Téměř celá dlouhá tři desetiletí neprobíhala ve Spojených státech výroba plutonia-238. Jenže zásoby se pomalu začaly tenčit a tak jsme už v roce 2013 psali o tom, že Amerika obnoví výrobu tohoto poměrně vzácného izotopu, aby bylo možné i v dalších letech posílat do vesmíru sondy, jejichž energetické nároky jsou příliš vysoké, než aby jim stačily běžné solární panely, nebo mají pracovat daleko od Slunce, kde solární zdroje ztrácí dech. Americké ministerstvo energetiky počítá s tím, že výrobní závod v Oak Ridge by měl podle odhadů v příštích letech vyprodukovat okolo půl kilogramu plutonia-238.
První várka sice váží pouhých 50 gramů, přesto jde o velký příslib do budoucna. Takovým množstvím byste nemohli napájet žádnou kosmickou sondu – vždyť i nejméně “hladový” strávník, který je dnes v provozu, vozítko Curiosity, potřebuje 4,8 kilogramu plutonia. Americké ministerstvo však zdůrazňuje, že tento malý vzorek byl vyroben za účelem zkoušky celého výrobního systému, který je od začátku až do konce postaven na amerických technologiích a není tak závislý na jakýchkoliv dodávkách zvenčí.
Zdroj: http://spacenews.com/
Výrobu izotopu má na starosti společnost Oak Ridge National Laboratory v Tennessee. “Tento výrazný úspěch našich kolegů z Ministerstva energetiky značí renesanci ve výzkumu sluneční soustavy,” nešetří chválou John Grunsfeld, zástupce administrátora NASA pro vědecké mise a dodává: “Radioizotopové energetické systémy jsou klíčové pro příští generaci orbiterů, landerů a roverů, které budou zkoumat různé planety a odhalovat tak záhady vesmíru.
Poslední plutonium 238 se na území Spojených států vyrobilo v roce 1988! Na obnově potřebných technologií se podílela i NASA, jakožto primární odběratel finálního produktu. Agentura tedy od roku 2012 investovala 200 milionů dolarů do údržby infrastruktury ministerstva energetiky. Obnovení výroby bylo jediným řešením, protože nákup plutonia od Rusů přestal být možný.
Padesátigramový vzorek, který má pro lepší představu hmotnost srovnatelnou s golfovým míčkem bude nyní odeslán do Národní laboratoře v Los Alamos v Novém Mexiku. Zdejší odborníci provedou velmi detailní analýzy, které mají jediný cíl – ověřit, jak moc je dodaný materiál chemický čistý. Je jasné, že jakékoliv nečistoty jsou nežádoucí a pouze snižují účinnost paliva. Tato měření budou posledním krokem, který předchází plné výrobě. Jakmile bude jasné, že výrobní linka pracuje správně, bude možné rozjet produkci zhruba 400 gramů plutonia ročně.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org
Plutonium 238 je izotop, který se nevyskytuje ve volné přírodě a musí se tedy uměle připravovat v reaktorech. Celý proces vypadá velmi jednoduše – stačí vzít zdrojový atom, který má stejný počet neutronů a o jeden proton méně, než požadované plutonium-238. Těmto požadavkům vyhovuje neptunium 237, které se smíchá s hliníkem a výsledná směs se pod velkým tlakem naplní do peletek. Ty se uloží do reaktoru v Oak Ridge, který začne na peletky pálit spršku neutronů. Pokud se povede zásah, tak se z neptunia 237 stane plutonium 238.
Poznámka autora: Popis výroby pochází z článku na spaceflightnow.com a je poměrně překvapivý, jelikož doposud se vždy u článků, které se týkaly výroby plutonia 238 popisovala metoda založená na bombardování uranu 238 jádry deuteria. Dočasným výsledkem reakce je neptunium 238 a dva neutrony. Neptunium 238 má poločas rozpadu pouhé dva dny a vyzářením elektronu se rozpadá na požadované plutonium 238. Celou reakci ukazují přehledně tyto rovnice.
23892U + 21D → 23893Np + 2 10n
23893Np → 23894Pu + 0-1e
Plná výroba 400 gramů plutonia 238 by mohla začít v roce 2019. Možná se to zdá jako pomalý proces, ale není potřeba nikam spěchat. Momentálně má ministerstvo energetiky k dispozici 35 kilogramů plutonia 238 a výrobní linka by mohla být v budoucnu schopná ročně vyprodukovat až 1,5 kilogramu tohoto izotopu. Na druhou stranu je fér přiznat, že z těchto 35 kilogramů se dá pro kosmické mise použít sotva polovina. Za všechno může přirozená vlastnost všech radioaktivních izotopů – v průběhu času se rozpadají na jiné izotopy, čímž přichází o schopnost generovat elektrickou energii.
Zdroj: http://rack.0.mshcdn.com/
Aktuální zásoby použitelného plutonia tedy stačí na tři projekty kosmických sond do poloviny dvacátých let. Odborníci ještě uvažují v tom, že by některé vyzářené vzorky plutonia smíchali s nově vytvořenými izotopy, čímž by v některých případech bylo možné tyto zásoby dále využít. Na plutoniový zdroj bude spoléhat třeba nástupce vozítka Curiosity, který je zatím označován pouze jako Mars rover 2020. Jeho generátor MMRTG spolkne čtyři kilogramy plutonia, na což zásoby bohatě stačí. Další vlajkovou misí po tomto vozítku bude průzkum jupiterova měsíce Europa. Ta se ale bude spoléhat na solární panely.
Poptávka po plutoniu tedy zatím není vysoká, což je jeden z důvodů, proč se na obnovení výroby tolik nespěchá. Ale NASA přiznává, že až bude zajištěna pravidelná dodávka paliva pro radioizotopové generátory, budou této možnosti využívat i menší sondy. Zatím se totiž plutoniové zdroje používaly pouze u mimořádně důležitých sond – kromě roveru Curiosity bychom plutonium našli i na palubách sond Cassini, nebo New New Horizons. V budoucnu by ale ceny plutoniových zdrojů mohly klesnout, takže bychom se mohli dočkat více průzkumníků do vnějších částí sluneční soustavy, kteří budou navíc poměrně levní.
Zdroje informací:
http://spaceflightnow.com/
Zdroje obrázků:
http://atominfo.cz/wp-content/uploads/2012/08/plutonium_peletka.jpg
http://spacenews.com/wp-content/uploads/2015/08/pu-238ball.jpg
https://upload.wikimedia.org/…/1920px-Fueling_of_the_MSL_MMRTG_001.jpg
Mise k Europě je horké téma a i když se zatím jen rýsuje, tak přece jen se zeptám na napájení landeru. Solární panely asi ne, tak nejspíš normální baterie. Ale co kdyby se rozhodlo o provozování landeru během více průletů kolem Europy? To by se určitě nějaký ten radioizotop jako zdroj energie hodil.
To je opravdu hodně předčasné. Fakt, že lander vůbec vznikne je tak horký, že by se mohl protavit skrz povrch Europy. 🙂 leč Vaše myšlenky jdou správným směrem. Na druhou stranu radioizotopové zdroje bývají docela velké a nesmíme zapomínat, že na této sondě bude dodatečný prostor jen pro asi 250 kilogramů. A zdroj by si z toho ukousnul hezkých “pár” kilo. Takže zatím bych to minimálně několik měsíců nechal otevřené.
Když se k vynesení použije již zmniňovaná raketa SLS, tak by to mohlo být celé tězší, ne?
Použití silnější rakety není všespasující. Jupiter je docela daleko a tak si myslím, že výměnou rakety o moc vyšší nosnost nezískáme – změní se ale přeletová doba – z pěti na dva roky.
Nojo, a kdyby se použil zdroj energie a koncepce pohonu plánované původně pro JIMO, tak by to mohlo být ještě těžší. Ale to je jenom “kdyby”.
Dušan: Píšete, že použitím SLS získáme vyšší rychlost, ale s tou nosností to nebude tak slavné. Podle mého názoru při vyšší rychlosti a nutnosti zabrždění u planety musíme vézt více paliva, takže vyšší nosnost bude nutná. Ta se však využije právě na to palivo a tak hmotnost samotné sondy příliš navyšovat nemůžeme. Chápu to správně?
Vyssi rychlost znamena, ze SLS dokaze sondu poslat na primou drahu k Jupiteru, zatimco kdyby se startovalo na slabsi rakete, musel by se provest jeden nebo vice gravitacnich manevru, ktere zaberou spoustu casu. (omluvte diakritiku, trable s pc…)
Jo tak. Takže to znamená, že příletová rychlost k Jupiteru může být klidně stejná při použití slabší i silnější rakety. Ten rozdíl nahradí gravitační manévry, které ale zase prodlouží dobu letu. Něco za něco. Přiznám se, že tahle logika mi unikala. Díky 🙂
Malá oprava: zmiňovaná částice beta je elektron nikoliv pozitron. Pozitron je antielektron a jeho vyzářením by se neptunium (náboj jádra +93) změnilo na uran (+92) nikoliv na plutonium (+94). Musí se tedy vyzářit elektron tím, že se neutron rozpadne na proton, elektron a antineutrino.
Díky za upozornění, upravím to.
Dušane, jsou nějaké novinky ohledně ASRG? TiME neprošel, ale pokud si to dobře pamatuju, tak tento generátor by měl být menší a lehčí, mohlo by to být zajímavé technologické řešení pro Europa Lander :-).
Bohužel je okolo něj již dlouho ticho po pěšině.
Na sondách lze najít i miniaturní zdroje plutonia 238 určené jen k ohřívání přístrojů. Třeba Spirit s Opportunity jich mají každý osm (celkový výkon 8x1W, hmotnost celkem 8x40g).
Je dobré zmínit, že každý z těchto osmi RHU měl v sobě pouze 2,7 g PuO2.
Po par riadkoch som si pomyslel – sakra, ved takymto tempom to bude trvat desat rokov na dalsiu sondu, ale dalej v clanku ste to vysvetlili, ze to zatial bude stacit… Dobry clanok pre mna.
Není 1,5 kg ročně příliš málo? To je tak náročné to vyrobit, že i když linka pojede na stoprocent, tak se vyrobí tak málo? Anebo By linka zvládla daleko víc, ale prostě není potřeba?
Ono je to hodně dáno tím, že víc není potřeba.
Kde se vůbec vzalo tolik plutonia v minulosti? Z nějaké přidružené výroby k výrobě jaderných zbraní nebo se RTG článkům prorokovala zářnější budoucnost?
A proč vůbec plutonium, když je možné použít jiné radioaktivní izotopy jako třeba stroncium 90, které se hojně vyskytuje v odpadu z jaderných elektráren a mělo by být levnější? Navíc jde o beta zářič, což by se dalo využít i k přímé produkci elektřiny. Plutonium 238 se snáze stíní, jiný důvod mě nenapadá.
Ano, dosavadní zásoby pochází z běžných jaderných reaktorů, kde vznikalo jako odpadní produkt – dodatečně však bylo potřeba jej vyčistit od jiných izotopů.
Výhoda plutonia 238 je ten, že má přijatelný poločas rozpadu okolo 85 let, což není ani málo (takové izotopy se rychle rozpadají), ani moc (takové izotopy září jen málo, zato dlouho). Velkou výhodou je, že plutonium 238 je skvělý alfa zářič a právě alfa částice hrají klíčovou roli při přeměně na elektrickou energii. Ale není to jen o plutoniu. ESA koketuje také s radioizotopovými generátory, sází však na americium.
…to je také patrně i důvod využití jiného výrobního postupu v současnosti, neboť v minulosti se masivně přepracovávalo “vyhořelé” palivo z jaderných reaktorů (primárně pro zisk plutonia na výrobu jaderných zbraní), ale v současnosti jde spíše o minimalizaci odpadu (především toho radioaktivního) při výrobě
Kolik stojí takový kilogram plutonia?
Takovou cenu budete dohledávat jen velmi stěží už jen proto, že se s ním běžně neobchoduje.
Tak určitě, ale NASA ho dost pravděpodobně nebude mít zdarma, ale něco za něj bude muset zaplatit, i když ho koupí od jiné státní instituce.
Jenže když už NASA částečně investovala do rozjetí výroby, může mít nějaké výhody.
Viz například
http://ne.oregonstate.edu/rebuilding-supply-pu-238
“the Plutonium-238 (Pu-238) needed to create the batteries costs roughly $8 million per kilogram”
Díky moc za info!
článek uvádí: Padesátigramový vzorek, který má pro lepší představu velikost srovnatelnou s golfovým míčkem. Nemělo by tam být napsáno “hmotnost srovnatelnou…”? Podle mého odhadu by Pu o velikosti golfového míčku vážilo přes 3/4 kila…?
Máte pravdu, opraveno!