrá lugar independientemente del historial de tratamiento térmico previo del 238 PuO 2 . [34] Esta reducción de la tasa de emisión de neutrones del PuO 2 que contiene oxígeno normal en un factor de cinco se descubrió durante la investigación sobre 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 necesario habría sido prohibitivo sin este proceso. [35]
A diferencia de los otros tres isótopos analizados en esta sección, el 238 Pu debe sintetizarse específicamente y no abunda como producto de desecho nuclear. Actualmente, solo Rusia ha mantenido una producción de alto volumen, mientras que en EE. UU. no se produjeron más de 50 g (1,8 oz) en total entre 2013 y 2018. [36] Las agencias estadounidenses involucradas desean comenzar la producción del material en 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 a escala para producir un promedio de 1,5 kg (3,3 libras) por año para 2025. [37] [36]
La Unión Soviética ha utilizado estroncio-90 en RTG terrestres. 90 Sr decae por emisión β, con 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. [38] Debido a que la producción de energía es menor, alcanza temperaturas más bajas que 238 Pu, lo que resulta en una menor eficiencia de RTG. 90 Sr tiene un alto rendimiento de producto de fisión en la fisión de ambos235
U y239
Pu y, por tanto, está disponible en grandes cantidades a un precio relativamente bajo si se extrae del combustible nuclear gastado . [38] Como90
El Sr es un metal alcalinotérreo muy reactivo y el 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 emplea en forma pura en RTG. La forma más común es la perovskita titanato de estroncio (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 una dureza suficiente para resistir algunas formas de liberación accidental de su blindaje sin una dispersión demasiado fina de polvo. La desventaja de utilizar 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 descomposición. A partir 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 más dióxido de carbono deseado . Si se desea, el producto de titanato de estroncio se puede formar 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 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 muy corta vida media de 138 días. Una muestra de medio gramo de 210 Po alcanza temperaturas superiores a 500 °C (900 °F). [39] Como el Po-210 es un emisor alfa puro y no emite radiación gamma o de rayos X significativa, los requisitos de blindaje son tan bajos como los del Pu-238. Si bien la corta vida media también reduce el tiempo durante el cual la liberación accidental al medio ambiente es preocupante, 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 "extraños". objeto". Una ruta común de producción (ya sea accidental o deliberada) es la irradiación de neutrones de209
Bi , el único isótopo natural del bismuto . Es esta producción accidental la que se cita como argumento en contra del 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 valer la pena de manera similar a como se recupera económicamente el tritio del moderador de agua pesada en las CANDU .
El americio-241 es un isótopo candidato con mucha mayor disponibilidad que el 238 Pu. Aunque 241 Am tiene una vida media de 432 años, es decir, más que 238 Pu y, hipotéticamente, podría alimentar un dispositivo durante siglos, las misiones con más de 10 años no fueron objeto de investigación hasta 2019. [40] La densidad de potencia de 241 Am es sólo 1/4 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: sólo 238 Pu y 210 Po requieren menos. Con la actual escasez mundial [41] de 238 Pu, la ESA está estudiando 241 Am como combustible RTG [40] [42] y en 2019, el Laboratorio Nuclear Nacional del Reino Unido anunció la generación de electricidad utilizable. [43] Una ventaja sobre el 238 Pu es que se produce como residuo nuclear y es casi isotópicamente puro. Los diseños de prototipos de 241 Am RTG esperan 2-2,2 W e /kg para el diseño de 5-50 W e RTG, pero las pruebas prácticas muestran que sólo se pueden lograr 1,3-1,9 W e . [40] El americio-241 se utiliza actualmente en pequeñas cantidades en detectores de humo domésticos y, por tanto, su manipulación y sus propiedades están bien establecidas. Sin embargo, se desintegra en Neptunio-237 , el más móvil químicamente entre los actínidos.
El curio-250 es el isótopo transuránico más pequeño 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 energía, 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 protección contra los rayos gamma y la Bremsstrahlung inducida por rayos beta , no es un buen escudo de neutrones (en lugar de eso refleja la mayoría de ellos), se tendría que agregar un material de protección 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 disminuirán su producción de energía en un factor de 1 – (1/2) 1/87,7 , que es 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 contenido en el RTG había disminuido su potencia en un 16,6%, es decir, proporcionando el 83,4% de su producción inicial; comenzando con una capacidad de 470 W, después de este período de tiempo tendría una capacidad de solo 392 W. Una pérdida de potencia relacionada en los RTG Voyager son las propiedades degradantes de los termopares bimetálicos utilizados para convertir la energía térmica en energía eléctrica. ; los RTG estaban trabajando a aproximadamente el 67% de su capacidad original total en lugar del 83,4% esperado. A principios de 2001, la energía generada por las Voyager RTG había caído a 315 W para la Voyager 1 y a 319 W para la Voyager 2 . [44] Para 2022, estas cifras se habían reducido a alrededor de 220 W. [45]
La NASA ha desarrollado un generador termoeléctrico de radioisótopos multimisión (MMRTG) en el que los termopares estarían hechos de skutterudita , 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 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 . [46]
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 así pueden servir en una " bomba sucia ". La Unión Soviética construyó muchos faros y balizas de navegación sin tripulación impulsados por RTG utilizando 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 la ubicación de algunas de estas instalaciones ya no se conoce debido a un deficiente mantenimiento de registros. En un caso, un ladrón abrió los compartimentos radiactivos. [8] En otro caso , tres leñadores en la región de Tsalendzhikha, Georgia, encontraron dos fuentes cerámicas huérfanas de RTG a las que se les había quitado su protección; Posteriormente, dos de los leñadores fueron hospitalizados con graves quemaduras por radiación después de llevar las fuentes a la espalda. Las unidades finalmente fueron recuperadas y aisladas. [47] Hay aproximadamente 1.000 RTG de este tipo en Rusia, y todos ellos hace tiempo que han excedido su vida operativa diseñada de diez años. Es probable que la mayoría de estos RTG ya no funcionen y sea necesario desmantelarlos. Algunas de sus carcasas metálicas han sido retiradas por cazadores de metales, a pesar del riesgo de contaminación radiactiva. [48] Transformar el 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 cloruro de cesio fácilmente soluble en agua). forma). Sin embargo, un actor malicioso con suficientes habilidades químicas podría extraer una especie volátil de un material inerte y/o lograr un efecto similar de dispersión triturando físicamente la matriz inerte hasta obtener 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 ocurriera un accidente durante el lanzamiento o el paso posterior de una nave espacial cerca de la Tierra, se podría liberar material nocivo a la atmósfera; por lo tanto, su uso en naves espaciales y en otros lugares ha generado controversia. [49] [50]
Sin embargo, este evento no se considera probable con los diseños actuales de contenedores RTG. Por ejemplo, el estudio de impacto ambiental de 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 provocara una liberación radiactiva de uno o más de sus tres RTG (o de sus 129 unidades calentadoras de radioisótopos ) durante los primeros 3,5 minutos después del lanzamiento se estimó en 1 entre 1.400; las posibilidades de una liberación más adelante en el ascenso a la órbita eran de 1 entre 476; después de eso, la probabilidad de una liberación accidental cayó drásticamente a menos de 1 entre un millón. [51] Si se produjera un accidente que pudiera 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 estimaba en 1 entre 10. [52 ] El lanzamiento fue exitoso y Cassini-Huygens alcanzó Saturno .
Para minimizar el riesgo de liberación de material radiactivo, el combustible se almacena en unidades modulares individuales con su propia protección térmica. Están rodeados por una capa de metal de iridio y encerrados en bloques de grafito de alta resistencia . Estos dos materiales son resistentes a la corrosión y al calor. Rodeando los bloques de grafito hay un aeroshell, diseñado para proteger todo el conjunto contra el calor del reingreso a la atmósfera terrestre. El combustible de plutonio también se almacena en forma cerámica resistente al calor, lo que minimiza el riesgo de vaporización y aerosolización. La cerámica también es muy 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 y reactores nucleares . 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 [53] ). Por ejemplo, 3,6 kg de plutonio-238 sufren 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, [54] el plutonio-238 es aproximadamente 275 veces más tóxico en peso que el plutonio-239.
La radiación alfa emitida por cualquiera de los isótopos no penetra la piel, pero puede irradiar órganos internos si se inhala o ingiere plutonio. Particularmente en riesgo está el esqueleto , cuya superficie probablemente absorberá el isótopo, y el hígado , donde el isótopo se acumulará y concentrará.
Un caso 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 Enguri construida por los soviéticos . Tres aldeanos de la cercana aldea de Lia , sin saberlo, quedaron expuestos a él y resultaron heridos; uno de ellos murió en mayo de 2004 a causa de las heridas sufridas. La Agencia Internacional de Energía Atómica dirigió las operaciones de recuperación y organizó la atención médica. Aún no se han encontrado dos núcleos RTG restantes a partir de 2022.
Ha habido varios accidentes conocidos que involucraron naves espaciales propulsadas por RTG:
Un RTG, el SNAP-19C , se perdió cerca de la cima de la montaña Nanda Devi en India en 1965 cuando fue almacenado en una formación rocosa cerca de la cima de la montaña ante una tormenta de nieve antes de que pudiera instalarse para alimentar una CIA. Estación automatizada remota que recopila telemetría de las instalaciones de prueba de cohetes chinas. Las siete cápsulas [59] fueron arrastradas montaña abajo hasta un glaciar por una avalancha y nunca se recuperaron. Lo más probable es que se derritieran a través del glaciar y fueran pulverizados, tras lo cual la aleación de plutonio y circonio 238 alimenta las partículas de suelo oxidadas que se mueven en una columna debajo del glaciar. [60] [ página necesaria ]
Muchos RTG Beta-M producidos por la Unión Soviética para alimentar faros y balizas se han convertido en fuentes de radiación huérfanas . Varias de estas unidades han sido desmanteladas ilegalmente por chatarra (lo que ha resultado en la exposición completa de la fuente de Sr-90 ), han caído al océano o tienen blindaje defectuoso debido a un mal diseño o daño físico. El programa cooperativo de reducción de amenazas del Departamento de Defensa de EE. UU. ha expresado su preocupación de que los terroristas puedan utilizar el material de los RTG Beta-M para construir una bomba sucia . [8] 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 a través del tracto digestivo de humanos u otros animales sin cambios, pero el animal o el humano que lo ingiere aún recibiría una dosis significativa de radiación en el sensible revestimiento intestinal durante el paso. La degradación mecánica de "guijarros" u objetos más grandes hasta convertirlos en polvo fino es más probable y podría dispersar el material en un área más amplia; sin embargo, esto también reduciría el riesgo de que cualquier evento de exposición único resulte en una dosis alta.
