Qué es una pila nuclear : Funcionamiento y sus aplicaciones

A principios de 1950, se desarrolla una pila nuclear cuando la célula beta fue demostrada por primera vez por Henry Moseley. El campo recibió una amplia conciencia de investigación para aplicaciones que necesitan fuentes de energía con larga vida para los requisitos espaciales a lo largo de 1950 a 1960.

En general, las baterías químicas deben sustituirse con frecuencia y también son voluminosas. Del mismo modo, las células solares y el combustible también son caros y la energía solar necesita la energía solar correspondiente. Para superar esto, necesitamos una batería con características como un suministro de energía ligero, fiable, compacto y duradero, como la batería nuclear. Este artículo trata de una visión general de la pila nuclear.

¿Qué es una batería nuclear?

La batería nuclear puede definirse como un dispositivo que utiliza la energía eléctrica procedente de la descomposición de un isótopo radiactivo para producir electricidad. Por lo tanto, no hay pánico a las radiaciones nocivas. La vida útil de estas baterías es de hasta décadas y también es muy eficiente.

Batería nuclear

Similares a los reactores nucleares, producen energía eléctrica utilizando energía atómica, pero la diferencia es que no utilizan una reacción en cadena. Un nombre alternativo de la batería nuclear es batería de tritio, atómica y radioisotópica.

Principio de funcionamiento de la batería nuclear

La cantidad de energía utilizada por las baterías nucleares es increíble, ya que se genera de forma natural a través de pequeños trozos de material radiactivo sin que se produzca ninguna carga de fusión o fisión dentro de la batería. Estas baterías funcionan a través de ligeras películas radiactivas que fijan en energía que es superior a las baterías de iones de litio

Técnicas de conversión de la batería nuclear

Un material radioisotópico como una pila nuclear no es más que una desintegración en la que se utilizan las emisiones alfa y beta de este material para generar energía. La emisión de partículas alfa & beta proporciona la fuente principal de la batería.

Estas emisiones se establecen en el electrodo para desarrollar la disparidad de potencial para hacer fluir la corriente a través de la carga. Hay dos métodos para convertir esta radiación en descomposición en energía eléctrica funcional, como los siguientes

  • Convertidores térmicos
  • Convertidores no térmicos

Convertidores térmicos

En el método de conversión térmica, la potencia o/p es una tarea de la temperatura. Los convertidores térmicos se dividen a su vez en diferentes tipos, entre los que se encuentran los siguientes

Convertidor termoiónico

Un convertidor termoiónico incluye dos electrodos en los que uno de ellos emite electrones térmicamente cuando alcanza una temperatura elevada, mientras que el otro electrodo recibe estos electrones. Generalmente, hay un espacio entre los dos electrodos, pero a veces se rellena con vapor de cesio para aumentar la eficacia de los electrodos.

RTC (Generador Termoeléctrico Radioisotópico)

Este tipo de convertidor utiliza termopares para cambiar la energía de calor a electricidad. La formación de cada termopar puede hacerse utilizando dos hilos metálicos diferentes.

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El cambio en la temperatura a través de la longitud del cable genera un cambio en la tensión de un extremo del cable al otro. El RTC es un generador estacionario sin piezas giratorias. Se necesita sobre todo como fuente de energía para máquinas no tripuladas y servicios en lugares remotos.

Célula fotovoltaica térmica

Estos convertidores funcionan principalmente según el principio de una célula fotovoltaica, aparte de que convierten la luz IR generada a través de una superficie caliente en electricidad.

La eficiencia de las células FV es algo mayor en comparación con los pares termoeléctricos. Las emisiones como Alfa y Beta del isótopo se diseñan para que caigan sobre el emisor térmico del que se desprende la emisión IR y estas emisiones se hacen caer sobre la célula fotovoltaica térmica para producir electricidad.

AMTEC

AMTEC significa «convertidor térmico de metales alcalinos a eléctrico» y es un tipo de sistema electroquímico. Este sistema depende principalmente del electrolito utilizado en las baterías, como la beta-alúmina de sodio y el azufre de sodio. En el laboratorio, la eficiencia de las células AMTECH ha alcanzado el 16% y se espera que llegue al 20%.

Generador de radioisótopos Stirling

Un motor Stirling funciona por la diferencia de temperatura generada a través de un radioisótopo. Los nuevos avances han llevado a la formación de una versión más eficiente, a saber, un generador de radioisótopos Stirling avanzado.

Convertidores no térmicos

En el método de conversión no térmica, la potencia o/p no depende de la diferencia de temperatura.
Estos convertidores se clasifican en diferentes tipos que incluyen los siguientes

  • Generadores de carga directa
  • Betavoltaica
  • Alphavoltaics
  • Optoeléctrico
  • Baterías atómicas electromecánicas recíprocas

Generadores de carga directa

El generador primario incluye un condensador que se carga a través de las partículas cargadas de corriente de una capa radiactiva depositada en uno de los electrodos. El espacio entre los dos terminales de un condensador puede ser un dieléctrico o el vacío.

Betavoltaica

La betavoltaica genera corriente eléctrica utilizando la energía de una fuente radiactiva como el isótopo de hidrógeno conocido como tritio. Estos convertidores producen electricidad utilizando un método como la conversión no térmica.

Estos convertidores utilizan un semiconductor de unión PN para generar electricidad. Una vez que se da la emisión Beta al electrodo, se producen pares de electrones-huecos que hacen que aumente el potencial entre el electrodo y el flujo de corriente.

Alphavoltaics

Estas fuentes de energía utilizan un semiconductor de unión PN para producir energía eléctrica a partir de partículas alfa de alta energía. Funciona según el mismo principio de la betavoltaica, pero cambian como si utilizara un radioisótopo para emitir partículas alfa.

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Optoeléctrico

Un emisor beta como el tecnecio-99 excita una mezcla de excímeros y la luz influiría en una fotocélula. En este caso, no se requiere un montaje de electrodos exacto & la mayoría de las partículas del beta escaparán del material a granel ligeramente dividido para suministrar la energía neta de una batería. Cambia las emisiones hacia la luz & después la transforma en energía eléctrica

Baterías atómicas electromecánicas recíprocas

Estas baterías utilizan la acumulación de energía entre dos placas para arrastrar una placa flexible hacia la otra hasta que las dos placas se tocan, se descargan, se nivela la acumulación electrostática y vuelven a saltar.

El movimiento mecánico generado puede utilizarse para generar electricidad mediante un generador lineal o una flexión de material piezoeléctrico.

Construcción de baterías nucleares

Un equipo de investigación del MIPT desarrolló un método para mejorar la densidad de potencia 10 veces para una batería nuclear. Así, diseñaron una batería betavoltaica mediante níquel-63 como fuente de radiación y diodos de diamante basados en la barrera de Schottky para el cambio de energía.

Construcción de la batería nuclear
Construcción de una batería nuclear

A continuación se muestra la construcción de la batería nuclear prototipo. Esta batería alcanza 1 microvatio de potencia o/p, mientras que la densidad de potencia por cada centímetro cúbico era de 10 microvatios. Por tanto, esta potencia es suficiente para un marcapasos artificial actual.

El prototipo de la pila nuclear incluye 200 convertidores de diamante que se intercalan a través de capas de lámina de níquel-63 y níquel constante. La suma de la potencia producida a través del convertidor depende principalmente de la anchura de la lámina de níquel y del convertidor. En la actualidad, los prototipos de baterías nucleares están mal optimizados, ya que incluyen un volumen extremo.

Si la fuente de radiación beta es muy gruesa, los electrones emitidos por ésta no pueden huir de ella, lo que se denomina autoabsorción. Sin embargo, cuando la fuente se diseña para que sea delgada, entonces varios átomos pasan por la desintegración beta por cada unidad de tiempo se reduce proporcionalmente. El mismo principio se aplica al grosor del convertidor.

El objetivo principal de los investigadores era aumentar la densidad de potencia de la batería de níquel-63. Para conseguirlo, simularon numéricamente el camino de los electrones a través de la fuente beta y los convertidores.

Resultó que la fuente de níquel-63 es más eficaz cuando tiene una anchura de dos micrómetros, y la anchura óptima del convertidor en función de los diodos de diamante de barrera Schottky es de aproximadamente 10 micrómetros.

Ventajas

El ventajas de las pilas nucleares incluyen las siguientes.

  • Fiable
  • Menos peso con alta densidad de energía
  • La vida útil es de décadas
  • El efecto invernadero puede reducirse
  • La energía obtenida es máxima
  • La generación de residuos es menor
  • La viabilidad económica de la batería nuclear puede determinarse equilibrando los beneficios energéticos y las medidas de seguridad.
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Desventajas

El desventajas de las baterías nucleares incluyen las siguientes.

  • Cuando la batería está en fase experimental, el coste de producción es elevado
  • Los métodos de conversión de energía no están avanzados

Aplicaciones

El aplicaciones de las baterías nucleares incluyen las siguientes.

Batería nuclear para coches

Las baterías nucleares se utilizan en fuentes desatendidas que deben funcionar durante mucho tiempo. El mejor ejemplo de baterías atómicas son los sistemas submarinos, las naves espaciales, los marcapasos, etc. El uso de las baterías nucleares en los automóviles está en proceso en la etapa inicial, pero incluye muchos beneficios. El uso de este tipo de baterías en los coches está restringido por varias razones como las siguientes.

  • Tecnología en desarrollo
  • En comparación con otras baterías, genera más calor
  • Caro
  • Pueden producirse problemas ecológicos y de salud debido a la sustancia radiactiva

Marcapasos de batería nuclear

En general, el marcapasos se utiliza principalmente para estimular un latido normal del corazón cuando el sistema de estimulación eléctrica natural del cuerpo no es regular. Desde hace muchos años, los marcapasos utilizan diferentes fuentes de energía como el plutonio-238 (material radiactivo).

Pero si queremos averiguar si el marcapasos es de energía no nuclear o nuclear, se utilizan diferentes indicadores en el marcapasos. Tenemos que fijarnos en las marcas del cuerpo como «Nuclear/Curies» para descubrir el material radiactivo. Por tanto, si la pila no tiene ninguna de estas marcas, se dice que el marcapasos es no nuclear y sólo incluye una pila de base química.

Los marcapasos con energía nuclear fueron diseñados por varias empresas como ARCO, Medtronic, Gulf General Atomic, American Optical, Cordis, Biocontrol Technology & Medical Devices

Las baterías nucleares se utilizan en diferentes aplicaciones como fuente de energía debido a su mayor fiabilidad, alta densidad de energía y larga vida útil.

  • Se utilizan ampliamente en aplicaciones militares, espaciales, médicas y submarinas.
  • Marcapasos
  • Nave espacial
  • Sistemas subacuáticos
  • Estaciones científicas automatizadas en zonas remotas
  • Aplicaciones militares y médicas

Por lo tanto, se trata de una visión general de una pila nuclear o pila atómica y su funcionamiento. Anteriormente ya conocíamos el concepto de energía nuclear, pero no las baterías nucleares. Las baterías nucleares están más cerca de las centrales nucleares en comparación con las baterías convencionales. Estas baterías utilizan la radiactividad para producir energía en lugar de almacenarla. En comparación con las baterías químicas, éstas se dividen por su alta densidad de energía volumétrica y su resistencia es mayor en circunstancias adversas.

Estos dispositivos son la fuente de electricidad más duradera. Todavía se está estudiando la posibilidad de utilizar baterías nucleares en los automóviles. He aquí una pregunta para ti, ¿qué es la energía nuclear?

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