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lunedì 7 maggio 2018

Generatori Termoelettrici A Radioisotopi: Funzionamento Delle Batterie Nucleari

Un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG) è un generatore nucleare di energia elettrica basato sul decadimento di isotopi radioattivi.
Principalmente viene utilizzato Plutonio-238.
La durata di queste pile (batterie) arriva a centinaia di anni!
I generatori RTG sono stati usati a partire dalle missioni Apollo sulla Luna nel campo dell'esplorazione spaziale.
Il primo RTG lanciato nello spazio dalla NASA risale al 1961 (anche se i primi studi risalgono agli anni 50).
Gli RTG alimentano le sonde Voyager, lanciate nel 1977, attualmente alla distanza di oltre 16 miliardi di chilometri. Ma anche molte altre missioni NASA più recenti si reggono sulle batterie nucleari, dal rover marziano Curiosity alla sonda New Horizons, che ha visitato Plutone nel 2015.
La sonda della NASA Cassini, ad esempio, ha usato un RTG per viaggiare verso il sistema di Saturno e ne trae energia per compiere manovre importanti e mantenere al caldo la strumentazione.
Questo tipo di sistemi sono implementati e studiati dal Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA.
Per rendere l'idea il Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG), usato per il Mars Science Laboratory, è composto da 8 moduli e fornisce 120 Watt di potenza elettrica.


FUNZIONAMENTO
Il sistema contiene una fonte di calore ed un radioisotopo (il Plutonio-238 come detto), che si riscalda a causa del proprio decadimento radioattivo. Il calore è trasformato in elettricità da un convertitore termoelettrico che sfrutta l'effetto Seebeck (ovvero la trasformazione avviene per differenza di temperatura. Una forza elettromotrice, F.E.M., è prodotta dalla diffusione di elettroni attraverso l'unione di due differenti materiali che formano un circuito quando i capi del convertitore si trovano a temperature differenti).
I moduli sono progettati per resistere ad esplosioni, Temperature (tramite uno schermo in grafite), incendio del veicolo di lancio, rientro in atmosfera seguito da impatto sul terreno o in acqua.
Invece il combustibile è in forma di diossido di Plutonio-238, un materiale ceramico resistente alla rottura.
I RTG sono spesso montati a bordo di satelliti.
L'idea è quella di viaggiare nello spazio profondo sempre più lontano, anche là dove l’energia fornita dal Sole diventa troppo debole, senza ovviamente potersi fermare a fare rifornimento.
JPL della NASA: "Per andare avanti nell’esplorazione del Sistema solare, abbiamo necessità di un sistema d’alimentazione affidabile e di lunga durata affidabile"


PLUTONIO-238, TEMPO CARATTERISTICO, DI DIMEZZAMENTO E TIPI DI RADIAZIONI
Sappiamo che la maggiorparte degli atomi che costituiscono la materia è stabile.
Poi ci sono altri atomi (ed è il caso del Plutonio-238, Uranio-235, Radon-218, Torio-232 etc) che sono instabili e si trasformano in altri atomi spontaneamente tramite un processo noto come decadimento.
Infatti ad ogni atomo di questo tipo è associato un tempo caratteristico (vita media) che rappresenta il tempo vissuto prima di trasformarsi in un altro isotopo.
Esso è collegato al tempo di dimezzamento, cioè al tempo necessario perchè una popolazione di questi atomi si dimezzi nel tempo (per rendere l'idea: il Radon-218 si dimezza ogni 1.9 millisecondi emettendo radiazioni Alfa, invece il Rubidio-87 ogni 48.8 miliardi anni emettendo radiazioni Beta. Ne consegue che sulla terra il Rubidio-87 è nelle stesse quantità dall'esplosione del Big Bang, visto che la terra dovrebbe essersi formata 14 miliardi di anni fa. L'Uranio-238 ha un tempo di dimezzamento di quasi 5 miliardi di anni quindi le sue quantità odierne sono di circa un terzo rispetto alle quantità naturali dall'inizio del Big Bang).
Il Plutonio-238, al contrario del Plutonio-239 utilizzato nelle armi nucleari a fissione (questo ha una vita di 24 mila anni!), ha una vita naturale (tempo caratteristico) di circa 87 anni, e fornisce sufficiente calore per un periodo di tempo adeguato alla durata di questo tipo di missioni.
La sua produzione può avvenire in diversi modi, come per esempio estraendolo dalle scorie e dal combustibile esaurito delle centrali nucleari, cosa che ha deciso di fare ESA, ma il costo di questo processo è piuttosto alto.
Quando decade naturalmente in Uranio-234 emana una grande quantità di calore, abbastanza per essere sfruttata come energia elettrica in batterie nucleari.
Il Plutonio-238 è stato scelto sia per sua efficienza (produce un'elevata quantità di energia per un grammo di materiale) e sia perché è relativamente sicuro dato che emette solo particelle alfa.
Si tratta di una forma di radiazione con un basso potere di penetrazione contro le quali ci si può proteggere piuttosto facilmente.
Le trasformazioni di atomi radioattivi sono detti decadimenti o disintegrazioni, perchè il nucleo dell'atomo che si trasforma perde alcune particelle che lo costituiscono: un nucleo di Elio (radiazione alfa con carica positiva), elettroni (radiazione beta con carica negativa) e fotoni (radiazione gamma con carica neutra).
Si parla di radiazioni corpuscolari (alfa e beta) ed elettromagnetiche (gamma. Anche le onde radio e la luce sono radiazioni elettromagnetiche ma non sono radioattive per via della bassa ionizzazione).
Le radiazioni si distinguono inoltre per la loro capacità di penetrare i materiali (ciò dipende anche dall'energia).
Le particelle alfa sono schermate semplicemente dalla pelle umana o da un foglio di carta, quelle beta da alcuni mm di alluminio, quelle più penetranti e pericolose sono le gamma (che è possibile schermare con grandi spessori di cemento o piombo. O utilizzando schermi ad Uranio Impoverito che emette solo radiazioni alfa, il problema è la sua alta tossicità chimica).
Per i generatori nucleari, un metodo più economico è l’estrazione di Nettunio-237 dal combustibile esausto.
L'isotopo Nettunio-237 è inviato a Oak Ridge nel Tennessee (dove veniva prodotto l'Uranio per le bombe atomiche della seconda guerra mondiale).
Qui, nel campus ORNL, il Nettunio-237 riceve le prime lavorazioni, confezionato sotto forma di pellet ed inviato al High Flux Isotope Reactor.
Quindi, il Nettunio-237 viene esposto nel reattore e bombardato per 25 giorni, assorbendo però solo ridotte % di neutroni. Quello che si ottiene è un po' di Nettunio-238 che, a sua volta, decade rapidamente in Plutonio-238.
In ogni caso, il ritmo di produzione del Plutonio arriverà a circa 1,5 kg all’anno (circa 3,3 libbre), fornendo sufficiente materiale da mettere missioni spaziali dopo il 2019.
Secondo quanto dichiarato dal Dipartimento dell’Energia, le stime indicano che ogni ASRG genera tra 130 e 140 Watt di elettricità con 1 Kg (circa 2,2 libbre) di Plutonio-238, mentre gli RTG di qualche anno fa impiegavano una quantità più che quadrupla di materiale per generare la stessa potenza.
In parole povere l'idea è sempre quella: maggiore efficienza ed un utilizzo minore di Plutonio.


SKUTTERUDITE COME MATERIALE TERMOELETTRICO
In tempi recenti, un altro materiale molto usato è la Skutterudite, che promette il passaggio a una nuova generazione di batterie nucleari per missioni spaziali: dagli attuali generatori termoelettrici a radioisotopi multi-missione (MMRTG) agli eMMRTG (generatori potenziati).
Le versioni potenziate con la Skutterudite sarebbero in grado di fornire il 25 % di potenza in più rispetto a quanto facesse, a inizio missione, il generatore a bordo di Curiosity. Inoltre, degradando molto più lentamente dei materiali utilizzati negli MMRTG attuali, al termine dei 17 anni di durata prevista della missione avrebbero almeno il 50 % di potenza in più.
Con un sistema termoelettrico più efficiente è possibile utilizzare meno Plutonio.
Il principio di funzionamento è sempre lo stesso, ed è quello della termocoppia: dispositivi in grado di convertire una differenza di temperatura in differenza di potenziale elettrico.
Le Skutteruditi si comportano come i metalli quanto a conducibilità elettrica, ma come il vetro quanto a conducibilità termica. E generano una quantità considerevole di energia elettrica.
Di termocoppie, l’MMRTG a bordo di Curiosity ne monta 768, tutte disposte attorno a un’unica struttura centrale, la sorgente di calore. Nei generatori eMMRTG di nuova generazione il numero di termocoppie resta identico, ma cambia il materiale appunto.

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