¿Las baterías nucleares emiten rayos radiactivos cuando son utilizadas por satélites y transbordadores?

Si podemos limitar la discusión a los RTG modernos utilizados para sondas de exploración, realmente no hay muchas precauciones. Hay precauciones para evitar fallas en el lanzamiento y luego la contaminación del medio ambiente de la Tierra. Pero, obviamente, puede pararse junto a ellos siempre que el combustible esté en forma de cerámica sólida.

      _{El especialista en salud ambiental Jamie Keeley realiza una inspección de radiación externa de los
      generadores termoeléctricos de radioisótopos de la nave espacial Cassini-Huygens. Foto de la NASA de Wiki Commons (haga clic para ver la fotografía en resolución completa)}

No es obvio a partir de imágenes como esta, pero ese trabajador está usando un tubo de dosimetría de radiación lleno de gel de polímero que mide la dosis ocupacional. Interesado en los detalles, encontré que la Tabla 2-3 en este enlace da la concentración de isótopos para Cassini RTG, que es lo que necesitamos para responder a su pregunta.

Contiene Pu-236 a Pu-242. Los isótopos son casi completamente idénticos químicamente, y por eso no es práctico separarlos, y las impurezas permanecen. Si la separación de isótopos fuera trivial, no dejaríamos nada más que Pu-238, pero no lo es.

Dibujar la línea entre los isótopos y la actividad requiere buscarlos en su tabla de nucleidos favorita . Combinando las actividades relativas y la relación de ramificación de descomposición, puede observar dos cosas que dominan la radiación no alfa:

• Pu-238 contribuye alrededor$9 \times 10^6 Bq$de la actividad de fisión espontánea
• Pu-241 contribuye sobre$7 \times 10^{11} Bq$de actividad beta

Esto es bastante completo. No hay mucha otra radiación además de la radiación alfa (prevista) y los dos términos anteriores. Lo principal que esto muestra es que el RTG de Cassini es extremadamente limpio en términos de radiación. Claro, probablemente restringiría el tiempo que sus ingenieros pasan junto a él, pero eso no es realmente porque presente un peligro biológico, es solo para que pueda informar una dosis de radiación más baja en el lugar de trabajo.

La radiación beta llega un poco más lejos que la radiación alfa, pero no tanto en una nave espacial de varias toneladas. Afectará a la electrónica casi ninguno. Es más o menos lo mismo para la fisión espontánea. Eso podría crear alguna preocupación biológica. La fisión produce una gran cantidad de partículas y los neutrones son particularmente problemáticos. Sin embargo, sus efectos se verán eclipsados ​​por el entorno de radiación general en el espacio.

Sin embargo, el término batería nuclear podría referirse a otros diseños, incluidos incluso los reactores de fisión. Las naves espaciales con esos requieren que se diseñe un blindaje en su diseño entre el reactor y la carga útil científica.

Si bien las respuestas anteriores están bien, creo que la pregunta surge de un malentendido más fundamental de la radiación.

La radiación viene en 4 sabores:

Alfa: Un núcleo de helio. Dañino si llega a tus tejidos, pero tu propia piel es una defensa casi perfecta contra él. Los emisores alfa solo son motivo de preocupación si los ingiere.

Beta: Un electrón. Estos son tan ligeros que carecen de mucho poder de penetración. Si bien atraviesan mejor que las partículas alfa, aún se detienen con mucha facilidad, incluso por el contenedor de su material radiactivo. Tu piel también hace un trabajo razonable al detenerlos.

Cuando se trata de dichos materiales, su única preocupación es evitar ingerirlos. No importa cuánto se esté emitiendo, no te van a hacer nada. Tenga en cuenta que la mayor parte de la radiactividad es de una de estas formas.

La tercera forma son los rayos X y la radiación gamma (la única distinción es el nivel de energía, en realidad son lo mismo). Los rayos X requieren una cantidad decente de masa para detenerse, como el chaleco que el dentista le pone cuando disparando rayos X (y sus máquinas están en habitaciones blindadas). Los rayos gamma son simplemente demasiado penetrantes para ser detenidos por cualquier escudo portátil; observe la ausencia de chalecos de plomo en los laboratorios de medicina nuclear.

Finalmente, están los neutrones. No son tan penetrantes como los rayos gamma, pero siguen siendo bastante desagradables y también tienen la propiedad extremadamente desagradable de inducir a veces radiactividad en lo que golpean.

Cuando fabrica una batería nuclear, no solo elige emisores alfa o beta por seguridad, sino también porque la naturaleza penetrante de la energía gamma y de neutrones significa que se la lleva la batería: construya su batería con algo como Cobalt-60 (un potente gamma emisor) y no produce más que un hilo de energía.

La única razón por la que obtendría radiactividad fuera de una batería nuclear es porque nada es realmente puro y, a veces, ni siquiera intentan eliminar los contaminantes. (Mire la respuesta de AlanSE sobre las baterías de plutonio. Separar P-238 de Pu-239 es 3 veces más difícil que separar U-235 de U-238, como se hace en una planta de enriquecimiento. Esas son instalaciones importantes).

El 238Pu se desintegra por emisión alfa. Es trivial protegerse contra una partícula cargada como un alfa; se bloquea con unos centímetros de aire o con un trozo de papel. Los RTG están encerrados en cajas extremadamente resistentes para reducir la probabilidad de dispersión de plutonio en la atmósfera si el cohete explota. El estuche bloqueará completamente todas las partículas alfa.

Sin embargo, cuando el 238Pu emite un alfa, el 29 % de las veces también obtiene una radiografía de 43 keV. Estos representarían alrededor del 0,3% de la energía emitida por el 238Pu, estando el resto en los alfas. Aunque el 0,3% es relativamente pequeño, un trozo de 238Pu de este tamaño va a ser una gran fuente de rayos X calientes. Sin embargo, 43 keV es un rayo X de energía bastante baja, por lo que no es especialmente penetrante. Algunos de estos rayos X serán bloqueados por el propio plutonio circundante. Al buscar en Google, parece que las personas que manejan 238Pu lo hacen dentro de una guantera, con guantes forrados de plomo, además de precauciones para deshacerse del intenso calor. En la foto de la respuesta de AlanSE, supongo que la mujer está usando un contador Geiger para buscar rayos X que escaparon del blindaje.

Después de que el 238Pu se desintegra, se convierte en 234U, que tiene una vida media extremadamente larga y, por lo tanto, no emite radiación con una intensidad significativa.

A bordo de la nave espacial, durante su misión, es posible que cualquier rayo X que se escape podría causar daños, como estropear los chips de las computadoras. Sin embargo, estas sondas están diseñadas para el entorno de alta radiación del espacio profundo.

En la mayoría de RTG , el combustible de dióxido de plutonio se utiliza en su forma cerámica resistente al calor, lo que reduce la posibilidad de que se vaporice en el fuego. Este combustible de forma cerámica también es altamente insoluble y tiene una baja reactividad química.

El combustible se divide entre muchas unidades modulares pequeñas e independientes, cada una con su propio escudo térmico y carcasa de impacto.

Por lo general, la mayoría de los RTG tienen múltiples capas de materiales protectores que consisten en cápsulas de iridio y bloques de grafito de alta resistencia. El iridio es un metal que tiene un punto de fusión muy alto y es fuerte, resistente a la corrosión y químicamente compatible con el dióxido de plutonio. Estas características hacen que el iridio sea útil para proteger y contener cada pastilla de combustible. El grafito se usa porque es liviano y altamente resistente al calor.

La mayor parte de la radiación es absorbida por estos materiales, pero aún así pueden escapar algunos rayos radiactivos (cantidades muy, muy pequeñas).