Radioaktiivsust kasutavad patareid

Tuumaenergiat kasutavad patareid tekitavad elektrit temperatuuri erinevuse või elektrilise laengu tekitamisega kasutamata selleks ahelreaktsiooni. Kuna ioniseeriv kiirgus eemaldab aatomitelt elektrone, siis tekitab radioaktiivsus sellega laenguga kohti. Tuumapatareid on palju väiksemad kui tuumareaktorid ning kiiritusega elektrilise laengu tekitamist saab tekitada pisikestes patareides, mida suudavad isegi putukad transportida.
Tuumapatareidel on tavapatareidega võrreldes kõrgem hind, suurem energiatihedus massi arvestades ja pikk tööaeg, mis võib olla aastakümnetest sajandi(te)ni. Tööaeg on pikem kui radioaktiivne lagunemine on aeglasem kuigi sellisel juhul peaks sama energia saamiseks rohkem kütust kasutama.  

Esimest korda demonstreeriti (betavoltaic battery) tuumapatareid 1913. Üks näide selle tööpõhimõttest on ülemisel illustratsioonil. Kasutatakse n ja p tüüpi pooljuhtide plaati mis on omavahel juhtmetega ühenduses. Energiline elektron, mis vabaneb beeta kiirgusena ioniseerib rea ettejäänud aatomeid. Vabanenud elektronid liiguvad positiivsema p kihi suunas olles negatiivse n kihi poolt eemale lükatud. Selline elektronide vool toodab nõrgalt voolu kuid see on piisav osade implantide töös hoidmiseks. 
Osad patareid (thermionic) kasutavad kuuma elektroodi, mis tekitaks sarnaselt hõõgniidiga hõreda gaasi ioniseerumist ja elektronide vabanemist. Kuumusega eraldunud elektronid levivad edasi jahedama elektroodini tekitades sellega voolu. Sellise generaatori efektiivsus on kuni 10-20%.
Osad patareid sarnanevad veidi päikesepatareidega kuid valguse asemel kasutavad need punaselt hõõguva ~1000 kraadise tuumkütuse soojuskiirgust.

Võrdlus 1 ruutsentimeetrise beeta kiirgust kasutava patarei ja liitiumpatarei vahel. Massi arvestades on radioaktiivsust kasutav patarei ~440 korda rohkem energiat sisaldav.

3 radioisotoopi, mis sobivad kergesti blokeeritava kiirguse tõttu kehasiseste implantide kütuseks.


Algelisemad tuumapatareid kasutasid termoelektrilist effekti, kus temperatuuri erinevus generaatori eri osades põhjustab elektrilise pinge teket ning kus elektri lisamisel saab tekitada temperatuuri erinevust. Need töötavad pannes kuumas osas olevad laenguga osakesed jahedama osa suunas liikuma sarnaselt gaasiga, mis levib soojast jahedama suunas. 

Tavaliselt kasutatakse ülal illustreeritud Seebeck'i effekti. A ja B tähistavad erinevaid elektrit juhtivaid metalle ja T1 ning T2 tähistavad erinevaid temperatuure. Seebeck avastas 1821. aastal, et kompassinõel liikus kahe metalltüki ühendamisel kui ühenduskohtades olid erinevad temperatuurid. Selline elektrivool muutub 1 kraadise temperatuurimuutuse korral mitme mikrovoldi jagu. Näiteks vase ja konstantaani kasutamisel oli see 41 mikrovolti iga 1 K kraadi muutuse kohta.

Pooljuhti kasutav Seebeck'i effektiga töötav generaator. Laenguga osad liiguvad kuumast kohast eemale kuid materjalist sõltub mis laenguga osakesed millises jupis eemalduvad sellest kuumast kohast. Voolu suund nooltega on pildil positiivsest otsast negatiivse suunas.

Sarnase ehitusega saab Seebeck'i effekti kasutada jahutuses. Sinisega on tähistatud piirkond mida jahutatakse ja punane ala saab selle soojuse. Elektritakisti asemel on alaosas nähtav energiaallikas oma + ja - osaga, mis on vajalik jahutuseks. Elektriallikas tõmbab ise oma laenguga kuumast kohast eemale laenguga osakesi eemaldades selle käigus soojust (kuumusega ioniseerunud osakesi saab elektriväljaga liigutada). 

RTG (radioisotope thermoelectric generator) tüüpi generaator kasutab Seebeck'i effekti ning selliseid on kasutatud sateliitides, päikesest kaugemale minevates kosmosesondides ja automatiseeritud jaamades. NSVL's kasutati neid arktilistes piirkondades asuvates majakates ja USAs on neid kasutatud Alaskas asustamata alades olevate radarite töös hoidmiseks.  

Näide RTG's kasutatavast plutoonium-238 hõõgumisest. Selle tüki võimsus oli ~60 vatti kuid seda hoiti eelnevalt soojust kinni hoidva grafiidist teki all.
RTG tüüpi generaator saadeti esimest korda kosmosesse 1961. aastal ning need olid ka esimestel kuu peal käimistel energiaallikaks.
RTG'de efektiivsus jääb tavaliselt 3-7% vahele ja üle 10% efektiivsust pole nendega saavutatud.

Väiksemat sorti tuumapatarei tööpõhimõte, mida on kinnitatud põrnikate ja liblikate külge. Radioaktiivse nikkel-63 juures on vaskplaat, mis püüab kinni niklist tulnud energilised elektronid saades negatiivsema laengu ning elektroni kaotus teeb nikli suhteliselt positiivseks. Positiivne ja negatiivne laeng tõmbuvad painutades räniplaadikest. Paindumisel tekitanud surve tekitab piesoelektriliselt (materjalis olevate laenguga osakeste tihedamalt kokku surumisega) lühiajaliselt elektrit millest piisab raadiolainete tekitamiseks iga natukese aja tagant.   
Ränitükk ja piesoelektriline materjal on 40 mikromeetri paksune ja 4-8 millimeetrine pikkune. 
Selle isotoobi pooleluiga on üle 100 aasta, millest peaks piisama vähemalt mitmekümne aastaseks kasutamiseks. Autorite järgi võib see töödata 100 aastat. Patarei on 5 millivatine tekitades piisavalt elektrit 10 mikrosekundi pikkuste 100 MHz raadiolainete jaoks iga 3 minuti järel (ränitükil kulub edasi tagasi liikumiseks kokku 3 minutit). Kui see paindumine toimuks kiiremini, siis langeks iga elektriimpulsi energia.
Nikkel-63 tekitab põhiliselt beta kiirgust (energilised elektronid), mille saaks tavaliselt blokeerida ~20 mikromeetrise seinaga. Teises sarnase pisikese tuumapatarei artikli järgi saab nikkel-63 kiirguse blokeerida enamikes vedelikes ja tahketes ainetes esimese 25 mikromeetriga. Sealhulgas peaks blokeerimiseks sobima naha pealmine surnud kiht või õhuke plastikkate. 
Selle prototüübi faasis generaatori efektiivsus oli 0,06% ja pindala oli 1 ruutsentimeeter.