Análise energética de baterias nucleares espaciais utilizando diferentes radioisótopos

dc.creatorKrosli Ferreira de Andrade
dc.date.accessioned2023-08-08T19:30:44Z
dc.date.accessioned2025-09-09T01:25:51Z
dc.date.available2023-08-08T19:30:44Z
dc.date.issued2022-12-16
dc.description.abstractAlongside industrial development, electrical energy became part of everyday anthropogenic activities as well as fueling big dreams and challenges, such as space exploration. It was in this context of great challenges that the need to use energy batteries arose, more specifically of the RTG (Radioisotopic Thermoelectric Generator) type. Its features, such as long life, no need to recharge (or replace), and linear power delivery, unlike those of lithium batteries, are essential in space exploration. The GTR Batteries basically have two modules: a module containing the thermal source, which is a radioactive material, and another module that performs the conversion of heat into electrical energy through the Seebeck effect. The objective of this work is to theoretically design a RTG battery using radioisotopes with alpha and beta decay with characteristics similar to those of the best RTG battery manufactured so far, the MMRTG, which has a thermal/electrical conversion efficiency of 6.25% and can provide 2000 W of thermal power and 125 W of electrical power at the end of its useful life of approximately 14 years. Different radioisotopes from alpha decay were studied, including 232U, 238Pu, 241Am, 243Cm and 244Cm with half-lives ranging from 13 to 432 years, a high decay energy ranging from 5,414 to 6,168keV, and an energy stored ranging from 2.18 to 2.37×10^9 J/g. For beta decay, radioisotopes studied included 60Co, 90Sr, 106Ru,137Cs,147Pm and 210Pb with half-lives ranging from 1 to 30 years, and an energy stored ranging from 1.14 to 2.37×10^9 J/g. As a result, the masses required to supply each radioisotope’s thermal and electrical power demand, the number of Seebeck modules required for electrical energy generation, the thermal and electrical power with initial and final values, and the costs involved were determined. The results show that nuclear battery projects with beta decay are more technically and economically viable for 90Sr in the SrTiO3 oxide format due to the lower costs presented. On the other hand, for alpha decay, the most viable alternative from a technical and economic point of view is the use of radioisotopes such as 243Cm and 244Cm.
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/57618
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/pt/
dc.subjectEngenharia nuclear
dc.subjectAnálise energética
dc.subjectBaterias nucleares
dc.subjectRadioisótopos
dc.subject.otherBaterias nucleares GTR
dc.subject.otherExploração espacial
dc.subject.otherEfeito Seebeck
dc.subject.otherDecaimento alfa e beta
dc.titleAnálise energética de baterias nucleares espaciais utilizando diferentes radioisótopos
dc.typeDissertação de mestrado
local.contributor.advisor-co1Claubia Pereira Bezerra Lima
local.contributor.advisor1Carlos Eduardo Velasquez Cabrera
local.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6004097335998698
local.contributor.referee1Lamartine Nogueira Frutuoso Guimarães
local.contributor.referee1Jorge Eduardo de Souza Sarkis
local.contributor.referee1Antonella Lombardi Costa
local.contributor.referee1João Manoel Losada Moreira
local.creator.Latteshttps://lattes.cnpq.br/9859569766080073
local.description.resumoAo lado do desenvolvimento industrial, a energia elétrica passou a fazer parte do cotidiano das atividades antropogênicas assim como passou a alimentar grandes sonhos e desafios, como a exploração espacial. Foi neste contexto de grandes desafios, que surgiu a necessidade de utilização de baterias nucleares, mais especificamente do tipo GTR (Gerador Termoelétrico Radioisotópico). Suas caraterísticas tais como longa duração, a não necessidade de recarga (ou substituição), e fornecimento de potência linear, ao contrário das baterias de lítio, são essenciais na exploração espacial. As Baterias GTR basicamente possuem dois módulos: um módulo contendo a fonte térmica que é um material radioativo e outro módulo que executa a conversão do calor em energia elétrica através do efeito Seebeck. O objetivo deste trabalho é projetar de forma teórica, uma bateria GTR utilizando radioisótopos com decaimento alfa e beta, com características similares as da melhor bateria GTR fabricada até o momento, a MMGTR, que com eficiência na conversão térmica/elétrica de 6,25% , pode fornecer 2000 W de potência térmica e 125 W de potência elétrica ao final da vida útil de aproximadamente 14 anos. Foram estudados diferentes radioisótopos a partir do decaimento alfa: 232U, 238Pu, 241Am, 243Cm e 244Cm com meia-vida entre 13 e 432 anos, alta energia de decaimento entre 5.414 e 6.168 keV e densidade energética entre 2,18 e 2,37×10^9 J/g e para o decaimento beta, os radioisótopos estudados foram os 60Co, 90Sr, 106Ru, 137Cs,147Pm e 210Pb com meia-vida entre 1 e 30 anos, e densidade energética entre 1,14×10^7 e 2, 37×10^9 J/g. Como resultado, foram obtidas as massas necessárias para suprir a demanda de potência térmica e elétrica de cada radioisótopos, quantidade de módulos Seebeck necessários para a geração de energia elétrica, a potência térmica e elétrica com valores inicial e final e os custos envolvidos. Os resultados mostram que os projetos de baterias nucleares com decaimento beta têm maior viabilidade técnico-econômica para o 90Sr, na composição de óxido SrTiO3, devido aos menores custos apresentados. Por outro lado, para o decaimento alfa a alternativa mais viável do ponto de vista técnico-econômico é a utilização de radioisótopos como o 243Cm e 244Cm.
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NUCLEAR
local.publisher.initialsUFMG
local.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares

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