¿Cómo podemos fabricar baterías nucleares tan pequeñas como las baterías del teléfono?

Answer 1

Hay varios candidatos para la reacción nuclear:

1. fisión: tiene un tamaño mínimo definido para mantener una reacción en cadena. Este tamaño mínimo es bastante grande, varios megavatios, y requeriría toneladas de blindaje. No se ajusta a su criterio de “tan pequeño como las baterías del teléfono”.

2. descomposición alfa: fácil de proteger, pero el material de origen es costoso. Usamos esto en forma de RTG de Pu238 (isótopo de plutonio 238) (generadores térmicos de radio) para impulsar naves espaciales.

Las baterías duran unos 100 años y producen varios cientos de vatios. Una pequeña podría tener unos pocos vatios de tamaño, pero sería mucho más grande que la batería de un teléfono celular. Básicamente, un bulto de Pu238 está perpetuamente caliente. Piensa al rojo vivo.

Eso puede hacer funcionar una máquina de calor (como una máquina de vapor) o un generador de electricidad por termopar (muy ineficiente; la mayoría de los RTG tienen eficiencias entre 3 y 7%). Y tiene todo ese calor para deshacerse de si está utilizando la electricidad o no. Básicamente, no conocemos ninguna forma eficiente de transformar las desintegraciones alfa altamente energéticas en electricidad de bajo voltaje.

Un gramo de Pu238 es de aproximadamente 0,54 vatios. Una buena fuente de energía densa, pero una sustancia muy muy costosa y altamente controlada.

3. desintegración beta: esto también es fácil de proteger y los materiales fuente son mucho más baratos, ya que son componentes importantes del combustible nuclear gastado. Sin embargo, los niveles de potencia son mucho más bajos que Pu-238, por lo que no se utilizan para hacer RTG donde la masa es importante (es decir, una nave espacial). Si supiéramos una manera eficiente de cambiar los electrones de alta energía (por ejemplo, 500,000 eV) de la desintegración beta a grandes cantidades de electrones de baja energía (por ejemplo, 200,000 x 2.5 eV), estaríamos en el negocio. Pero todavía no. Hasta entonces, no hay baterías beta para teléfonos celulares.

PD: hay otro problema … la mayoría de los radioisótopos tienen emisiones gamma no triviales. Aquí hay un ejemplo: Cesio 137. Cs137 puede descomponerse a través de una beta de 1.174MeV a Ba137 estable. Cs137 hace esto el 5,4% del tiempo. Pero el 94,6% de las veces se descompone a través de una beta de 0.512 MeV a Ba137m, que es inestable. El bario 137m se descompone a través de un 661.7 keV gamma a Ba137 estable. Esta emisión gamma de energía moderada es problemática porque la gamma necesita unas pocas pulgadas de blindaje de plomo alrededor de la batería de su “teléfono celular”. Casi todos los radioisótopos tienen varios modos de desintegración diferentes con diferentes probabilidades (llamados “factores de ramificación” o “relaciones de ramificación”). La mayoría (¿todos?) Dan como resultado niveles socialmente inaceptables de emisiones gamma si se usan a niveles de potencia de ~ 1 vatio.

Actualización: NurdRage acaba de subir un video realmente excelente sobre cómo hacer una batería nuclear beta-foto-voltaica

Logró un rendimiento comparable a las baterías tritio beta voltaicas disponibles comercialmente. Obtuvo una potencia máxima a 820 nanoamperios y 1,5 voltios o 1,23 microwatios.

Calculemos la eficiencia de convertir la energía de descomposición del tritio en electricidad para este dispositivo. Estimo la cantidad de tritio en sus viales de esta manera: los viales de tritio que NurdRage usó fueron 3 x 22.5 mm. Encontré algunos datos para viales más grandes en wikipedia [1.8-curie (67 GBq) (152.4 mm × 5.1 mm)]. Escalado por volumen total que es 21.5 MBq / mm cúbico, por lo que los viales pequeños pueden ser ~ 3.4 GBq. A 18.6 KeV / decaimiento, eso es 10 microwatts de potencia de decaimiento por vial. NurdRage usó 14 viales, para un total de quizás 140 microvatios. Entonces, la eficiencia de conversión que logró es del orden del 1%.

Answer 2

Si alguien pudiera responder que ya serían poderosamente ricos.

Las baterías de hoy dependen de una reacción química que mueve iones cargados de un polo a otro. Ponga algún dispositivo en el camino, como un teléfono celular, y esos iones cargados (electrones) lo hacen funcionar.

Hay baterías nucleares (de un tipo) existentes hoy, PERO …

Obtener energía de una reacción nuclear, básicamente los neutrones que se mueven a través de los materiales generalmente implica calor, una gran cantidad, para alimentar un generador de turbina de vapor o crear una corriente eléctrica termiónica, y no tanto.

Si pensabas que las baterías de Samsung se calentaron, esto es mucho más caliente, en cualquier caso, y son grandes dispositivos. Reducir el tamaño del teléfono celular reduce el flujo de neutrones a casi inexistente, pero aún lo suficiente como para matarlo.

Answer 3

No podemos Los reactores nucleares tienen que ser grandes, tener suficiente distancia dentro de ellos para capturar neutrones y átomos divididos. Puede hacer que sea más pequeño usando U235 más y más puro, pero cuando se reducen al tamaño de un barril, está usando U235 puro que no solo cuesta millones, es básicamente una bomba controlada. Y arroja suficiente radioactividad para matarte en 18 segundos. Necesita varios pies de plomo y plástico en todos los lados para reducir la radiactividad a niveles medios. No es algo que cabe en tu bolsillo.

Answer 4

Solían fabricar baterías de marcapasos nucleares. No son mucho más grandes que la batería de un teléfono celular, pero dudo que su salida sea tan alta. Creo que la salida a la masa de material es bastante fija. Entonces necesitas protección.

Datos sobre los marcapasos

A los diversos organismos reguladores nucleares no les gusta la idea de dar a los civiles grumos de plutonio. Especialmente en un teléfono que puede usarse para hacer una bomba sucia sin matar a la persona.