Xerador termoeléctrico de radioisótopos

[miniatura|Diagrama dun dos RTG usados na misión [Cassini-Huygens.]]
Un **xerador termoeléctrico de radioisótopos** ou **RTG** polas súas siglas en inglés (*Radioisotope thermoelectric generator*) é un tipo de batería nuclear que usa un conxunto de termopares para converter o calor procedente do decaemento dun material radioactivo en electricidade mediante o efecto Seebeck. Este tipo de xerador non ten partes móbiles e non necesita enerxía solar, polo que son ideais para producir enerxía en lugares afastados durante longos períodos de tempo. Ao non ter partes móbiles redúcese tamén o risco de avaría.

Os RTG son a fonte de enerxía máis adecuada para situacións onde non pode haber mantemento e se necesitan só uns poucos centos de vatios de potencia para duracións demasiado longas como para usar células de combustible, baterías ou xeradores e en lugares onde as células solares non son prácticas. Os RTG usáronse como fonte de enerxía en satélites, sondas espaciais e instalacións non habitadas como algúns faros construídos pola Unión Soviética no círculo ártico.

O uso seguro dos RTG implica a contención dos radioisótopos despois do tempo de vida útil do xerador. O alto custo dos RTG fai que se usen só en aplicacións moi concretas ou especiais.

## Historia 
[thumb|300px|Unha cápsula de [Plutonio 238|238PuO2 como as usadas nos RTG das naves Cassini e Galileo. A foto foi tomada despois de illar a cápsula baixo unha manta de grafito durante varios minutos e despois retirala. A cápsula resplandece cun tono vermello debido ao calor xerado polo decaemento radioactivo. Ao principio da súa vida producía 62 W.]]

O RTG foi inventado en 1954 nos laboratorios Mound polos científicos Kenneth C. Jordan e John Birden. Jordan e Birden traballaron baixo un contrato do Corpo de Sinalización do Exército que deu comezo o 1 de xaneiro de 1957 para levar a cabo unha investigación sobre materiais radioactivos e termopares que puideran xerar electricidade a partir do calor usando polonio 210 como fonte. Máis tarde os RTG foron desenvolvidos polos mesmos laboratorios baixo un contrato coa Comisión da Enerxía Atómica dos Estados Unidos nun proxecto liderado polo doutor Bertram C. Blanke.

O primeiro RTG lanzado ao espazo polos Estados Unidos foi o SNAP 3B en 1961, alimentado por 96 gramos de plutonio 238, a bordo do satélite Transit 4A. Un dos primeiros usos terrestres dun RTG tivo lugar en 1966 pola armada dos Estados Unidos en Fairway Rock, un lugar deshabitado de Alasca onde se usaron RTGs ata 1995.

Unha aplicación habitual dos RTG é a produción de enerxía en naves espaciais. As unidades de Sistemas para Enerxía Nuclear Auxiliar (*SNAP* en inglés) foron usadas en sondas que viaxan lonxe do Sol, onde os paneis solares non proporcionan enerxía suficiente. Foron usadas nas sondas Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini, New Horizons e no rover Mars Science Laboratory. Foron usados tamén nos dous aterrizadores marcianos do programa Viking e nos experimentos científicos deixados na superficie lunar polas misións do proxecto Apollo. Os RTG tamén tiveron uso en órbita terrestre nos satélites meteorolóxicos Nimbus, nos Transit e nos LES. En comparación, so uns poucos satélites levaron a bordo reactores nucleares auténticos, en concreto os soviéticos US-A e o estadounidense SNAP-10A.

Ademais de en naves espaciais, a Unión Soviética construíu 1007 RTG para alimentar faros non habitados en balizas de navegación na costa ártica a finais dos anos 1980. Na Unión Soviética construironse diferentes tipos de RTG para diferentes propósitos. Os faros deixaron de manterse durante anos despois da caída da Unión Soviética. Algunhas unidades desapareceron tanto debido a saqueos como á acción da propia natureza.

Ata 1992 a Forza Aérea dos Estados Unidos tamén usaba RTGs en equipamento situado en localizacións remotas no ártico e o goberno usou centos de unidades para alimentar estacións remotas por todo o mundo. En Alasca, estacións con sensores para radares de longo alcance usan RTGs con estroncio 90, a gran número de unidades semellantes foron despregadas nos fondos mariños.

No pasado usáronse pequenas "células de plutonio" (RTGs moi pequenos con plutonio 238) en marcapasos para asegurar unha vida longa á batería.  Cando se descubriu que a fonte de calor non permanecía intacta durante a cremación, en 1972, o programa cancelouse ao non haber garantías de que as unidades non fosen ser cremadas cos corpos dos seus usuarios.

## Deseño 
O deseño dun RTG é sinxelo para os estándarse da tecnoloxía nuclear: o compoñente principal é un contedor de material radioactivo (o *combustible*). Nas paredes do contedor situánse termopares co extremo exterior do termopar conectado a un sumideiro de calor. O decaemento radioactivo do combustible produce calor, e a diferenza de temperatura entre o combustible e a fonte de calor permite aos termopares xerar electricidade.

Un termopar é un dispositivo termoeléctrico que converte enerxía térmica directamente en enerxía eléctrica usando o efecto Seebeck. Está feito de dous tipos de metais ou semiconductores. Se se conectan un ao outro nun bucle pechado e as dúas unións están a temperaturas distintas establécese un fluxo de electricidade no bucle. Os termopares soen conectarse en serie para xerar unha maior voltaxe.

Os RTGs e os reactores de fisión usan reaccións nucleares moi distintas. Os reactores nucleares producen a fisión controlada de material nuclear nunha reacción en cadea que produce grandes cantidades de enerxía, mentres que nos RTGs a calor prodúcese polo decaemento radioactivo espontáneo de maneira non controlada e sempre decrecente a medida que o material sofre reaccións de decaemento, segundo a súa cantidade inicial e a súa vida media. Nun RTG non se pode variar a cantidade de calor xerada polo material radioactivo nin se pode apagar para acendelo máis adiante, polo que para satisfacer a demanda de picos de enerxía en momentos dados é necesario un sistema de enerxía auxiliar (como baterías recargables) e ademais é necesario un sistema de refrixeración en todo momento. Aínda que nun RTG non pode ter lugar unha fusión do material si segue existindo o risco de contaminación radioactiva se o contedor se rompe ou degrada.

## Desenvolvementos 
Debido á escaseza de plutonio 238 propúxose un novo tipo de RTG asistido por reaccións subcríticas. Neste tipo de RTG, o decaemento alfa do radioisótopo úsase tamén en reaccións neutrón-alfa cun elemento adecuado como o berilio, producindo así unha fonte de neutróns de longa vida. Dado que o sistema traballa cunha criticidade próxima pero inferior a 1, acádase unha multiplicación subcrítica que incrementa o fondo de neutróns e produce enerxía por reaccións de fisión. Aínda que o número de fisións producidas no RTG é moi pequeno (o que fai que a cantidade de radiación gamma sexa desprezable), ao producir cada reacción de fisión 30 veces máis enerxía que cada decaemento alfa (200&nbsp;MeV contra 6&nbsp;MeV) pódese gañar ata un 10% máis de enerxía, ou equivalentemente pódese usar menos plutonio 238 para obter o mesmo rendemento que nun RTG tradicional. A idea foi proposta á NASA en 2012 na competición anual NASA NSPIRE, chegándose a facer estudos de viabilidade en 2013.

Propúxose o uso de RTG en precursoras de misións interestelares e nunha sonda interestelar. En 2002 propúxose un RTG que use americio 241 para este tipo de misión. Cun RTG así poderían ter lugar misións interestelares de máis de 1000 anos de duración debido ao decaemento máis lento do americio comparado co plutonio. No estudo examináronse outros isótopos tendo en conta diferentes parámetros. A electricidade xerada polos RTGs pode usarse para alimentar instrumentos científicos e para a comunicación coa Terra. Unha misión propuxo utilizar a electricidade para alimentar motores iónicos. Segundo os autores se poderían chegar a aumentos dun 10% na xeración de enerxía usando fontes beta.

## Modelos 
Un RTG típico está alimentado polo decaemento radioactivo e produce electricidade mediante conversión termoeléctrica, pero se inclúen neste apartado algúns sistemas con variacións sobre o concepto básico.

### Espaciais 
Sistemas de enerxía coñecidos en naves espaciais e outros dispositivos e o seu destino, que pode ser variado, como por exemplo o SNAP-27 das misións Apollo que foron deixados sobre a Lúa. Outras naves levaban pequenos quentador de radioisótopos, por exemplo os Mars Exploration Rovers levaban un quentador de radioisótopos de 1 W de potencia. As naves usan diferentes cantidades de material, como por exemplo o rover Curiosity, cos seus 4,8&nbsp;kg de dióxido de plutonio 238.

Non era realmente un RTG, o BES-5 Buk (БЭС-5) era un reactor rápido que usaba termopares baseados en semicondutores para converter calor directamente en electricidade.

Non era realmente un RTG, o SNAP-10A usaba combustible de uranio enriquecido, hidruro de circonio como moderador, unha aliaxe de sodio e potasio líquidos como refrixerante e era activado ou desactivado con reflectores de berilio. A calor do reactor alimentaba un sistema de conversión termoeléctrico para producir electricidade.

Os candidatos citados habitualmente son o plutonio 238, o curio 244, o estroncio 90 e o americio 241, pero a comezos dos anos 1950 tíñanse en conta ata 43 isótopos máis dos aproximadamente 1300 dispoñibles. e uns niveis de radión gamma e neutrónica excepcionalmente baixos. Só outros tres isótopos candidatos cumpren o último criterio (non todos se listan enriba) e necesitan menos de 25&nbsp;mm de blindaxe de chumbo para bloquear a radiación. 238Pu (o mellor dos tres) necesita menos de 2,5&nbsp;mm e, en moitos casos, nin siquera é necesaria blindaxe, bastando o propio contedor do combustible. 238Pu é o combustible máis habitual para RTGs na forma de óxido de plutonio, aínda que este, pola presenza de oxíxeno, emite máis neutróns que a forma puramente metálica.

A diferencia dos outros tres isótopos discutidos nesta sección, o 238Pu debe crearse de maneira específica e non é abundante nos residuos nucleares.

### 90Sr 
O estroncio 90 usouse pola Unión Soviética en RTGs terrestres. O 90Sr decae por emisións beta, cunha pequena emisión gamma. Ten unha vida media de 28,8 anos, menor que a do 238Pu, pero tamén ten unha enerxía de decaemento menor, cunha densidade de 0,46 W por gramo. Dado que o estroncio 90 é un metal alcalinotérreo moi reactivo e que se asimila no tecido óseo pola súa similitude co calcio, normalmente non se emprega na súa forma pura nos RTGs. A forma máis común de usalo é en forma de titanato de estroncio (SrTiO3), unha perovskita quimicamente inerte cun elevado punto de fusión. A súa dureza (5,5 na escala de Mohs) é suficiente para que soporte liberacións accidentais do seu contedor sen que se disperse en exceso como po. A desventaxa de usalo como titanato é que a súa produción require enerxía e ademais nesta forma a súa densidade de potencia é inferior á forma nativa.

### 210Po 
Algúns prototipos de RTGs, o primeiro deles construído en 1958 pola Comisión da Enerxía Atómica dos Estados Unidos, usaban polonio 210. Este isótopo ten unha densidade de potencia enorme (140&nbsp;W/g) grazas á súa elevada taxa de decaemento, pero ten un uso limitado debido á súa curta vida media, de só 138 días. Medio gramo de 210Po chega a temperaturas de máis de 500 °C. Ao ser un emisor case puro de radiación alfa e apenas emitir radiación gamma ou X, os requisitos para a blindaxe son tan baixos como no plutonio 238. A pesar de que a súa curta vida media reduce o tempo no que unha vertedura accidental é un problema, tamén é extremadamente radiotóxico se se inxire e pode causar danos serios incluso en formas quimicamene inertes.

### 241Am 
O americio 241 é un isótopo candidato moito máis dispoñible que o plutonio 238. Aínda que a vida media do 241Am é de 432 anos (bastante maior que a do 238Pu) e podería potencialmente alimentar un dispositivo durante séculos, ata 2019 non se fixeran investigacións sobre misións de máis de 10 anos de duración. A densidade de potencia do 241Am é só de 1/4 da do 238Pu, e o 241Am produce máis radiación penetrante a través dos produtos da cadea de deaemento que o plutonio e necesita por tanto máis blindaxe, aínda que os seus requirimentos de blindaxe son só os terceiros máis baixos: só o plutonio e o polonio necesitan menos. Unha vantaxe sobre o plutonio 238 é que prodúcese como residuo nuclear e é case isotopicamente puro. O americio 241 úsase en pequenas cantidades en detectores de fume domésticos e o seu manexo e propiedades son ben comprendidas. Porén, decae a neptunio 237, a substancia máis móbil quimicamente entre os actinidos.

### 250Cm 
O curio 250 é o isótopo transuránido máis pequeno que decae por fisión espontánea, un proceso que libera moitas veces máis enerxía que o decaemento alfa. Comparado co plutonio 238, o curio 250 da arredor dun cuarto da densidade de potencia pero ten 100 veces a súa vida media (uns 8300 anos contra 87 anos). Ao ser un emisor de neutróns, algunhas das súas aplicacións necesitan blindaxe contra a radiación de neutróns. Debido a que o chumbo non é unha boa blindaxe contra os neutróns habería que utilizar outro tipo de material.

## Vida útil 
thumb|RTG soviético alimentado con estroncio 90 en estado ruinoso.
A maior parte dos RTG usa 238Pu, que decae cunha vida media de 87,7 anos. Os RTGS que usan este material disminúen por tanto a súa potencia un 0,787% cada ano.

Un exemplo son os RTG usados polas sondas Voyager. No ano 2000, 23 anos despois da súa produción, o material radioactivo dentro do RTG disminuira en potencia nun 16,6%, ou sexa, proporcionando o 83,4% da súa potencia inicial. Ao principio xeraban 470&nbsp;W de potencia e despois de 23 anos xeraban 392&nbsp;W. Prodúcese ademais unha perda adicional de potencia relacionada coa degradación das propiedades dos termorapes bimetálicos usados para converter a enerxía térmica en eléctrica, polo que realmente os RTGs estaban traballando a un 67% da súa potencia inicial en vez do 83,4%. A principios de 2001 a potencia caera a 315&nbsp;W para Voyager 1 e 319&nbsp;W para Voyager 2.

A NASA desenvolveu un tipo de RTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, MMRTG) no que os termopares están feitos de escuterudita, un arseniuro de cobalto (CoAs3) que pode funcionar cunha diferenza de temperatura inferior á dos deseños actuais baseados en telurio. Isto implica que, baixo as mesmas condicións, pode xerar un 25% máis de potencia ao comezo da misión e polo menos un 50% máis despois de 17 anos.

## Seguridade 
miniatura|Diagrama dunha pila de módulos para fontes de calor de propósito xeral tal como se usan nos RTGs.
Os materiais radioactivos contidos nos RTGs son perigosos e poden incluso usarse con fins maliciosos. Apenas son útiles para montar unha arma nuclear auténtica pero siguen podendo servir para construír unha bomba sucia. A Unión Soviética construíu moitos faros e balizas de navegación non habitados alimentados por RTGs con estroncio 90. A maioría non estaban protexidos de ningún xeito, sen vallas nin carteis de perigo, e a localización dalgúns é descoñecida debido a un pobre mantemento do rexistro da situación das instalacións. Polo menos nun deles os compartimentos radioactivos estaban abertos debido á acción dos ladróns. Hai uns 1000 RTGs semellantes en Rusia, con todos superando a esperanza de vida para a que foron deseñados. A maioría xa non funciona e deben ser desmantelados. Algúns dos contedores foron roubados por buscadores de metal a pesar dos riscos de contaminación radioactiva. A transformación do material radioactivo a unha forma inerte reduce o perigo por roubo para quen non estea sobre aviso do risco de radioactividade. Porén, persoas maliciosas coa suficiente habilidade en química poderían extraer sustancias volátiles do material inerte e dispersalo tras dividilo finamente.

### Contaminación radioactiva 
Os RTGs supoñen risco de contaminación radioactiva se o contedor do material radioactivo sofre perdas e entra en contacto co medio ambiente.

Para naves espaciais, a preocupación principal é que o accidente ocorra durante o lanzamento ou durante o paso dunha nave con RTGs preto da Terra, podendo verterse o material radioactivo á atmosfera.

De todos xeitos un suceso así considérase improbable grazas aos deseños dos RTGs actuais. Por exemplo, o estudo medioambiental para o lanzamento da misión Cassini-Huygens en 1997 estimaba a probabilidade de sufrir accidentes con contaminación en varias etapas da misión. A probabilidade dun accidente causante dun vertido radioactivo dalgún dos seus RTGs durante os 3,5 minutos seguintes ao lanzamento estimouse en 1 entre 1400, as probabilidades dun vertido durante a fase de ascenso posterior, en 1 entre 476, e máis adiante na misión, de 1 entre un millón. Un accidente co potencial de causar calquera contaminación durante o lanzamento (como a nave sendo incapaz de chegar á órbita) implicaría contaminación causada por RTGs cunha probabilidade de 1 entre 10. Finalmente Cassini-Huygens foi lanzada e chegou a Saturno.

Para minimizar o risco de liberación de material radioactivo o combustible almacénase en unidades modulares individuales coa súa propia blindaxe térmica. Van rodeados por unha capa de iridio e encaixados en bloques de grafito de alta resistencia. Estes dous materiais son resistentes á calor e á corrosión. Os bloques de grafito están rodeados por un aeroescudo para protexer toda a estrutura contra a calor xerada no caso dunha reentrada atmosférica. O plutonio ademais vai almacenado en forma cerámica para proporcionar resistencia á calor, minimizando o risco de vaporización e dispersión, coa vantaxe engadida de que a cerámica é altamente insoluble.

O plutonio 238 usado nos RTGs ten unha vida media de 87,74 anos, a diferenza dos 24&nbsp;110 anos de vida media do plutonio 239 usado nas armas nucleares e nos reactores nucleares. Unha consecuencia da vida media máis curta é que o plutonio 238 é unhas 275 veces máis radioactivo que o plutonio 239. Por exemplo, 3,6 kg de plutonio 238 sofre o mesmo número de decaementos radioactivos por segundo que unha tonelada de plutonio 239. Dado que a morbilidade dos dous isótopos en termos de radioactividade absorbida é practicamente a mesma, o plutonio 238 é unhas 275 veces máis tóxico por peso que o plutonio 239.

A radiación alfa emitida por ambos isótopos non é capaz de penetrar a pel, pero pode irradiar órganos internos se o plutonio é inhalado ou inxerido. De especial risco son o esqueleto, cuxa superficie absorbe o isótopo con facilidade, e o fígado, onde o isótopo acaba concentrado.

### Accidentes 
[miniatura|Un RTG [Systems Nuclear Auxiliary Power Program|SNAP-27 despregado polos astronautas da misión Apollo 14, idéntico ao perdido na reentrada do Apollo 13.]]

Ten habido varios accidentes coñecidos relacionados con naves espaciais e os seus RTGs:

#O lanzamento fallado o 21 de abril de 1964 do satélite de navegación Transit-5BN-3, que non chegou a órbita e reentrou ao norte de Madagascar. O combustible de plutonio no seu RTG SNAP-9A foi exectado á atmosfera no hemisferio sur, onde se queimou. Detectáronse trazas de plutonio 238 varios meses máis tarde. Este incidente tivo como consecuencia que o Comité de Seguridade da NASA requerira que a posible reentrada en futuros lanzamentos con RTGs a bordo mantivese intacto o combustible, o que provocou cambios nos deseños dos seguintes RTGs.
#O satélite meteorolóxico Nimbus B-1, cuxo lanzador foi destruído a propósito pouco despois do lanzamento, o 21 de maio de 1968, debido a unha traxectoria errática. Foi lanzado desde a base Vandenberg da Forza Aérea e o seu RTG SNAP-19, alimentado con dióxido de plutonio relativamente inerte, foi recuperado intacto do fondo mariño no canal de Santa Bárbara cinco meses máis tarde. Non se rexistrou contaminación medioambiental e o dióxido de plutonio foi reutilizado.
#En 1969 fallou o primeiro lanzamento dun rover lunar Lunokhod, esparexendo polonio 210 sobre unha gran área de Rusia.
#O accidente da misión Apollo 13 en abril de 1970 implicou que o módulo lunar reentrada na atmosfera levando a bordo un RTG, queimándose sobre Fiji. Levaba un RTG SNAP-27 con  de dióxido de plutonio nun barrel de grafito nunha das patas de aterraxe que sobreviviu intacto á reentrada atmosférica, acorde ao seu deseño, e que rematou no fondo da foxa de Tonga, no océano Pacífico. Mostras de auga e aire recollidas na zona do impacto non mostraron sinais de contaminación. Espérase que o barrel conteña o combustible polo menos dez vidas medias, é dicir, 870 anos. Medicións posteriores non detectaron un aumento da radioactividade na zona. O accidente do Apollo 13 é un escenario extremo debido ás enormes velocidades de regreso desde o espazo cislunar. O accidente servíu para validar a seguridade do deseño dos RTGs de última xeración.
#Mars 96 foi lanzada por Rusia en 1996 pero non chegou a abandonar a órbita terrestre, reentrando na atmosfera unhas horas máis tarde. Os dous RTGs de a bordo levaban un total de 2 kg de plutonio e asúmese que sobreviviron á reentrada ao estar deseñados para iso.

Un RTG, o SNAP-19C, perdeuse preto do cumio da montaña Nanda Devi, en India, en 1965 mentres era gardado nunha formación rochosa prevendo unha tormenta de neve antes de que puidera ser instalado para alimentar unha estación da CIA para espiar a telemetría dunha instalación de probas de foguetes da China. As sete cápsulas foron arrastradas montaña abaixo por unha avalancha e nunca foron recuperadas. O máis probable é que fundiran o xeo e acabaran pulverizadas, dispersando o seu contido, unha aliaxe de circonio de plutonio.

Moitos dos RTG Beta-M da Unión Soviética pasaron a ser *fontes orfas* de radiación ao serlles quitados os contedores e deixar exposta a fonte de radiación. Varias unidades caeron ao fondo do océano ou teñen unha blindaxe deficiente, por defecto ou debido a danos físicos, coa preocupación engadida de que poidan ser usados para construír bombas sucias. Porén, o titanato de estroncio usado como combustible é resistente á degradación medioambiental e non pode ser fundido ou disolto en auga, polo que a bioacumulación é improbable ao pasar polo tracto dixestivo dos animais e dos humanos sen cambios, aínda que a súa inxesta causaría danos por radiación significativos durante o seu tránsito. Máis probable é a degradación mecánica ata un po fino que poida dispersarse en áreas extensas, aínda que isto tamén reduciría o risco de que unha única exposición proporcione unha gran dose.

## Notas 
## Véxase tamén 
### Outros artigos 
*Cassini-Huygens
*Pioneer 10
*Pioneer 11
*Voyager 1
*Voyager 2
*Ulysses
*New Horizons
*Mars Science Laboratory

### Ligazóns externas 
* Sitio da NASA para os RTG
* NASA Presentación do JPL
* SpaceViews: The *Cassini* RTG Debate
* Xerador Stirling de Radioisótopos
* Contribucións do Departamento de Defensa