Generador termoeléctrico de radioisótopos

Diagrama de un RTG utilizado en la sonda Cassini

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 matriz de termopares para convertir el calor liberado por la descomposición de un material radiactivo adecuado en electricidad por el efecto Seebeck. Este tipo de generador no tiene partes móviles. Debido a que no necesitan energía solar, los RTG son ideales para entornos remotos y hostiles durante largos períodos de tiempo, y debido a que no tienen piezas móviles, no hay 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 de tiempo demasiado largos para que las celdas de combustible, las baterías o los generadores sean económicos y en lugares donde las celdas solares no son práctico. 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 RTG requiere la contención de los radioisótopos mucho después de la vida productiva de la unidad. El costo de los RTG tiende a limitar su uso a aplicaciones de nicho en situaciones raras o especiales.

Historia

Una pellets de 238PuO₂ como se utiliza en la RTG para las misiones Cassini y Galileo. Esta foto fue tomada después de aislar la pellets bajo una manta de grafito durante varios minutos y luego quitar la manta. La pellets está brillando caliente roja debido al calor generado por la decadencia radiactiva (principalmente α). La salida inicial es de 62 vatios.

El RTG fue inventado en 1954 por los científicos de Mound Laboratories Kenneth (Ken) C. Jordan (1921-2008) y John Birden (1918-2011). Fueron incluidos en el Salón de la Fama de los Inventores Nacionales en 2013. 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 radiactivos. materiales 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.

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

Una aplicación RTG común es la fuente de alimentación de naves espaciales. Las unidades de Sistemas para Energía Auxiliar Nuclear (SNAP) se utilizaron para sondas que viajaban lejos del Sol, lo que hacía que los paneles solares fueran poco prácticos. Como tales, se utilizaron con Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini, New Horizons y el Laboratorio de Ciencias de Marte. Los RTG se utilizaron para impulsar los dos módulos de aterrizaje Viking y para los experimentos científicos dejados en la Luna por las tripulaciones del Apolo 12 al 17 (SNAP 27). Debido a que se abortó el alunizaje del Apolo 13, su RTG descansa en el Océano Pacífico Sur, en las cercanías de la Fosa de Tonga. Los RTG también se utilizaron para los satélites Nimbus, Transit y LES. En comparación, solo se han lanzado unos pocos vehículos espaciales utilizando reactores nucleares completos: la serie soviética RORSAT y el estadounidense SNAP-10A.

Además de naves espaciales, la Unión Soviética construyó 1007 RTG para impulsar faros no tripulados y balizas de navegación en la costa ártica soviética a fines de la década de 1980. 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 se mantuvieron 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. En 1996, los partidarios rusos e internacionales iniciaron un proyecto para desmantelar los RTG en los faros y, para 2021, todos los RTG ahora se eliminarán.

A partir de 1992, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos también usó RTG para alimentar equipos del Ártico ubicados en lugares remotos, y el gobierno de los EE. UU. ha usado cientos de tales unidades para alimentar estaciones remotas en todo el mundo. Las estaciones de detección para los sistemas de radar Top-ROCC y SEEK IGLOO, predominantemente ubicadas en Alaska, utilizan RTG. Las unidades usan estroncio-90, y se ha desplegado un mayor número de unidades de este tipo tanto en tierra como en el fondo del océano que las que se han usado en naves espaciales, con documentos regulatorios públicos que sugieren que EE. UU. había desplegado al menos 100-150 durante el 1970 y 1980.

En el pasado, las pequeñas "células de plutonio" (muy pequeños ²³⁸RTG alimentados con Pu) se utilizaron en marcapasos cardíacos implantados para garantizar una "duración de la batería" muy prolongada. A partir de 2004, alrededor de noventa todavía estaban en uso. A fines de 2007, se informó que el número se había reducido a solo nueve. El programa de marcapasos cardíacos de Mound Laboratory comenzó el 1 de junio de 1966, junto con NUMEC. 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 completamente que las unidades no serían cremadas con sus usuarios. cuerpos.

Diseño

El diseño de un RTG es simple 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 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 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. Por lo general, una gran cantidad de termopares se conectan 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 que se utilizan 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 de absorción de neutrones, por lo que la potencia se puede variar con la demanda o apagar (casi) por completo para el mantenimiento. Sin embargo, es necesario tener cuidado para evitar un funcionamiento incontrolado a niveles de potencia peligrosamente altos, o incluso una explosión o una fusión nuclear. Las reacciones en cadena no ocurren en los RTG. El calor se produce a través de la desintegración radiactiva espontánea a una tasa no ajustable y decreciente que depende únicamente de la cantidad de isótopo combustible y su vida media. En un RTG, la generación de calor no se puede variar con la demanda o apagarse cuando no se necesita y no es posible ahorrar más energía para más adelante al reducir 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 de una misión espacial. Si bien las fallas espectaculares como una fusión nuclear o una explosión son imposibles con un RTG, todavía existe el riesgo de contaminación radiactiva si el cohete explota, el dispositivo vuelve a entrar en la atmósfera y se desintegra, los RTG terrestres son dañados por tormentas o hielo estacional, o son objeto de vandalismo.

Desarrollos

Debido a la escasez de plutonio-238, se ha propuesto un nuevo tipo de RTG asistido por reacciones subcríticas. 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 inferior a 1, es decir, Keff < 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 (haciendo que su radiación gamma sea despreciable), porque cada reacción de fisión libera más de 30 veces más energía que cada desintegración alfa (200 MeV frente a 6 MeV), hasta un 10% de ganancia de energía es alcanzable, lo que se traduce en una reducción de los ²³⁸Pu necesarios por misión. La idea fue propuesta a la NASA en 2012 para la competencia anual NSPIRE de la NASA, que se tradujo al Laboratorio Nacional de Idaho en el Centro de Investigación Nuclear Espacial (CSNR) en 2013 para estudios de factibilidad. Sin embargo, los elementos esenciales no se modifican.

Se ha propuesto RTG para su uso en misiones precursoras interestelares realistas y sondas interestelares. Un ejemplo de esto es la propuesta Innovative Interstellar Explorer (2003-actual) de la NASA. En 2002, se propuso un RTG que usaba ²⁴¹Am para este tipo de misión. Esto podría admitir 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.. En el estudio también se examinaron otros isótopos para RTG, observando rasgos como vatio/gramo, vida media y productos de descomposición. Una propuesta de sonda interestelar de 1999 sugirió el uso de tres fuentes de energía de radioisótopos avanzadas (ARPS). La electricidad RTG se puede utilizar para alimentar instrumentos científicos y comunicación con la Tierra en las sondas. Una misión propuso usar la electricidad para impulsar motores iónicos, llamando a este método propulsión eléctrica por radioisótopos (REP).

Se ha propuesto una mejora de potencia para fuentes de calor de radioisótopos basada en un campo electrostático autoinducido. Según los autores, se podrían lograr mejoras de hasta un 10 % utilizando fuentes beta.

Modelos

Un RTG típico funciona con desintegración radiactiva y cuenta con electricidad de conversión termoeléctrica, pero en aras del conocimiento, aquí se incluyen algunos sistemas con algunas variaciones de ese concepto.

Espacio

Naves espaciales/sistemas de energía nuclear conocidos y su destino. Los sistemas enfrentan una variedad de destinos, por ejemplo, el SNAP-27 de Apolo se quedó en la Luna. 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, MSL Curiosity tiene 4,8 kg de dióxido de plutonio-238.

** No es realmente un RTG, el reactor BES-5 Buk (БЭС-5) era un reactor reproductor rápido que usaba termopares basados en semiconductores para convertir el calor directamente en electricidad

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

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

Terrestre

Combustibles

Inspección de la nave espacial Cassini RTGs antes del lanzamiento

Nuevos Horizontes en el salón de montaje

El material radiactivo utilizado en los RTG debe tener varias características:

1. Su vida media debe ser lo suficientemente larga para liberar energía a un ritmo relativamente constante por una cantidad razonable de tiempo. La cantidad de energía liberada por tiempo (poder) de una cantidad determinada es inversamente proporcional a la vida media. Un isótopo con dos veces la media vida y la misma energía por decaimiento liberará el poder a la mitad de la tasa por topo. Por lo tanto, las medias vidas típicas de los radioisótopos utilizados en los RTG son varias décadas, aunque los isótopos con medias vidas más cortas podrían utilizarse para aplicaciones especializadas.
2. Para el uso de la luz espacial, 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 decaimiento 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 decaimiento es proporcional a la producción de energía por topo. Decaimientos alfa en general liberan alrededor de diez veces más energía que la decaimiento beta de estroncio-90 o cesio-137.
3. La radiación debe ser de tipo fácilmente absorbida y transformada en radiación térmica, preferiblemente radiación alfa. La radiación beta puede emitir una radiación gamma/X considerable a través de la producción secundaria de radiación bremsstrahlung y por lo tanto requiere un blindaje pesado. Los soótopos no deben producir cantidades significativas de radiación gamma, neutrón o penetrante en general a través de otros modos de descomposición o productos de cadena descomposición.

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

El plutonio-238, el curio-244, el estroncio-90 y, en la actualidad, el americio-241 son los isótopos candidatos más citados, pero a principios de la década de 1950 se consideraron 43 isótopos más de aproximadamente 1300.

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 importancia ya que sus óxidos suelen ser lo suficientemente inertes (y pueden transformarse en cerámica aumentando aún más su estabilidad), pero para los metales alcalinos y los metales alcalinotérreos como el cesio o el estroncio, respectivamente, los compuestos químicos relativamente complejos (y pesados) tienen para ser utilizado. Por ejemplo, el estroncio se usa comúnmente como titanato de estroncio en 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 generalmente se fabrica específicamente mediante la irradiación de neutrones de neptunio-237, lo que aumenta aún más los costos. El cesio en los productos de fisión es casi partes iguales de Cs-135 y Cs-137, más cantidades significativas de Cs-133 estable y, en "jóvenes" combustible gastado, Cs-134 de vida corta. Si se quiere evitar la separación de isótopos, un proceso costoso y lento, 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 _térmico de megavatios. Sin embargo, para tales aplicaciones, los actínidos son menos adecuados que los radioisótopos más ligeros, ya que la masa crítica es de varios órdenes de magnitud por debajo de la masa necesaria para producir tales cantidades de energía. Dado que el Sr-90, el Cs-137 y otros radionúclidos 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 tales RTG a gran escala son más del dominio de pequeños reactores modulares, microrreactores o fuentes de energía no nucleares.

238Pu

El plutonio-238 tiene una vida media de 87,7 años, una densidad de potencia razonable de 0,57 vatios por gramo y niveles excepcionalmente bajos de radiación gamma y de neutrones. ²³⁸Pu tiene los requisitos de blindaje más bajos. Solo tres isótopos candidatos cumplen con el último criterio (no todos se enumeran arriba) y necesitan menos de 25 mm de blindaje de plomo para bloquear la radiación. ²³⁸Pu (el mejor de estos tres) necesita menos de 2,5 mm y, en muchos casos, no se necesita blindaje en un ²³⁸Pu RTG, ya que la carcasa en sí es adecuada. ²³⁸Pu se ha convertido en el combustible más utilizado para RTG, en forma de óxido de plutonio (IV) (PuO₂). Sin embargo, el óxido de plutonio (IV) que contiene una abundancia natural de oxígeno emite neutrones a una velocidad de ~2,3x10³ 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 ~2,8x10³ n/seg/g de plutonio-238. Estos neutrones son producidos por la fisión espontánea de 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 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 más baja para el óxido; esto se puede lograr mediante un método de intercambio de fase gaseosa ¹⁶O₂. Se usaron lotes de producción regulares de ²³⁸partículas de PuO₂ precipitadas como hidróxido para demostrar que los lotes de producción grandes podrían ser efectivamente ¹⁶O₂ -intercambiado de forma rutinaria. Las microesferas ²³⁸PuO₂ de alta potencia se intercambiaron ¹⁶O₂ con éxito, lo que demuestra que se producirá un intercambio independientemente del historial previo de tratamiento térmico del ²³⁸PuO₂. Esta reducción de la tasa de emisión de neutrones de PuO₂ que contiene oxígeno normal por un factor de cinco se descubrió durante la investigación del marcapasos cardíaco en Mound Laboratory en 1966, debido en parte a la experiencia del Mound Laboratory 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.

A diferencia de los otros tres isótopos discutidos en esta sección, ²³⁸Pu debe sintetizarse específicamente y no es abundante como producto de desecho nuclear. En la actualidad, 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. 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 escalamiento para producir un promedio de 1,5 kg (3,3 lb) por año para 2025.

90 años

La Unión Soviética ha utilizado el estroncio-90 en RTG terrestres. ⁹⁰Sr se desintegra por emisión β, con emisión γ menor. Si bien su vida media de 28,8 años es mucho más corta que la del ²³⁸Pu, también tiene una energía de descomposición más baja con una densidad de potencia de 0,46 vatios por gramo. Debido a que la producción de energía es menor, alcanza temperaturas más bajas que ²³⁸Pu, lo que resulta en una menor eficiencia RTG. ⁹⁰Sr tiene un alto rendimiento de productos de fisión en la fisión de ambos ²³⁵
U y ²³⁹
Pu y, por lo tanto, está disponible en grandes cantidades a un precio relativamente bajo si se extrae del combustible nuclear gastado. Como ⁹⁰
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 el titanato de estroncio de perovskita (SrTiO₃), 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 resistir algunas formas de liberación accidental de su protección sin una dispersión demasiado fina de polvo. La desventaja de usar SrTiO₃ en lugar del metal nativo es que su producción requiere energía. También reduce la densidad de potencia, ya que la parte de TiO₃ del material no produce ningún calor de descomposición. Partiendo del óxido o del metal nativo, una vía para obtener SrTiO₃ es dejar que se transforme en hidróxido de estroncio en solución acuosa, que absorbe el dióxido de carbono del aire para convertirse en carbonato de estroncio menos soluble. La reacción de 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 convertir en un agregado de tipo cerámico mediante sinterización.

210Po

Algunos prototipos de RTG, construidos por primera vez en 1958 por la Comisión de Energía Atómica de EE. UU., han utilizado polonio-210. Este isótopo proporciona una densidad de potencia fenomenal (²¹⁰Po puro emite 140 W/g) debido a su alta tasa de descomposición, pero tiene un uso limitado debido a su vida media muy corta de 138 días. Una muestra de medio gramo de ²¹⁰Po alcanza temperaturas de más de 500 °C (900 °F). Como el Po-210 es un emisor alfa puro y no emite una radiación gamma o de rayos X significativa, los requisitos de blindaje también son bajos para el Pu-238. Si bien la vida media corta 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 &# 34;objeto extraño". Una ruta común de producción (ya sea accidental o deliberada) es la irradiación de neutrones de ²⁰⁹
Bi, el único isótopo natural de bismuto. Es esta producción accidental la que se cita como argumento en contra del uso del 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 forma similar a cómo se recupera económicamente el tritio del moderador de agua pesada en los CANDU.

241 horas

El americio-241 es un isótopo candidato con una disponibilidad mucho mayor que el ²³⁸Pu. Aunque ²⁴¹Am tiene una vida media de 432 años, que es más que ²³⁸Pu e hipotéticamente podría alimentar un dispositivo durante siglos, las misiones con más de 10 años no están sujetas a la investigación hasta 2019. La densidad de potencia de ²⁴¹Am es solo 1/4 de la de ²³⁸Pu, y ²⁴¹Am produce una radiación más penetrante a través de productos de cadena de descomposición que ²³⁸Pu y necesita más protección. Sus requisitos de blindaje en un RTG son los terceros más bajos: solo ²³⁸Pu y ²¹⁰Po requieren menos. Con una escasez mundial actual de ²³⁸Pu, la ESA está estudiando ²⁴¹Am como combustible RTG y, en 2019, el Laboratorio Nuclear Nacional del Reino Unido anunció la generación de combustible utilizable. electricidad. Una ventaja sobre el ²³⁸Pu es que se produce como residuo nuclear y es casi isotópicamente puro. Los diseños prototipo de RTG ²⁴¹Am esperan 2-2,2 W_e/kg para el diseño de RTG de 5–50 W_e, pero las pruebas prácticas muestran que solo 1,3 Se puede lograr -1.9 W_e. El americio-241 se usa actualmente en pequeñas cantidades en detectores de humo domésticos y, por lo tanto, su manejo y propiedades son precedentes. Sin embargo, se descompone en neptunio-237, el actínido con mayor movilidad química.

250Cm

Curium-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 Plutonium-238, Curium-250 proporciona aproximadamente una cuarta parte de la densidad de potencia, pero 100 veces la vida media (~87 frente a ~9000). Como es un emisor de neutrones (más débil que el californio-252 pero no del todo insignificante), algunas aplicaciones requieren un mayor blindaje contra la radiación de neutrones. Dado que el plomo, que es un excelente material de protección contra los rayos gamma y el Bremsstrahlung inducido por rayos beta, no es un buen escudo de neutrones (en lugar de reflejar la mayoría de ellos), se debería agregar un material de protección diferente en aplicaciones donde los neutrones son una preocupación.

Duración de la vida

Los RTG soviéticos de 90Sr en estado desolado.

La mayoría de los RTG utilizan ²³⁸Pu, que se desintegra con una vida media de 87,7 años. Por lo tanto, los RTG que utilizan este material disminuirán en la 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 la producción, el material radiactivo dentro del 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 de Voyager son las propiedades degradantes de los termopares bimetálicos que se utilizan 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 potencia generada por los Voyager RTG se había reducido a 315 W para la Voyager 1 y a 319 W para la Voyager 2.

La NASA ha desarrollado un generador termoeléctrico de radioisótopos multimisión (MMRTG) en el que los termopares estarían hechos de skutterudite, un arseniuro de cobalto (CoAs₃), 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 usar el diseño en la próxima misión New Frontiers.

Seguridad

Diagrama de una pila de módulos de fuente de calor de propósito general utilizados en RTGs

Robo

Los materiales radiactivos contenidos en los RTG son peligrosos e incluso se pueden utilizar con fines maliciosos. Apenas 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 impulsadas por RTG utilizando estroncio-90 (⁹⁰Sr). Son muy fiables y proporcionan una fuente constante de energía. La mayoría no tiene protección, ni siquiera cercas o señales de advertencia, y la ubicación de algunas de estas instalaciones ya no se conoce debido a la falta de mantenimiento de registros. En un caso, un ladrón abrió los compartimentos radiactivos. En otro caso, tres leñadores en la región de Tsalendzhikha, Georgia, encontraron dos fuentes huérfanas RTG de cerámica a las que se les había quitado el blindaje; dos de los leñadores fueron hospitalizados más tarde con graves quemaduras por radiación después de llevar las fuentes a la espalda. Las unidades finalmente fueron recuperadas y aisladas. Hay aproximadamente 1.000 RTG de este tipo en Rusia, todos los cuales han excedido hace mucho tiempo su vida operativa diseñada de diez años. Es probable que la mayoría de estos RTG ya no funcionen y es posible que deban desmantelarse. Algunas de sus cubiertas metálicas han sido despojadas por cazadores de metales, a pesar del riesgo de contaminación radiactiva. 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 sucedió 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 malicioso suficientemente hábil químicamente podría extraer una especie volátil del material inerte y/o lograr un efecto similar de dispersión triturando físicamente la matriz inerte hasta convertirla en un polvo fino.

Contaminación radiactiva

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.

Para las naves espaciales, la principal preocupación es que si ocurriera un accidente durante el lanzamiento o un paso posterior de una nave espacial cerca de la Tierra, podría liberarse material nocivo a la atmósfera; por lo tanto, su uso en naves espaciales y en otros lugares ha suscitado controversia.

Sin embargo, este evento no se considera probable con los diseños actuales de barriles RTG. Por ejemplo, el estudio de impacto ambiental de la sonda Cassini-Huygens lanzado en 1997 estimó la probabilidad de accidentes por 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 1400; las posibilidades de una liberación más tarde en el ascenso a la órbita eran de 1 en 476; después de eso, la probabilidad de una liberación accidental se redujo drásticamente a menos de 1 en un millón. Si ocurriera un accidente que tuviera el potencial de causar contaminación durante las fases de lanzamiento (como que la nave espacial no pudiera alcanzar la órbita), la probabilidad de que los RTG realmente causaran contaminación se estimó en 1 en 10. El lanzamiento fue exitoso y Cassini–Huygens llegó a Saturno.

Para minimizar el riesgo de que se libere el material radiactivo, el combustible se almacena en unidades modulares individuales con su propio blindaje térmico. 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 una capa aerodinámica, diseñada para proteger todo el conjunto contra el calor del reingreso a la atmósfera terrestre. El combustible de plutonio también se almacena en forma de 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 y reactores nucleares. Una consecuencia de la vida media más corta es que el plutonio-238 es unas 275 veces más radiactivo que el plutonio-239 (es decir, 17,3 curies (640 GBq)/g en comparación con 0,063 curies (2,3 GBq)/g). Por ejemplo, 3,6 kg de plutonio-238 sufre 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, el plutonio-238 es unas 275 veces más tóxico por peso que el plutonio-239.

La radiación alfa emitida por cualquiera de los isótopos no penetrará en 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 se concentrará.

Un caso de irradiación relacionada con RTG es el accidente radiológico de Lia en Georgia, en diciembre de 2001. Se arrojaron núcleos RTG de estroncio 90, sin etiquetar y desmantelados de manera incorrecta, cerca de la represa Enguri construida por los soviéticos. Tres aldeanos del pueblo cercano de Lia [ka] sin saberlo, fueron expuestos 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 2 núcleos RTG restantes a partir de 2022.

Accidentes

Un SNAP-27 RTG desplegado por los astronautas del Apolo 14 idéntico al perdido en la reentrada del Apolo 13

Ha habido varios accidentes conocidos que involucran naves espaciales propulsadas por RTG:

1. Un fallo de lanzamiento el 21 de abril de 1964 en el que el satélite de navegación U.S. Transit-5BN-3 no logró la órbita y se quemó en la entrada al norte de Madagascar. El 17.000 Ci (630 TBq) combustible metálico de plutonio en su SNAP-9a RTG fue expulsado a la atmósfera sobre el hemisferio sur donde se quemó, y se detectaron rastros de plutonio-238 en la zona unos meses más tarde. Este incidente dio lugar a que el Comité de Seguridad de la NASA requiriera reingreso intacto en futuros lanzamientos de RTG, lo que a su vez repercutió en el diseño de RTGs en el gasoducto.
2. The Nimbus B-1 weather satellite, whose launch vehicle was deliberately destroyed shortly after launch on 21 May 1968 because of erratic trayectoriactory. Lanzado de la Base de la Fuerza Aérea de Vandenberg, su SNAP-19 RTG con dióxido de plutonio relativamente inerte fue recuperado intacto del fondo marino del Canal de Santa Barbara cinco meses después y no se detectó contaminación ambiental.
3. En 1969 el lanzamiento de la primera misión lunar Lunokhod rover falló, extendiendo el polonio 210 sobre una gran zona de Rusia.
4. El fracaso de la misión Apolo 13 en abril de 1970 significaba que el módulo lunar reingresó a la atmósfera llevando un RTG y se quemó sobre Fiji. Llevaba un SNAP-27 RTG que contenía 44,500 Ci (1,650 TBq) de dióxido de plutonio en una barrica de grafito en la pierna de lavanda que sobrevivía a la reentrada en la atmósfera de la Tierra intacta, como estaba diseñado para hacer, la trayectoria que se estaba arreglando para que se sumergiera en 6-9 kilómetros de agua en la trinchera de Tonga en el Océano Pacífico. La ausencia de contaminación de plutonio-238 en muestreo atmosférico y de agua marina confirmó la suposición de que la barrica está intacta en el fondo marino. Se espera que la carcasa contenga el combustible durante al menos 10 vidas medias (es decir, 870 años). El Departamento de Energía de EE.UU. ha realizado pruebas de agua de mar y determinado que la carcasa de grafito, que fue diseñada para soportar la reentrada, es estable y no debe producirse liberación de plutonio. Las investigaciones posteriores no han encontrado un aumento de la radiación de origen natural en la zona. El accidente de Apolo 13 representa un escenario extremo debido a las altas velocidades de reentrada de la nave que regresa del espacio cis-lunar (la región entre la atmósfera de la Tierra y la Luna). Este accidente ha servido para validar el diseño de RTGs de última generación como altamente seguro.
5. Mars 96 fue lanzado por Rusia en 1996, pero no dejó la órbita terrestre, y volvió a entrar en la atmósfera unas horas más tarde. Los dos RTG a bordo llevaron en total 200 g de plutonio y se supone que han sobrevivido a la reentrada como estaban diseñados para hacerlo. Se cree que ahora se encuentran en algún lugar del noreste, ovalado de 320 km de largo por 80 km de ancho, que se centra a 32 km al este de Iquique, Chile.

Un RTG, el SNAP-19C, se perdió cerca de la cima de la montaña Nanda Devi en India en 1965 cuando se almacenó en una formación rocosa cerca de la cima de la montaña frente a una tormenta de nieve antes de que pudiera instalarse para alimentar una estación automatizada remota de la CIA que recopila telemetría de las instalaciones de prueba de cohetes chinos. Las siete cápsulas 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, por lo que la aleación de plutonio y circonio ²³⁸combustible oxidó las partículas del suelo que se mueven en una columna debajo del glaciar.

Muchos 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 obtener chatarra (lo que resultó en la exposición completa de la fuente Sr-90), cayeron al océano o tienen un 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. 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 SrTiO₃ pasa a través del tracto digestivo de los humanos u otros animales sin cambios, pero el animal o el humano que lo ingiere aún recibiría una dosis de radiación significativa en el revestimiento intestinal sensible durante el paso. Degradación mecánica de "guijarros" o objetos más grandes 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 individual resulte en una dosis alta.