Poslední týden jsem psal o tom, jak může nedostatek Pu-238 ovlivnit průzkum vnější sluneční soustavy, ale moc jsem se nezabýval tím, odkud plutonium pochází. Koneckonců, i když existuje stopové množství přírodního plutonia, rozhodně ho není zdaleka tolik, aby mohlo být palivem pro vesmírnou sondu. Tento týden se tedy zdálo, že by stálo za to projít si, kde plutonium získáváme, už jen proto, abychom pochopili, proč NASA (nebo DOE) potřebuje desítky milionů dolarů na jeho výrobu.
V periodické tabulce je plutonium o dvě místa nad uranem – uran má atomové číslo 92 (to znamená, že má 92 protonů) a plutonium je na 94. místě. Abychom vyrobili plutonium, musíme nějakým způsobem přidat dva protony k atomu uranu. Způsob, jakým se to děje, je docela cool – a existují různé cesty v závislosti na izotopu plutonia, který se vyrábí.
Pro výrobu Pu-239, nuklidu používaného v jaderných zbraních, je to poměrně jednoduchý proces. Přírodní uran obsahuje více než 99 % U-238, který se neštěpí tak dobře. Vložte U-238 (který tvoří minimálně 95 % paliva pro reaktory) do středu reaktoru, který kypí neutrony ze štěpení uranu, a ten zachytí neutron a změní se na U-239. To znamená, že U-239 se změní na U-239, který se změní na U-239. U-239 se zase rozpadá vyzařováním částic beta na neptunium-239, které uvolňuje další částice beta. Protože každý rozpad beta přemění neutron na proton, stačí tyto dva rozpady beta k přeměně atomu uranu na atom plutonia. Jeden atom U-238, který pohltí jeden neutron a nechá se dostatečně dlouho ležet, aby prošel dvěma rozpady beta (přibližně několik týdnů), se tedy změní na jeden atom Pu-239. Výroba těžších nuklidů plutonia je stejně snadná – když Pu-239 zachytí další neutrony, změní se na Pu-240, Pu-241, Pu-242 a další. Nejenže je to poměrně snadné, ale děje se to neustále v každém fungujícím jaderném reaktoru.
OK – takže vidíme, jak jednoduchým záchytem neutronů a trpělivostí můžeme získat plutoniové nuklidy těžší než U-238, ale to nám opravdu nepomůže k výrobě Pu-238 potřebného pro pohon kosmické lodi. Výroba lehčího nuklidu je trochu oklikou.
Pamatujte si, že díky záchytu neutronů reaktor vyrábí Pu-241. Ukazuje se, že Pu-241 se také rozpadá emisí beta, čímž vzniká Am-241 – látka, která se používá v detektorech kouře (mimo jiné). Am-241 je zářič alfa a rozpadá se na lehčí odrůdu neptunia (Np-237), která po ozáření neutrony zachytí neutron a vznikne Np-238. Poslední přeměna – poslední rozpad beta – je posledním krokem ke vzniku Pu-238. To je důvod, proč je výroba Pu-238 tak drahá – vyžaduje dvě ozařování (první dostatečně dlouhé, aby vznikl Pu-241), dostatek času na všechny radioaktivní rozpady, aby se plutonium přeměnilo na americium a americium na neptunium, a několik kroků chemického zpracování k izolaci různých zajímavých prvků, které vznikají.
Ačkoli to zní složitě (no, asi to složité je), výroba Pu-238 je poměrně jednoduchá. Věda i technika jsou dobře známé a zavedené a jeho výroba rozhodně nepřináší žádné nové vědecké ani technické poznatky. Ale politika… to je úplně jiná věc.
Jak jsem se zmínil minulý týden, americká výrobní linka Pu-238 byla zastavena před více než dvaceti lety. Od té doby ho kupujeme od Rusů, ale ti mají vlastní kosmický program a navíc omezené zásoby. Takže tato varianta už dlouho fungovat nebude, bez ohledu na budoucnost americko-ruských mezinárodních vztahů.
Nedávný příspěvek na blogu Nuclear Watch naznačil, že USA by mohly být schopny pokrýt své potřeby Pu-238 demontáží jaderných zbraní a sáhnutím do svých zásob šrotu Pu-238 – uvádí, že podle dokumentů Národní laboratoře Los Alamos (LANL) lze jen z jaderných zbraní získat nuklid v hodnotě více než 2000 RTG. Nejsem si však jist, zda mohu toto tvrzení přijmout, především proto, že umístění tohoto nuklidu do jaderné zbraně nedává absolutně žádný smysl. Nemohu se vyjádřit ke „zbytkům“ Pu-238, které se prý v LANL povalují, a Nuclear Watch bohužel neposkytl odkaz na dokumenty LANL, které citoval, takže je obtížné je ověřit nebo dále komentovat. Pokud však v LANL existují zásoby Pu-238, bylo by jistě hezké využít je pro kosmický výzkum – nemluvě o úspoře nákladů na likvidaci.
Jiným způsobem výroby Pu-238 je reaktor s tekutým fluoridem a thoriem (LFTR) – reaktor, který využívá přirozeně se vyskytující thorium (Th-232) k výrobě U-233, který se docela dobře štěpí. Další zachycení neutronů může přeměnit U-233 na Pu-238, který lze chemicky oddělit od paliva. Je toho mnohem více, ale tématu thoriových reaktorů jsem se věnoval poměrně důkladně již v loňském roce (první z těchto příspěvků je na této adrese a ve stejném seriálu jsou ještě další tři) a věnuje se mu také webová stránka Thorium Energy Alliance. Na thoriových reaktorech je kromě schopnosti vyrábět Pu-238 spousta příjemných věcí a je to technologie, která byla rozpracována a otestována – ale USA nejeví známky toho, že by v dohledné době nějaký postavily. Indie a Čína by mohly vyvinout rozsáhlé systémy thoriových reaktorů – ale to, co by tyto země mohly udělat za deset či dvě desetiletí v budoucnosti, pro NASA v příštích několika letech mnoho neudělá. Sečteno a podtrženo, ať už jsou thoriové reaktory jakkoli slibné pro budoucí potřeby, není pravděpodobné, že by nám v dohledné době pomohly vyslat více kosmických lodí do vnější sluneční soustavy.
Takže tady je naše situace. Spojené státy přestaly vyrábět Pu-238 potřebný pro pohon našich sond do hlubokého vesmíru a zásoby tohoto materiálu jsme již v podstatě vyčerpali. V uplynulých letech jsme nakupovali ruský Pu-238, ale ten už dlouho nebude k dispozici, takže jsme zůstali na suchu. V různých zařízeních ministerstva energetiky se možná nacházejí zbytky materiálu – možná i zásoby -, ale demontáží jaderných zbraní to pravděpodobně nepůjde. V dlouhodobém horizontu by mohly být skvělým způsobem reaktory s thoriovým cyklem, ale tyto reaktory dnes nikde na světě nefungují a Američané v dohledné době neplánují žádný z nich postavit. Zdá se, že nám zbývají jen tři možnosti – znovu spustit výrobní linku Pu-238, najít jiný způsob výroby (nebo získání) tohoto materiálu, nebo se omezit na vnitřní sluneční soustavu. Jak jsem se zmínil minulý týden, upřímně doufám, že se nevydáme poslední cestou. Uvidíme tedy, s čím přijdeme – a doufejme, že řešení (a rozhodování) nenecháme na příliš dlouho.
Příspěvek Kde se bere plutonium? se objevil na ScienceWonk, blogu FAS pro názory hostujících odborníků a vedoucích pracovníků.