Чем опасен плутоний 238
СОДЕРЖАНИЕ
История
Начальное производство
Нептуний-237 является побочным продуктом производства плутония-239 оружейного качества, и когда объект был закрыт в 1988 году, 238 Pu был смешан с примерно 16% 239 Pu.
Человеческие радиационные эксперименты
С 10 апреля 1945 года по 18 июля 1947 года 18 человек получили инъекции плутония в рамках Манхэттенского проекта. Вводимые дозы варьировались от 0,095 до 5,9 мкКюри (мкКи).
Поскольку Стивенс прожил около 20 лет после экспериментальной дозы плутония, прежде чем умер от болезни сердца, он пережил самую высокую из известных накопленных доз радиации среди любого человека. Современные расчеты поглощенной дозы при его жизни дают невероятную общую сумму 64 Зв (6400 бэр).
Оружие
В оружейном проекте планировалось производить около 1 кг / год 238 Pu в течение трехлетнего периода. Однако компонент 238 Pu не мог быть произведен в соответствии со спецификациями, несмотря на двухлетние усилия, начатые в Mound в середине 1961 года. Максимальные усилия были предприняты с 3 сменами в день, 6 дней в неделю и увеличением производства 238 Pu в Саванна-Ривер за 3-летний период примерно до 20 кг / год. Ослабление технических требований привело к увеличению производительности около 3%, и производство наконец началось в 1964 году.
Использование в радиоизотопных термоэлектрических генераторах
Начиная с 1 января 1957 года изобретатели РИТЭГов из Mound Laboratories Джордан и Бирден работали над контрактом с армейским корпусом связи (R-65-8-998 11-SC-03-91) на проведение исследований радиоактивных материалов и термопар, подходящих для прямого преобразование тепла в электрическую энергию с использованием полония-210 в качестве источника тепла.
В 1961 году капитан Р.Т. Карпентер выбрал 238 Pu в качестве топлива для первого RTG (радиоизотопного термоэлектрического генератора), который будет запущен в космос в качестве вспомогательной энергии для навигационного спутника ВМС Transit IV. К 21 января 1963 года еще не было принято решение о том, какой изотоп будет использоваться в качестве топлива для больших РИТЭГов для программ НАСА.
В конце 1964 года было завершено строительство завода по производству компонентов вооружения для специальных металлургических зданий, где производилось производство топлива для источников тепла из 238 Pu. В 1969 году в Исследовательском корпусе был также установлен временный завод по производству топлива для изготовления транзитного топлива. После завершения проекта создания оружейного компонента Специальное металлургическое здание, получившее прозвище «Змеиная гора» из-за трудностей, возникших при работе с большими количествами 238 Pu, прекратило работу 30 июня 1968 года, и производство 238 Pu было передано новой компании Plutonium Processing. Здание, специально спроектированное и построенное для работы с большими количествами 238 Pu. Плутонию-238 присвоен самый высокий показатель относительной опасности (152) из всех 256 радионуклидов, оцененных Karl Z. Morgan et al. в 1963 г.
Кардиостимуляторы на атомной энергии
Когда плутоний-238 стал доступен для невоенного использования, были предложены и испытаны многочисленные приложения, включая программу Cardiac Pacemaker, которая началась 1 июня 1966 года совместно с NUMEC. Когда было обнаружено, что источник тепла не останется нетронутым во время кремации, программа была отменена, поскольку не было 100% гарантии того, что кремация не произойдет.
По состоянию на 2007 год было девять живых людей с ядерными кардиостимуляторами из 139 первоначальных получателей. Когда эти люди умирают, предполагается, что кардиостимулятор будет удален и отправлен в Лос-Аламос, где будет извлечен плутоний.
В письме в Медицинский журнал Новой Англии, где обсуждается женщина, получившая Numec NU-5 несколько десятилетий назад и непрерывно работающая, несмотря на первоначальную цену в 5000 долларов, эквивалентную 23000 долларов в долларах 2007 года, последующие расходы составили около 19000 долларов для сравнения. с 55000 долларов на кардиостимулятор с питанием от батареи.
Другим кардиостимулятором с ядерной системой управления был Medtronics «Laurens-Alcatel Model 9000». Приблизительно 1600 кардиостимуляторов и / или аккумуляторных батарей с ядерным питанием были расположены по всей территории Соединенных Штатов, которые могут быть восстановлены группой проекта восстановления источников вне зоны (OSRP) в Национальной лаборатории Лос-Аламоса (LANL).
Производство
Реестр 238 Pu в Соединенных Штатах поддерживает как НАСА (гражданский космос), так и другие приложения для обеспечения национальной безопасности. Министерство энергетики ведет отдельные инвентаризационные счета для двух категорий. По состоянию на март 2015 года для использования в космосе в гражданских целях было доступно в общей сложности 35 кг (77 фунтов) 238 Pu. Из инвентаря 17 кг (37 фунтов) остаются в достаточно хорошем состоянии, чтобы соответствовать спецификациям НАСА по доставке энергии; именно этот запас 238 Pu будет использоваться в многоцелевом радиоизотопном термоэлектрическом генераторе (MMRTG) для миссии Mars Rover 2020 года и двух дополнительных MMRTG для условной миссии NASA в 2024 году. После этого останется 21 килограмм (46 фунтов), при этом примерно 4 килограмма (8,8 фунта) едва соответствуют спецификации НАСА. Этот 21 килограмм (46 фунтов) можно довести до требований НАСА, если он будет смешан с меньшим количеством недавно произведенного 238 Pu, имеющего более высокую плотность энергии.
Производство в США прекращается и возобновляется
Соединенные Штаты прекратили производство массового 238 Pu после закрытия реакторов на сайте Savannah River Site в 1988 году. С 1993 года весь 238 Pu, используемый в американских космических кораблях, закупается в России. В общей сложности было закуплено 16,5 кг (36 фунтов), но Россия больше не производит 238 Pu, а их собственные поставки, как сообщается, истощаются.
В январе 2019 года сообщалось, что некоторые автоматизированные аспекты его производства были реализованы в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси, что, как ожидается, утроит количество плутониевых таблеток, производимых каждую неделю. В настоящее время ожидается, что производительность увеличится с 80 гранул в неделю до примерно 275 гранул в неделю, при общем производстве около 400 граммов в год. Сейчас цель состоит в том, чтобы оптимизировать и масштабировать процессы, чтобы к 2025 году производить в среднем 1,5 кг (3,3 фунта) в год.
Приложения
СОДЕРЖАНИЕ
История
Начальное производство
Нептуний-237 является побочным продуктом производства плутония-239 оружейного качества, и когда объект был закрыт в 1988 году, 238 Pu был смешан с примерно 16% 239 Pu.
Человеческие радиационные эксперименты
С 10 апреля 1945 года по 18 июля 1947 года 18 человек получили инъекции плутония в рамках Манхэттенского проекта. Вводимые дозы варьировались от 0,095 до 5,9 мкКюри (мкКи).
Поскольку Стивенс прожил около 20 лет после экспериментальной дозы плутония, прежде чем умер от болезни сердца, он пережил самую высокую из известных накопленных доз радиации среди любого человека. Современные расчеты поглощенной дозы при его жизни дают невероятную общую сумму 64 Зв (6400 бэр).
Оружие
В оружейном проекте планировалось производить около 1 кг / год 238 Pu в течение трехлетнего периода. Однако компонент 238 Pu не мог быть произведен в соответствии со спецификациями, несмотря на двухлетние усилия, начатые в Mound в середине 1961 года. Максимальные усилия были предприняты с 3 сменами в день, 6 дней в неделю и увеличением производства 238 Pu в Саванна-Ривер за 3-летний период примерно до 20 кг / год. Ослабление технических требований привело к увеличению производительности около 3%, и производство наконец началось в 1964 году.
Использование в радиоизотопных термоэлектрических генераторах
Начиная с 1 января 1957 года изобретатели РИТЭГов из Mound Laboratories Джордан и Бирден работали над контрактом с армейским корпусом связи (R-65-8-998 11-SC-03-91) на проведение исследований радиоактивных материалов и термопар, подходящих для прямого преобразование тепла в электрическую энергию с использованием полония-210 в качестве источника тепла.
В 1961 году капитан Р.Т. Карпентер выбрал 238 Pu в качестве топлива для первого RTG (радиоизотопного термоэлектрического генератора), который будет запущен в космос в качестве вспомогательной энергии для навигационного спутника ВМС Transit IV. К 21 января 1963 года еще не было принято решение о том, какой изотоп будет использоваться в качестве топлива для больших РИТЭГов для программ НАСА.
В конце 1964 года было завершено строительство завода по производству компонентов вооружения для специальных металлургических зданий, где производилось производство топлива для источников тепла из 238 Pu. В 1969 году в Исследовательском корпусе был также установлен временный завод по производству топлива для изготовления транзитного топлива. После завершения проекта создания оружейного компонента Специальное металлургическое здание, получившее прозвище «Змеиная гора» из-за трудностей, возникших при работе с большими количествами 238 Pu, прекратило работу 30 июня 1968 года, и производство 238 Pu было передано новой компании Plutonium Processing. Здание, специально спроектированное и построенное для работы с большими количествами 238 Pu. Плутонию-238 присвоен самый высокий показатель относительной опасности (152) из всех 256 радионуклидов, оцененных Karl Z. Morgan et al. в 1963 г.
Кардиостимуляторы на атомной энергии
Когда плутоний-238 стал доступен для невоенного использования, были предложены и испытаны многочисленные приложения, включая программу Cardiac Pacemaker, которая началась 1 июня 1966 года совместно с NUMEC. Когда было обнаружено, что источник тепла не останется нетронутым во время кремации, программа была отменена, поскольку не было 100% гарантии того, что кремация не произойдет.
По состоянию на 2007 год было девять живых людей с ядерными кардиостимуляторами из 139 первоначальных получателей. Когда эти люди умирают, предполагается, что кардиостимулятор будет удален и отправлен в Лос-Аламос, где будет извлечен плутоний.
В письме в Медицинский журнал Новой Англии, где обсуждается женщина, получившая Numec NU-5 несколько десятилетий назад и непрерывно работающая, несмотря на первоначальную цену в 5000 долларов, эквивалентную 23000 долларов в долларах 2007 года, последующие расходы составили около 19000 долларов для сравнения. с 55000 долларов на кардиостимулятор с питанием от батареи.
Другим кардиостимулятором с ядерной системой управления был Medtronics «Laurens-Alcatel Model 9000». Приблизительно 1600 кардиостимуляторов и / или аккумуляторных батарей с ядерным питанием были расположены по всей территории Соединенных Штатов, которые могут быть восстановлены группой проекта восстановления источников вне зоны (OSRP) в Национальной лаборатории Лос-Аламоса (LANL).
Производство
Реестр 238 Pu в Соединенных Штатах поддерживает как НАСА (гражданский космос), так и другие приложения для обеспечения национальной безопасности. Министерство энергетики ведет отдельные инвентаризационные счета для двух категорий. По состоянию на март 2015 года для использования в космосе в гражданских целях было доступно в общей сложности 35 кг (77 фунтов) 238 Pu. Из инвентаря 17 кг (37 фунтов) остаются в достаточно хорошем состоянии, чтобы соответствовать спецификациям НАСА по доставке энергии; именно этот запас 238 Pu будет использоваться в многоцелевом радиоизотопном термоэлектрическом генераторе (MMRTG) для миссии Mars Rover 2020 года и двух дополнительных MMRTG для условной миссии NASA в 2024 году. После этого останется 21 килограмм (46 фунтов), при этом примерно 4 килограмма (8,8 фунта) едва соответствуют спецификации НАСА. Этот 21 килограмм (46 фунтов) можно довести до требований НАСА, если он будет смешан с меньшим количеством недавно произведенного 238 Pu, имеющего более высокую плотность энергии.
Производство в США прекращается и возобновляется
Соединенные Штаты прекратили производство массового 238 Pu после закрытия реакторов на сайте Savannah River Site в 1988 году. С 1993 года весь 238 Pu, используемый в американских космических кораблях, закупается в России. В общей сложности было закуплено 16,5 кг (36 фунтов), но Россия больше не производит 238 Pu, а их собственные поставки, как сообщается, истощаются.
В январе 2019 года сообщалось, что некоторые автоматизированные аспекты его производства были реализованы в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси, что, как ожидается, утроит количество плутониевых таблеток, производимых каждую неделю. В настоящее время ожидается, что производительность увеличится с 80 гранул в неделю до примерно 275 гранул в неделю, при общем производстве около 400 граммов в год. Сейчас цель состоит в том, чтобы оптимизировать и масштабировать процессы, чтобы к 2025 году производить в среднем 1,5 кг (3,3 фунта) в год.
Приложения
Плутоний-238
Таблетка диоксида плутония-238 (применяется в РИТЭГах), раскаленная докрасна вследствие значительного энерговыделения в условиях термической изоляции.
Плуто́ний-238 (англ. plutonium-238 ) — радиоактивный нуклид химического элемента плутония с атомным номером 94 и массовым числом 238. Является первым открытым изотопом плутония. Был открыт в 1940 году Гленом Сиборгом, Дж. Кеннеди, Артуром Валем (англ.) и Э. М. Макмилланом [3] в результате бомбардировки урана-238 дейтронами [4] :
Один грамм чистого плутония-238 генерирует приблизительно 0,567 Вт мощности.
Содержание
Образование и распад
Плутоний-238 образуется в результате следующих распадов:
Распад плутония-238 происходит по следующим направлениям:
Получение
Плутоний-238 образуется в любом ядерном реакторе, работающем на природном или малообогащённом уране, содержащем в основном изотоп 238 U. При этом происходят следующие ядерные реакции [4] [6] :
Применение
См. также
Примечания
Полезное
Смотреть что такое «Плутоний-238» в других словарях:
Плутоний-239 — Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Плутоний 239, 239Pu Нейтронов 145 Протонов 94 Свойства нуклида Атомная масса 239,0521634(20) … Википедия
238 (число) — 238 двести тридцать восемь 235 · 236 · 237 · 238 · 239 · 240 · 241 Факторизация: 2×7×17 Римская запись: CCXXXVIII Двоичное: 11101110 Восьмеричное: 356 Шестнадцатеричное: EE … Википедия
Плутоний — 94 Нептуний ← Плутоний → Америций Sm ↑ Pu … Википедия
Плутоний (элемент) — Плутоний (Pu) Атомный номер 94 Внешний вид простого вещества Свойства атома Атомная масса (молярная масса) 244,0642 а. е. м. (г/моль) … Википедия
ПЛУТОНИЙ — (Plutonium), Pu, искусств … Физическая энциклопедия
плутоний — — [http://www.eionet.europa.eu/gemet/alphabetic?langcode=en] EN plutonium A highly toxic metallic transuranic element. It occurs in trace amounts in uranium ores and is produced in a nuclear reactor by neutron bombardment of uranium 238.… … Справочник технического переводчика
плутоний — (по назв. планеты Плутон) радиоактивный хим. элемент, символ Pu (лат. plutonium), относится к актиноидам; получен искусственно, изотоп плутоний 239 нашел исключительно важное применение при получении ядерной энергии; в природе п. встречается в… … Словарь иностранных слов русского языка
Промышленный плутоний — получают облучением урана 238 в ядерных реакторах. Это очень тяжелый (относительная плотность 19,8) радиоактивный и сильно токсичный элемент. Он аналогичен урану по внешнему виду и по окисляемости. Плутоний в промышленности поставляется в таком… … Официальная терминология
Радионуклид плутоний-239 — получается в реакторах, работающих на природном уране 238. Распадается с испусканием альфа частиц с энергией 5,14 МэВ. Период полураспада 24065 лет. Относится к группе Б радиационной опасности. Концентрируется в костях, легких, желудочно кишечном … Официальная терминология
Актиноиды — Общие сведения Состав группы торий, протактиний, уран, нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий … Википедия
Плутоний 238
| Символ | 238 94 Мог |
|---|---|
| Нейтронов | 144 |
| Протоны | 94 |
| Период полураспада | 87,75 года |
|---|---|
| Атомная масса | 238,0495599 г / моль u |
Один грамма плутония 238 имеет альфа радиоактивность из 633,2 G Ок а также 1134 спонтанных делений в секунду.
Резюме
Ядерные свойства
Затем 234 U дает, в свою очередь, торий 230 в результате α-распада с периодом 245 500 лет, то есть с чрезвычайно низкой относительной скоростью. Следовательно, большая часть радиоактивности плутония-238 соответствует распаду этого элемента.
Пространственное использование в РИТЭГах
Таким образом, наблюдаемая мощность генераторов « Вояджера-1» и « Вояджера-2» в 2001 г. не превышала 315 Вт и 319 Вт соответственно.
Таким образом, изменение относительной электрической мощности примерно пропорционально квадрату произведенной тепловой мощности:
Таким образом, мы можем видеть, что поставленная электрическая мощность ( Pe ) изменяется как: Pe = Pe 0 × 0,5 ( 2 т / 87,75) ; что означает, что все происходит так, как если бы период радиоизотопа был разделен на 2.
Можно также сказать, что термопары работали на 80% от номинального КПД.
История
Производство
Физический принцип
Ядерного реактора
Мировая ситуация
Большая часть плутония-238, используемого сегодня, поступает из России : хотя Соединенные Штаты имеют достаточную инфраструктуру для производства и очистки этого изотопа с высокой степенью направленности, эти установки больше не функционируют, поэтому весь 238 Pu, используемый космической программой США с 1993 года, был быть импортированным.
# чтиво | Нехватка запасов плутония-238 ставит под угрозу исследование космоса
В 1977 году космический аппарат «Вояджер-1» покинул Землю для пятилетней миссии по исследованию Юпитера и Сатурна. Тридцать шесть лет спустя зонд размером с машину все еще исследует космос, отправляя данные домой. Между ним и Солнцем — 19 миллиардов километров. На прошлой неделе NASA сообщила, что «Вояджер-1» стал первым в мире звездолетом.
Расстояние, которое прошел этот звездный «автомобиль» невообразимо. Это так далеко, что сигнал от зонда доходит до Земли за 17 часов. По дороге «Вояджер-1» прислал ученым первые близкие снимки Сатурна, первые снимки колец Юпитера, открыл множество лун, кружащих вокруг этих планет, а также выяснил, что луна Юпитера Ио полна активных вулканов. Теперь космический корабль изучает границу Солнечной системы, проходя через остатки гелиосферы, где еще ощущается влияние Солнца, и гелиопаузу, где космические токи борются с солнечным ветром.
Едва ли хоть что-то из вышесказанного было бы возможно без трех батарей космического корабля, заполненных плутонием-238. Большая часть того, что человечество знает о внешних планетах, стало известно благодаря силе плутония. Нынешние исследования Сатурна зондом «Кассини», путешествие «Галилея» к Юпитеру, работа «Кьюриосити» на поверхности Марса и облет Плутона аппаратом New Horizon в 2015 году тоже будет плутониевым. Особенности радиоактивного распада этого металла делают его сверхтопливом. Что более важно, нет никакой жизнеспособной альтернативы. Солнечная энергия слишком слаба, химические батареи живут недолго, системы ядерного деления слишком тяжелые.
Запасы почти исчерпаны.
«Нам хватит, чтобы дотянуть до конца этого десятилетия. Вот и все», — говорит Стив Джонсон, химик-ядерщик из Национальной лаборатории Айдахо. И это не только американские резервы. Запасы кончились почти на всей планете.
Здесь делают плутоний-238
Так быть не должно. Необходимое сырье, реакторы и инфраструктура для производства плутония-238 (который, в отличие от плутония-239, невозможно использовать для создания ядерной бомбы) — все готово. Более того, правительство США недавно одобрило траты в 10 миллионов долларов в год на восстановление производства, свернутого почти 20 лет назад. В марте Министерство энергетики даже произвело небольшое количество свежего плутония на ядерном реакторе в Теннесси.
Отличный старт, но кризис далеко не решен. Политическое невежество и близорукость Штатов, наряду с ложными обещаниями России, а также мелочное управление, которым славится NASA, все это мешает производству плутония-238. Что в результате? Исследование Солнечной системы стоит на краю пропасти. Один амбициозный космический полет может истощить оставшиеся запасы плутония, а любые отклонения в будущей цепочке поставок может сорвать любую из грядущих миссий.
Единственный природный источник плутония-238 иссяк еще до того, как Земля окончательно сформировалась, около 4,6 миллиарда лет назад. Серебристый металл производят взрывающиеся звезды, но время его полураспада, или время, необходимое для 50-процентного исчезновения материала, составляет менее 88 лет.
К счастью, мы выяснили, как производить его самостоятельно и использовать для создания крайне надежного источника энергии. Как и другие радиоактивные материалы, плутоний-238 распадается, потому что его атомная структура неустойчива. Когда ядро атома спонтанно распадается, оно выстреливает гелиевое ядро на высокой скорости, оставляя за собой атом урана. Эти пули гелия, называемые альфа-излучением, массово сталкиваются с ближайшими атомами внутри куска плутония — материала, который в два раза плотнее свинца. Эта энергия может нагреть плутониевую шайбу до 1260 градусов Цельсия. Чтобы превратить эту энергию в полезную мощность, вы заворачиваете в шайбу термоэлектрику, которая преобразуют тепло в электричество.
Вуаля. У нас есть батарейка, которая может питать космический корабль десятилетиями.
«Это волшебный изотоп. Просто прекрасный», — говорит Джим Адамс, заместитель главного технолога NASA и бывший заместитель директора отделения планетарной науки.
В США производство ведется в двух ядерных лабораториях, которые производят плутоний-238 в качестве побочного продукта от производства «более полезного государству» плутония-239. Hanford Site в штате Вашингтон выкидывает плутоний-238 вместе с коктейлем из ядерных отходов. Savannah River Site в Южной Каролине, стоит отметить, извлекла и переработала более 180 килограмм во время холодной войны, чтобы обеспечить питанием спутники-шпионы и десятки мелких космических корабликов NASA.
К 1988 году, когда железный занавес засиял дырами, США и Советский Союз начали демонтаж военных ядерных объектов. Хэнфорд и Саванна Ривер перестали производить плутоний-238. Но Россия продолжала добывать материал путем обработки ядерного топлива на ядерном промышленном комплексе «Маяк». Россия продала первый пакет плутония, весом в 18 килограмм, Штатам в 1993 году по цене более 1 500 000 долларов за килограмм. Россия стала единственным поставщиком планеты, но вскоре перестала принимать заказы. В 2009 году она отказалась продавать 11 килограмм США.
Осталось ли у России что-нибудь и может ли она сделать еще — неизвестно.
«Что мы знаем наверняка, так это то, что они не хотят продавать больше плутоний», — сказал Алан Ньюхаус, бывший консультант по ядерной энергетики, который возглавил покупку первого запаса плутония-238 у России. — «Я слышал, что им больше нечего продавать».
К 2005 году, по данным отчета министерства энергетики, правительство США располагало 40 килограммами, из которых две трети предназначались для проектов национальной безопасности, скорее всего, оборудования глубоководного шпионажа. Wired сообщает, что Министерство энергетики не разглашает, сколько топлива осталось на сегодняшний день, но ученые говорят, что у NASA осталось всего 18 килограмм.
Этого достаточно, чтобы космическое агентство запустило несколько небольших космический миссий до 2020 года. Близнец марсохода «Кьюриосити» должен отправиться на Марс в 2020 году и он потребует треть запасов. После этого межзвездные программы исследований NASA останутся ни с чем — особенно самые прожорливые, вроде «Орбитера», который должен был полететь на Европу. Чтобы искать признаки жизни на ледяном спутнике Юпитера, космическому кораблю понадобится более 25 килограмм плутония.
Advanced Test Reactor
Многие из восьми глубоких космических миссий, которые NASA хочет осуществить в следующие 15 лет, уже отменены или задержаны. Другие миссии — некоторые из которых еще не предложены — даже не открывают свой рот, глядя на бедность NASA в плане плутония. С 1994 года ученые умоляли власть имущих перезапустить производство. Министерство энергетики считает, что даже скромные 10-20 миллионов ежегодного финансирования до 2020 года смогут дать нам от полутора до пять килограмм плутония-238 в год. Это достаточно, чтобы космические аппараты могли спокойно «вздохнуть».
В 2012 году одной строкой в 17-миллиардном бюджете NASA было 10 миллионов на эксперимент по созданию небольшого количества плутония-238. Цели: оценить, сколько можно сделать вообще; оценить стоимость полномасштабного производства; доказать, что США могли бы запустить производства снова. Это была половина денег, запрошенных NASA и Министерством энергетики (закон запрещает NASA производить плутоний-238). Эксперимент может продлиться еще семь лет и обойтись порядка 85-125 миллионов долларов.
В Национальной лаборатории Oak Ridge в Теннесси ядерные ученые использовали реактор High Flux Isotope, чтобы сделать несколько микрограмм плутония-238. Полностью переработанная программа по производству плутония была описана в плане Министерства энергетики, опубликованном на прошлой неделе, и она будет задействовать также второй реактор к западу от Айдахо-Фоллс под названием Advanced Test Reactor.
Этот объект расположен на ранчо Национальной лаборатории Айдахо. Солнце хорошо поджаривает эту пустынную местность. Вооруженные охранники останавливают и проверяют транспорт на придорожной заставе. Все закрыто колючей проволокой и электрифицированными ограждениями.
За последней контрольной точкой безопасности прячется комната размером с небольшой склад с бетонным полом. Пол исчерчен желтыми линиями, которые выделяют небольшой бассейн, закрытый металлической крышкой. За ней — 18 метров воды, которая поглощает излучение. На полпути до дна хранится двухметровое ядро реактора в форме четырехлистного клевера, продиктованной клиновидными карандашами урана.
Нептуний, прямой сосед плутония в периодической таблице и стабильный побочный продукт эпохи ядерных реакторов холодной войны, это материал, из которого легче всего сделать плутоний-238. В том месте, куда указал Джонсон, инженеры берут рулоны с нептунием-237 и опускают их в активную зону реактора. Атом нептуния-237 поглощает нейтрон, испускаемый распадающимся ядром урана, теряет электрон и становится плутонием-238. Спустя год или два — после того как исчезнут вредные изотопы — техники купают рулоны в кислоте, удаляют плутоний и отправляют нептуний для новых переработок.
Неизбежность радиоактивного распада и ограниченное пространство реактора означает, что может понадобиться от пяти до семи лет, чтобы сделать полтора килограмма чистого и готового к использованию плутония. Даже если будет запущено полное производство, NASA выжмет все до последнего ватта из того, что всегда будет довольно небольшим запасом.
Стандартный источник питания, который называется многоцелевым термоэлектрическим генератором, — тот самый, который питает «Кьюриосити» — не будет брать это в расчет для исследований будущего.
«Они надежные, но используют чертовски много плутония», — говорит Джонсон.
Другими словами, NASA не просто нужен новый плутоний. Агентство нуждается в новой батарее.
В суматохе подвала Исследовательского центра Гленна NASA в Кливленде прячутся металлические клетки и прозрачные пластиковые коробки с гудящими устройствами. Многие из них похожи на штанги из нержавеющей стали длиной около метра, опутанные проводами; другие напоминают белые ящики размером с две небольших тумбочки.
Этот «зверинец» машин состоит из прототипов следующего поколения ядерно-энергетических систем NASA под названием «передовой радиоизотопный генератор Стирлинга» (Advanced Stirling Radioisotope Generator). Он обещает быть крайне эффективной ядерной батареей, превзойдя любую до него.
Снаружи машины неподвижны. Внутри происходит шквальное движение цикла Стирлинга, разработанного в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Бензиновые двигатели сжигают топливо для быстрого расширения воздуха, который толкает поршни, но преобразователям Стирлинга нужен только тепловой градиент. Чем больше разница между горячей и холодной частями двигателя Стирлинга, тем быстрее работают поршни. Когда тепло нагревает один конец герметичной камеры, содержащей гелий, газ расширяется, толкая груженый магнитом пистон по трубе из проволочной спирали для выработки электроэнергии. Холодный газ возвращается на горячую сторону, засасывая поршень назад для перезапуска цикла.
«Ничто ни с чем не соприкасается. В этом прелесть преобразователя», — рассказал Ли Мейсон, один из нескольких инженеров NASA, собравшихся в подвале. Их поршни плавают, как шайбы в воздушном хоккее, только в гелии.
На каждые 100 ватт выработанного тепла, генератор Стирлинга превращает более 30 ватт в электричество. Это почти в пять раз лучше, чем у ядерной батареи, питающей «Кьюриосити». Генератор может использовать одну четвертую плутония, в то время как электрическая мощность вырастет по крайней мере на 25 %. Меньше плутония — значит, эти моторы будут весить на две трети меньше, чем 50-килограммовая батарея «Кьюриосити». Важная разница для космического корабля, который отправится на далекое расстояние. «Кьюриосити» был самым большим и тяжелым аппаратом NASA, который агентство отправило на Марс, причем подавляющая часть массы его была посвящена безопасной посадке, а не науке. Уменьшение веса расширяет возможности для добавления интересных инструментов в будущих полетах.
Однако технология генератора Стирлинга относительно сложна, что беспокоит людей, проектирующих полеты в глубокий космос.
«Люди переживают за то, что данное устройство имеет движущиеся части», — рассказал Джон Хэмли, менеджер программы ядерных батарей NASA. Движение может помешать инструментам космического корабля, которые должны быть достаточно чувствительными, чтобы картографировать гравитацию, электромагнетизм и другие тонкие явления в космосе.
В качестве решения проблемы, каждый генератор использует два преобразователя Стирлинга, расположенных друг напротив друга. Бортовой компьютер постоянно синхронизирует их движения, чтобы взаимно компенсировать мешающие вибрации. Чтобы обнаружить и поправить недостатки конструкции, инженеры запихнули свои генераторы в вакуумные камеры, поставили на трясущиеся столы и забросали мощными вспышками излучения и магнетизма.
Первый прототип передового радиоизотопного генератора Стирлинга
Обычно NASA испытывает новые технологии в полтора раза дольше, чем нужно, прежде чем запустить их в космос. Генератору Стирлинга понадобится 25 лет. Испытания начались еще в 2001 году, сократив задержку до 13 лет — но это больше, чем NASA может ждать. В 2008 году только одна из 10 ядерных миссий задействовала устройство. К 2010 году в семи из восьми миссий, запланированных до 2027 года, потребовались генераторы.
Чтоб ускорить процесс, Хэмли и его команда работают с десятью разными единицами одновременно. Самое старое устройство почти непрерывно работает уже 10 лет, а новая конструкция была запущена в 2009 году. Общее количество данных с генераторов Стирлинга записано на 50 лет, что достаточно для моделирования быстрой перемотки вперед и активного испытания. Хэмли говорит, что все работает стабильно. В настоящее время его команда строит два полетоспособных генератора, третий будет тестироваться на земле.
Но при всем обещании технологий, это «не решит проблему», говорит Джон. Даже с использованием генератора Стирлинга запасов плутония-238 хватит только до 2022 года.
Любые задержки в финансировании программы производства плутония-238 поставят планетарную науку в тупик или задушат построенные на ядерном топливе миссии. Взгляды ученых одновременно и оптимистичные, и грустные.
Почему? Понадобилось огромное количество ученых и лоббистов, чтобы за 15 лет привлечь хоть какое-нибудь внимание правления. Печальный доклад о «Проблеме» 2009 года был подписан более чем пятью десятками ученых, что в конечном счете помогло выбить хоть какое-то финансирование из национального бюджета в 2009 году. Конгрессу потребовалось три года, чтобы понять, можно ли выделить на это 20 миллионов долларов из денег налогоплательщиков.
«Не проходит и дня, когда я не думаю о плутонии-238», — рассказал Джим Адамс, бывший заместитель начальника отделения планетарной науки NASA.
В нескольких шагах от стенда находится модель первого «Викинга», который приземлился на Марс в 1976 году и начал копать планету в поиска воды и жизни. Он не нашел ничего. «Мы копнули недостаточно глубоко», — говорит Адамс. — «Всего на 4 сантиметра ниже глубины, до которой дошел «Викинг», был слой нетронутого льда».
Этажом выше висит модель «Вояджера», подвешенная под потолком. Три ядерных источника питания на борту реального космического аппарата были тем, что позволило «Вояджеру-1» и его близнецу «Вояджеру-2» оставаться на связи с Землей спустя 36 лет. Любой другой тип питания иссяк бы десять лет назад.
Та же технология питает аппарат «Кассини», который продолжает исследование Сатурна, отправляя бесценный поток данных и удивительных снимков планеты и ее многочисленных лун. Будущий облет Плутона «Новыми горизонтами» едва ли был бы возможен без такого надежного источника питания.
«Викингу» нужно было копнуть глубже. Теперь это нужно сделать и нам.