La batería atómica en el mundo moderno

La ciencia está en constante progreso y desarrollo. Ya se ha inventado una batería nuclear. Esta fuente de energía puede durar hasta 50, y a veces hasta 100 años. Todo depende del tamaño y de la sustancia radiactiva utilizada.

Rosatom fue la primera en anunciar la producción de una batería nuclear. En 2017, la empresa presentó un prototipo en una exposición.

Los investigadores han conseguido optimizar las capas de una batería nuclear que utiliza la desintegración beta del isótopo níquel-63 para generar electricidad.

1 gramo de esta sustancia contiene 3300 milivatios hora.

Cómo funciona una batería atómica

Una batería atómica, también conocida como generador de calor de radioisótopos (RIHG), es una fuente de energía que utiliza el proceso de desintegración de isótopos radiactivos para generar calor y, a su vez, convertirlo en energía eléctrica.

El principio de funcionamiento de una batería atómica se basa en la desintegración radiactiva, en la cual los núcleos atómicos se desintegran, emitiendo partículas y energía. Uno de los materiales más comunes en las baterías atómicas es el plutonio-238, que tiene una larga vida media. El plutonio-238 se desintegra en uranio-234, emitiendo partículas alfa. Estas partículas contienen alta energía, que se convierte en calor al interactuar con el entorno.

La generación de calor es un paso clave en el funcionamiento de una batería atómica. El calor se transfiere a través de un intercambiador de calor a un convertidor termoeléctrico. Este convertidor contiene materiales capaces de generar corriente eléctrica al someterse a una diferencia de temperatura. Así, el calor procedente de la desintegración radiactiva del plutonio-238 se transfiere a un lado del convertidor termoeléctrico, creando una diferencia de temperatura entre ambos. Esta diferencia de temperatura permite la generación de energía eléctrica mediante el efecto termoeléctrico Seebeck.

La energía eléctrica generada por un convertidor termoeléctrico se utiliza para alimentar dispositivos eléctricos. La principal ventaja de las baterías atómicas es que proporcionan una fuente de energía estable y duradera, que no requiere reemplazo ni recarga durante muchos años. Sin embargo, debido al uso de materiales radiactivos, las baterías atómicas conllevan ciertos riesgos y requieren precauciones de seguridad especiales durante su uso y manipulación.

 

¿Son peligrosas las baterías nucleares?

Los desarrolladores afirman que estas baterías son completamente seguras para el usuario común, gracias al excelente diseño de su carcasa.

Se sabe que la radiación beta es dañina para el cuerpo. Sin embargo, en la nueva batería nuclear, es suave y será absorbida dentro de la celda de energía.

En la actualidad, los expertos identifican varias industrias en las que se planea utilizar la batería nuclear rusa A123:

1. Medicamento.
2. Industria espacial.
3. Industria.
4. Transporte.

Además de en estos ámbitos, también se podrán utilizar nuevas fuentes de energía de larga duración en otros.

Ventajas de una batería nuclear

Se destacan una serie de cualidades positivas:

• Durabilidad. Pueden durar hasta 100.000 años.
• Capacidad de soportar temperaturas críticas.
• Su reducido tamaño permite hacerlos portátiles y utilizarlos en equipos compactos.

Desventajas de una batería nuclear

• Complejidad de la producción.
• Existe riesgo de exposición a la radiación, especialmente si la carcasa está dañada.
• Caro. Una sola batería nuclear puede costar entre 500.000 y 4.500.000 rublos.
• Disponible para un círculo limitado de personas.
• Pequeña selección.

La investigación y el desarrollo de baterías nucleares son una actividad que realizan no solo grandes empresas, sino también estudiantes comunes. Un estudiante de Tomsk, por ejemplo, ha desarrollado su propia batería nuclear que puede funcionar durante aproximadamente 12 años sin recarga. La invención se basa en la desintegración del tritio. Las características de esta batería se mantienen inalteradas con el tiempo.

Batería nuclear para teléfonos inteligentes

Desde 2019, se están produciendo fuentes de energía nuclear para teléfonos. Se parecen a la que se muestra en la imagen de abajo.

Se asemejan a un microchip que se inserta en ranuras especiales de un teléfono celular. Una batería de este tipo puede durar 20 años, sin necesidad de recargarla durante ese tiempo. Esto es posible gracias al proceso de fisión nuclear. Sin embargo, esta fuente de energía puede resultar alarmante para muchos. Al fin y al cabo, todos sabemos que la radiación es dañina y perjudicial para el cuerpo. Y pocas personas disfrutarían llevando un teléfono así todo el día.

Pero los científicos afirman que esta batería nuclear es completamente segura. El tritio se utiliza como sustancia activa. La radiación emitida durante su desintegración es inocua. Se puede ver el tritio en acción en un reloj de cuarzo que brilla en la oscuridad. La batería puede soportar temperaturas de hasta -50 °C y funciona de forma fiable a temperaturas de hasta 150 °C.⁰Al mismo tiempo no se observaron fluctuaciones en su trabajo.

Sería bueno tener una batería de este tipo a mano, al menos para recargar el teléfono con una batería normal.

El voltaje de una batería de este tipo fluctúa entre 0,8 y 2,4 voltios. Además, genera entre 50 y 300 nanoamperios. Y todo esto ocurre durante un período de 20 años.

La capacidad se calcula de la siguiente manera: C = 0,000001W * 50 años * 365 días * 24 horas / 2V = 219mA

La batería está valorada actualmente en 1122 dólares. Convertida a rublos al tipo de cambio actual (65,42), serían 73 400 rublos.

¿Dónde se utilizan las baterías nucleares?

Su ámbito de aplicación es prácticamente el mismo que el de las baterías convencionales. Se utilizan en:

• Microelectrónica.
• Sensores de presión y temperatura.
• Implantes.
• Como bancos de energía para baterías de litio.
• Sistemas de identificación.
• Horas.
• Memoria SRAM.
• Para alimentar procesadores de bajo consumo, como FPGA, ASIC.

Estos no son los únicos dispositivos; su lista se ampliará significativamente en el futuro.

Batería nuclear de níquel-63 y sus características

Esta fuente de energía nuclear, basada en el isótopo 63, puede durar hasta 50 años. Funciona mediante el efecto beta-voltaico. Es casi idéntico al efecto fotoeléctrico. En este efecto, los pares electrón-hueco en la red cristalina del semiconductor se crean por la acción de electrones rápidos o partículas beta. En el efecto fotoeléctrico, se crean por la acción de fotones.

Una batería atómica de níquel-63 se produce irradiando blancos de níquel-62 en un reactor. El investigador Gavrilov afirma que este proceso tarda aproximadamente un año. Los blancos necesarios ya están disponibles en Zheleznogorsk.

Si comparamos las nuevas baterías nucleares rusas de níquel-63 con las baterías de iones de litio, serán 30 veces más pequeñas.

Los expertos afirman que estas fuentes de energía son seguras para los humanos porque emiten rayos beta débiles. Además, no se liberan al exterior, sino que permanecen dentro del dispositivo.

Esta fuente de energía es actualmente ideal para marcapasos médicos. Sin embargo, los desarrolladores no han revelado su costo. No obstante, se puede calcular sin ellos. Un gramo de Ni-63 cuesta actualmente aproximadamente $4,000. Por lo tanto, una batería completamente funcional requeriría una inversión considerable.

Composición de una batería nuclear

El níquel-63 se extrae de los diamantes. Sin embargo, la obtención de este isótopo requirió el desarrollo de una nueva tecnología para el corte de este resistente material.

Una batería nuclear consta de un emisor y un colector separados por una película especial. A medida que el elemento radiactivo se desintegra, emite radiación beta, lo que le confiere una carga positiva. Al mismo tiempo, el colector se carga negativamente, creando una diferencia de potencial que genera una corriente eléctrica.

En esencia, nuestra celda de energía atómica es un pastel de varias capas. 200 fuentes de energía de níquel-63 se intercalan entre 200 semiconductores de diamante. La fuente de energía mide aproximadamente 4 mm de alto y pesa 250 miligramos. Su pequeño tamaño es una gran ventaja para la batería atómica rusa.

Encontrar las dimensiones adecuadas es difícil. Un isótopo grueso impedirá que los electrones que produce escapen. Un isótopo delgado presenta desventajas, ya que reduce el número de desintegraciones beta por unidad de tiempo. Lo mismo ocurre con el grosor del semiconductor. La batería funciona mejor con un grosor de isótopo de aproximadamente 2 micras, mientras que un semiconductor de diamante requiere 10 micras.

Pero lo que los científicos han logrado hasta ahora no es el límite. Las emisiones de escape podrían aumentar al menos tres veces. Esto significa que una batería nuclear podría ser tres veces más barata.

Una batería nuclear de carbono-14 que dura 100 años.

Esta batería atómica tiene las siguientes ventajas sobre otras fuentes de energía de radiación:

1. Baratura.
2. Respetuoso con el medio ambiente.
3. Larga vida útil de hasta 100 años.
4. Baja toxicidad.
5. Seguridad.
6. Capaz de operar en condiciones de temperatura extremas.

El isótopo radiactivo carbono-14 tiene una vida media de 5700 años. Es completamente atóxico y económico.

No solo EE. UU. y Rusia, sino también otros países, trabajan activamente para modernizar las baterías nucleares. Los investigadores han aprendido a desarrollar una película sobre un sustrato de carburo. Como resultado, el costo del sustrato se ha reducido 100 veces. Esta estructura es resistente a la radiación, lo que hace que esta fuente de energía sea segura y duradera. El uso de carburo de silicio en baterías nucleares permite operar a temperaturas de 350 grados Celsius.

¡Así, los científicos lograron crear una batería atómica con sus propias manos!