Evropa na cestě k radionuklidovým zdrojům pro vesmír

Návrat na Měsíc i expanzi do vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy chystá i Evropská vesmírná agentura ESA. Pro zajištění tepla a elektřiny během dlouhé měsíční noci nebo marsovské zimy je nutné využít radionuklidové zdroje. V současnosti není zajištěna výroba plutonia 238, které se pro tato zařízení využívalo. Je tak třeba přejít na využití snadněji dostupného americia 241. Na radionuklidových generátorech založených na americiu pracují hlavně ve Velké Británii. V tomto roce se podařilo organizaci ESA významně pokročit v konstrukci nového radionuklidového zdroje založeného na izotopu americia 241 Am. Jeho výhodou je, že jej lze získat z vyhořelého jaderného paliva bez nutnosti dalšího ozařování neutrony ze speciálního reaktoru.

Takové reaktory se v osmdesátých letech odstavily a nové se nevybudovaly. To je zásadní překážkou pro získávání plutonia 238 z neptunia 237, které se pro radionuklidové zdroje energie využívalo doposud. Klíčovou zemí právě pro získávání americia je Velká Británie. Na vývoji jeho produkce pracuje Národní jaderný ústav v Sellafieldu, kde je známý přepracovací jaderný závod, pod dozorem britské vlády a britského úřadu pro jadernou bezpečnost. Na vývoji radionuklidových generátorů tepla a elektřiny pracují společně Univerzita v Leicesteru, Airbus Defence & Space, Lockheed Martin UK, Univerzita královny Marie v Londýně a European Thermodynamics Ltd. Předpokládá se vývoj malé tepelné jednotky s tepelným výkonem 3 W, malého termoelektrického generátoru s elektrickým výkonem 5 – 20 W a generátoru využívajícího Stirlingův motor s elektrickým výkonem okolo 100 W. Daří se připravovat jednotlivé komponenty a v nejbližší době by měl být k dispozici první prototyp.

Jak vypadají radionuklidové zdroje tepla a elektřiny

Prototyp radionuklidové termální jednotky

Prototyp radionuklidové termální jednotky
Zdroj: Univerzita v Leicesteru

Radionuklidové zdroje využívají rozpad jader, při kterých se uvolňuje energie. Ta je předána vznikajícím částicím a dceřinému jádru ve formě kinetické energie. V průběhu jejích zastavení v materiálu se přemění na tepelnou. Tepelnou energii pak lze využít k ohřevu nebo konvertovat na elektrickou. K této přeměně se dá využít jedna ze tří možností. První z nich je termočlánek, který se zatím využíval při všech vesmírných využitích radionuklidových zdrojů. V tomto případě se při využití vhodné kombinace materiálů generuje napětí mezi dvěma konci, které mají různou teplotu. Velikost napětí je úměrná rozdílu teplot. Účinnost konverze závisí na rozdílu teplot a je okolo 6 %. Vyšší efektivitu transformace lze dosáhnout pomocí mechanické přeměny. Jednou z možností je využití Stirlingova motoru. Ten se omezuje spíše na nižší výkony, ale umožňuje dosáhnout účinnosti až přes 30 %. Pro vyšší výkony je vhodnější klasická plynová turbína. Na základě radionuklidového zdroje tak můžeme připravit generátor tepla nebo elektrické energie. Obojí je pro vesmírné aplikace potřeba. Radionuklidové zdroje tepla musí využívat i čínská měsíční mise Čchang-e 4 (podrobněji zde). Je to technologie mise, u které využila Čína spolupráci s Ruskem.

Zjednodušený proces výroby americia

Zjednodušený proces výroby americia

Jak získat americium 241?

Potřebné americium 241 se dá získat z vyhořelého jaderného paliva. Konkrétně ze starého vyseparovaného plutonia. To se dá chemicky z jaderného odpadu vyseparovat. Pokud počkáme dostatečně dlouho, tak se v něm nahromadí právě izotop americia 241 Am. Plutonium je sice směsicí řady různých izotopů tohoto prvku. Ovšem jedině izotop plutonia 241 Pu se přeměňuje rozpadem beta na americium. U všech ostatních se realizuje alfa rozpad a nevzniká tak americium. Poločas rozpadu 241 Pu je zhruba 14,4 let, takže je třeba počkat spíše desítky let a využít separované plutonium, které je už dobře uleželé. Z takového dlouhodoběji skladovaného separovaného plutonia se chemicky vydělí americium, které bude čistým monoizotopickým 241 Am. To pak lze použít pro vesmírný radionuklidový zdroj.

V průběhu separace se získá americium v roztoku (AP4), pro využití se musí převést do pevné formy peletek z oxidu americia (AmO2.) Z tabulky je vidět, že se úspěšně podařilo dosáhnout velmi vysoké čistoty americia

V průběhu separace se získá americium v roztoku (AP4), pro využití se musí převést do pevné formy peletek z oxidu americia (AmO2.) Z tabulky je vidět, že se úspěšně podařilo dosáhnout velmi vysoké čistoty americia
Zdroj: Keith Stephenson, ESA

Americium 241 má oproti plutoniu 238 některé výhody, ale také nevýhody. Hlavní výhodou je popsaný způsob výroby, který nevyžaduje nové speciální ozařování neutrony. Pro velmi dlouhé mise by mohl být výhodou delší poločas rozpadu, který je 432 let. U plutonia 238 je pouhých 87,7 let. Pokles radioaktivity i výkonu je tak pomalejší. Radionuklidový zdroj založený na americiu se tak hodí i pro velmi dlouhé mise trvající i stovku let. Na druhé straně to však je i nevýhoda. Delší poločas rozpadu znamená nižší aktivitu i nižší tepelný výkon, energie rozpadu je totiž v obou případech zhruba stejná, okolo 5,6 MeV. Pro stejný výkon je tak potřeba u americiového zdroje zhruba pětkrát větší objem 241 Am. Další nevýhodou je, že radionuklid 241 Am vyzařuje doprovodné záření gama. Energie je sice nízká, okolo 60 keV, ale intenzita linky s touto energií je 36 %. Vzniká tak při rozpadu s 36 % pravděpodobností. Ostatní linky mají intenzitu velmi malou. U 238 Pu má nejintenzivnější linka, která má energii 43 keV, intenzitu pouhých 0,04 %. Toto plutonium tak neemituje téměř žádné záření gama a nevyžaduje tak kvůli němu speciální stínění. Naopak u americia 241 musíme se zářením gama počítat nejen při manipulaci a zásoba radionuklidu musí být odpovídajícím způsobem stíněná.

Radionuklidové zdroje ESA

Prototypový radionuklidový termoelektrický generátor týmu z Univerzity v Leicesteru

Prototypový radionuklidový termoelektrický generátor týmu z Univerzity v Leicesteru
Zdroj: Univerzita v Leicestaru

Během několika let se výzkumnému týmu Univerzity v Leicesteru podařilo vyvinout první prototypy radionuklidového zdroje tepla s tepelným výkonem 3 W a termoelektrického generátoru s elektrickým výkonem 10 W. Zatím je však testuje pouze s využitím elektrického vytápění. Je tak možné pracovat na potřebných technologiích v normální laboratoři, která nemá podmínky pro práci s radioaktivními materiály.

Testy s americiem 241 Am se teprve připravují. Zatím se totiž podařilo otestovat výrobu gramových množství tohoto radionuklidu. Výsledkem je velmi čisté americium 241 Am. Nyní je nutné postupně vyvinout metodiku jeho produkce v kilogramových množstvích. Předběžně se předpokládá využít palivo v podobě keramického materiálu Am2O3. Národní jaderný ústav v Sellafieldu pracuje na přípravě závodu pro produkci americia 241 Am pro radionuklidové zdroje ve velkém.

Závěr

Dokončení projektu vývoje radionuklidových zdrojů tepla a elektřiny by evropské organizaci ESA umožnilo uskutečnit projekty studia vzdálených oblastí Sluneční soustavy nebo na Měsíci a Marsu. Připomeňme si dva z nich. Prvním je projekt Odinus, což je společný projekt ESA a NASA, který plánuje vyslat dvě dvojice sond, které by využily gravitační pole Jupitera pro urychlení na cestu ke vzdálenějším planetám. První dvojice by byla navedena na oběžnou dráhu okolo Uranu, druhá by se tak stala oběžnicí Neptunu. Okno pro start je v tomto případě v roce 2035.

Další projekt s názvem Heracles je společný s japonskou organizací JAXA, NASA a Kanadou. Zaměřuje se na dlouhodobý průzkum Měsíce ve spolupráci s americkou stanicí kolem Měsíce. Předpokládá práci automatů i během měsíční noci a v blízkosti měsíčních pólů. Malá robotická vozítka budou zkoumat vlastnosti měsíčního povrch a sbírat vzorky. Ty se shromáždí v jednom místě a hromadně odešlou do laboratoří na Zemi. Později se předpokládají hermeticky uzavřená vozidla s lidskou posádkou. Činnost na Měsíci by mohla začít v polovině dvacátých let.

Podrobnější popis vývoje nového jaderného reaktoru pro vesmír je popsán v článku o reaktoru kilopower a další informace o jaderných zdrojích pro vesmír jsou v článku o jaderných zdrojích pro vesmírnou kolonizaci a v dřívějším článku o jaderných zdrojích.

Psáno pro Kosmonautix a Osla.

Testování budoucího vozítka pro Měsíc v Kanadě, připojeno i jeho virtuální zobrazení

Testování budoucího vozítka pro Měsíc v Kanadě, připojeno i jeho virtuální zobrazení
Zdroj: ESA

Evropa na cestě k radionuklidovým zdrojům pro vesmír, 5.0 out of 5 based on 29 ratings
Pin It
(Visited 4 029 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 5.0/5 (29 votes cast)
(Visited 4 029 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


26 komentářů ke článku “Evropa na cestě k radionuklidovým zdrojům pro vesmír”

  1. frank napsal:

    Bohužel si myslím, že až se tahle informace dostane k pokrokovým brzdám, tedy evropským zeleným mozkům , tak tyhle zdroje nebudou moci býti použity, tedy rozhodně ne za využití evropského nosiče a v rámci evropského programu…
    Škoda

    • casso napsal:

      Ja tento clanok chapem tak, ze brzda sa uvolnuje. Myslim, ze europska sonda philae bola dobrym prikladom toho, ze sa oplati mysliet na jadro vo vesmire.

      Zaroven chcem podakovat autorovi za vyborny clanok. Mal by som jednu otazku: Kolko priblizne stoji vyroba takehoto cisteho americia 241? Chemicka separacia vseobecne nemusi byt nakladny proves, ale separacia jadroveho paliva, tak to znie velmi narocne a zlozito.

    • urbis napsal:

      Pokud se to nerozšíří v nějakém masivním množství, tak si toho zelené mozky nevšimnou nebo jim to nebude vadit, protože podobným inovacím většinou fandí. Dnes jsou mnohem větší brzdy kosmického výzkumu popírači globálních změn klimatu, kterým vadí, že programy jako Copernikus poskytují důkazy popírající jejich pravdu.

    • Vojta napsal:

      Záleží, jak to podáte. Dalo by se říct, že je to efektivní způsob, jak se zbavit části jaderného odpadu – vystřelit ho do vesmíru, kde bude nejen neškodný, ale navíc užitečný 😉

  2. milanch napsal:

    výborný článek,
    který ve mě budí zároveň velké rozpaky – nebudeme sice vyvíjet a stavět reaktor na výrobu P238, za to použijeme vyhořelé palivo a získáme 5x slabší zdroj s 1000x větší radioaktivitou
    /nebo jsem vše pochopil blbě???/

    • casso napsal:

      radioaktivita sa meria v jednotkach bequerel a ta udava pocet rozpadov v meranom objekte za sekundu. z tohoto hladiska je americium priblizne 5x menej radioaktivne (5x vacsi polcasrozpadu).

      Nadruhej strane v cisle 1000 mate pravdu v zmysle ze pri rozpade je 1000x pravdepodobnejsie, ze sa vyziari foton (gama ziarenie) ale toto cislo treba vydelit 5x mensou radioaktivitou. cize v konecnom hladisku vyziari 200x viac gama fotonov ako plutonium za rovnaky cas. a ako sa pise v clanku, preto je ho potrebne tienit.

      • pbpitko napsal:

        Pu 238 je takmer čistý alfa žiarič a alfa častice sa dajú takmer úplne odtieniť aj cigaretovým papierom – trošičku prehnané, ale skutočne len trochu.
        pb 🙂

  3. David Navráti napsal:

    Výborný článek, děkuji!

  4. Petr Poruban napsal:

    Velice zajímavý článek.

    Další příklad využití jaderného odpadu z jaderných elektráren. Aby jsme toho odpadu nakonec jednou neměli na potřebné budoucí technologie málo :).

    Zdroj, který může dodávat energii možná i stovky let se bude hodit pro budoucí Voyagery.

    Potřebujeme v Evropě zlomit iracionální přístup k jaderným technologiím.
    Zrovna tak, jako ke Geneticky Modifikovaným Organismům.

    Zfanatizovaným laikům (v těchto případech většínou Zeleným) nemůže být dovoleno zničit rozvoj celé společnosti.

    • urbis napsal:

      Měl by jste číst mnohem více podobných zajímavých článků. Pak by jste možná věděl, že Evropa je naopak jasným leaderem vývoje jaderných technologií a v podstatě jediná, kde se tyto technologie dále významně vyvíjí. Významný odpor je tu jen proti zastaralým, konvenčním jaderným elektrárnám a možná právě proto, že se tu vyvýjí mnohem pokročilejší, (nejen) jaderné technologie.
      A také by jste možná věděl, že nepopularita jádra ve vesmíru není ani tak kvůli ekologii, ale je to odkaz studené války a dohoda mezi USA a SSSR.

      Není tak vůbec náhoda, že i tento výzkum je evropský.

      • Petr Poruban napsal:

        Samozřejmě Evropě fandím. Snad ty ekologisty a jiný egoisty 🙂 překoná. Zatím se zdá, že laici mají větší váhu, než odborníci např. skuteční ekologové.
        Na to jak je Evropa leaderem v jaderných technologiích by vám měl odpovědět přímo pan Wagner. Když už jste u toho čtení tak si zkuste přečíst pár jeho článků na serveru oenergetice.cz. To by vám mohlo otevřít oči. Momentálně se v EU staví nebo uvažuje o stavbě pouze pár Ruských, Čínských nebo Korejských JE. Kde jsou ty Evropské?

        • urbis napsal:

          Vy ale mluvíte o stavbě konvenčních elektráren na zastaralé technologii. Já se bavím o vývoji moderních technologií. Je třeba si uvědomit, že ony Ruské, Čínské a vlastně i Korejské nově budované elektrárny se vývojem téměř neposunuly od technologií, které byly použity při konstrukci Dukovan. Temelín je v mnoha ohledech modernější.
          V součastné Evropě nedává příliš velký smysl stavět tyto konvenční jaderné bloky, protože se dá očekávat, že nebudou ekonomicky konkurenceschopné. Proto ani nestátní akcionáři ČEZu nejsou vůbec nadšení z dostavby Temelína a Dukovan. A doufám, že je taky neoznačíte za ekoteroristy.

          A omlouvám se všem za to, že je tahle diskuze daleko od tématu.

        • urbis napsal:

          Další věcí v případě Ruska a Číny je samozřejmě politika. Tyto země zneužívají konstrukci JE k šíření mocenského vlivu a vynucení si energetické závislosti.

          Ale to už je skutečně dost daleko od tématu.

        • Vojta napsal:

          Ad pan urbis: Evropa je na čele jaderného výzkumu. Především díky výzkumnému komplexu CERN, ale jsou tu i další projekty.
          Ohledně jaderné energetiky je na tom dost špatně. Jak psali už mnozí, vlastní reaktory v podstatě nestaví. Ani ty starého typu (III a III+ generace) a už vůbec ne nového (IV generace). Ty nové už v podstatě ani nezkoumá. Francouzské testovací reaktory Phénix a Superphénix už jsou dávno odstavené. Oproti tomu v Rusku se podobná technologie docela rozmáhá a slušně má našlápnuto i Indie.
          Fúzní reaktory jsou zatím hudbou budoucnosti a spíš se od nic slibuje výzkum plasmatu než použitelné elektrárny. A to ať už jde o mezinárodní projekt ITER nebo německý Wendelstein 7-X.

      • tycka napsal:

        “mnohem pokročilejší”
        Jaké jsou prosím ty pokročilejší ?
        Například ITER rozhodně není ve stádiu nasazení jako normální elektrárna.

        • Racek napsal:

          Máte pravdu. Vedoucími vývoje jaderných technologií – myšleno pro civilní použití jsou dnes … Čína a Rusko. Westingouse (vlastněný Toshibou a nevím komu nedávno prodaný) nemá zakázky a právě dokončuje s řádným zpožděním reaktor v číně, bude sloužit jako referenční i pro nás. Korejci mají slušné reaktory, ale nedávno oznámili ústup od jaderných technologií. Francouzi ústy krásného presidenta také. o kvalitě a dodacích termínech Framatomu mohou referovat Finové. No a Angláni schválii výstavbu 4 jaderných elektráren s … ach ano, Čínských…

        • Spytihněv napsal:

          Racek: Čína a Rusko vedou? Tak nedejbože, aby Rusové dostali jako dáreček dostavbu Dukovan. Lobbing jejich páté kolony v Česku je vydatný. A koukám, že podle vás opravdu jen Čína a Rusko jsou schopní, zbytek světa nestíhá. Komické 🙂

        • Racek napsal:

          Omlouvám se, p. Majere… Panu Spytihněvovi bych doporučil si přečíst každoroční vyhodnocení jaderné energetiky na Oslu, právě od autora článku p. Wagnera. Tam nalezne i příčiny přechodu k  americiu a nedostatku plutonia.

  5. Vladimír Todt napsal:

    No když člověk šte o protestech proti Iteru, tak se dívím, že OK spolkli to, že v noci jsou solární panely asi na nic (možná), ale že jim tam protestně nechtějí nasadit větrnou turbínku na elektriku s tím, že u letadel je to už dávno prověřrný nouzový zdroj, takže musí fungovat i na Měsíci. Ono když člověk poslouchá fanatického zastánce měkkých OZE, tak při debatě zjistí, že celkově má v ideologii rozpory a guláš.
    Mě by zajímalo LCA pro OZE versus klasické a jaderné zdroje a to celkové LCA výrobku od součástek až do konce a likvidaci odpadu. To by tak “veselé” pro OZE nebylo.

  6. ptpc napsal:

    Špičkový článok! 🙂 Dozvedel som sa kopec nových informácii.
    Len by som doplnil že ohrievanie na základe rádioizotopového rozpadu bolo už na sonde Chang´e 3 (ako sa uvádza aj v odkazovanom článku).

    P.S.: V odkazovanom článku je fotka zo štartu sondy Queqiao, ktorá tam ale nepatrí. Štartovalo sa v noci a podľa mňa aj z iného kozmodrómu ako je na predmetnej fotografii.

    • Racek napsal:

      Kvalitní článek od p. Wagnera. A vítané srozumitelné uvedení do problematiky. Přece jen, od mých studií už uplynulo opravdu skoro půl století a moc věcí je opravdu už dnes úplně jinak.

  7. RiMr napsal:

    Díky za zajímavý článek!
    Akorát tohle mi mírně “pozdvihlo obočí” (ale jen malinko 🙂 )
    “Návrat na Měsíc ….chystá i Evropská vesmírná agentura ESA”

    Návrat? ESA tam někdy byla?

  8. athlo napsal:

    Tak doufejme, ze se budou drzet pri zdi, v ramci ekonomicke racionality, nejlepe u vyzkumu.
    Naposledy, co se pokouseli francouzi o komercni stavbu “tovarny na recyklaci radioaktivniho odpadu”, skoncilo to uniky vody a velkym krachem.

Zanechte komentář