I sidste uge skrev jeg om, hvordan manglen på Pu-238 kan få betydning for udforskningen af det ydre solsystem, men jeg kom ikke meget ind på, hvor plutoniumet kommer fra. Selv om der trods alt findes spor af naturligt plutonium, er der bestemt ikke nær nok til at give brændstof til en rumsonde. Så i denne uge syntes jeg, at det kunne være værd at gennemgå, hvor vi får vores plutonium fra, om ikke andet så for at forstå, hvorfor NASA (eller DOE) har brug for titusindvis af millioner af dollars for at producere det.
Plutonium er på det periodiske system to pladser over uran – uran har et atomnummer på 92 (dvs. det har 92 protoner) og plutonium er på 94. For at lave plutonium er vi på en eller anden måde nødt til at tilføje to protoner til et uranatom. Den måde, det sker på, er ret cool – og der er forskellige veje afhængig af den plutoniumisotop, der skal fremstilles.
For at fremstille Pu-239, den nuklid, der bruges i atomvåben, er det en ret simpel proces. Naturligt uran består af over 99 % U-238, som ikke spalter så godt. Sæt U-238 (som udgør mindst 95 % af reaktorbrændstoffet) midt i en reaktor, som syder af neutroner fra uranspaltning, og det vil fange en neutron og blive til U-239. U-239 henfalder igen ved at udsende en betapartikel til neptunium-239, som afgiver endnu en betapartikel. Da hvert beta-fald omdanner en neutron til en proton, er disse to beta-fald tilstrækkeligt til at omdanne et uranatom til et plutoniumatom. Et enkelt U-238-atom, der absorberer en enkelt neutron og får lov til at sidde længe nok til at gennemgå to beta-fald (et par uger eller deromkring), vil således blive til et enkelt atom af Pu-239. Det er lige så let at fremstille tungere plutoniumnuklider – når Pu-239 opfanger yderligere neutroner, bliver det til Pu-240, Pu-241, Pu-242 og flere andre. Ikke alene er det ret nemt, men det sker hele tiden i enhver fungerende atomreaktor.
OK – så vi kan se, hvordan simpel neutronindfangning og tålmodighed kan give os plutoniumnuklider, der er tungere end U-238, men det hjælper os virkelig ikke til at fremstille det Pu-238, der er nødvendigt for at drive et rumfartøj. At fremstille den lettere nuklid er lidt mere omstændeligt.
Husk, at en reaktor ved hjælp af neutronindfangning producerer Pu-241. Det viser sig, at Pu-241 også henfalder ved beta-emission og danner Am-241 – det stof, der bruges i røgdetektorer (blandt andet). Am-241 er en alfa-emitter, og det henfalder til en lettere variant af neptunium (Np-237), som ved neutronbestråling fanger en neutron og bliver til Np-238. En sidste omdannelse – et sidste beta-henfald – er det sidste skridt til fremstilling af Pu-238. Det er grunden til, at Pu-238 er så dyrt – at fremstille det kræver to bestrålinger (den første længe nok til at producere Pu-241), tid nok til, at alle de radioaktive henfald kan omdanne plutonium til americium og americium til neptunium, og flere trin af kemisk behandling for at isolere de forskellige grundstoffer af interesse, der dannes.
Og selv om det lyder indviklet (ja, det er det vel også), er det ret ligetil at fremstille Pu-238. Videnskaben og teknikken er både velkendt og veletableret, og fremstillingen er bestemt ikke videnskabeligt eller teknisk nytænkende. Men politikken … det er en helt anden sag.
Som jeg nævnte i sidste uge, lukkede den amerikanske Pu-238-produktionslinje ned for over to årtier siden. Siden da har vi købt det fra russerne, men de har deres eget rumprogram og har begrænsede lagre oven i købet. Så denne mulighed kommer ikke til at fungere meget længere, uanset fremtiden for de internationale relationer mellem USA og Rusland.
Et nyligt blogindlæg fra Nuclear Watch foreslog, at USA måske kunne dække sit Pu-238-behov ved at demontere atomvåben og ved at grave i sin beholdning af Pu-238-skrot – det bemærker, at dokumenter fra Los Alamos National Laboratory (LANL) viser, at over 2000 RTG’er af nuklidet kan genvindes alene fra atomvåben. Men jeg er ikke sikker på, at jeg kan acceptere denne påstand, først og fremmest fordi det ikke giver nogen som helst mening at anvende denne nuklid i et atomvåben. Jeg kan ikke udtale mig om de “rester” af Pu-238, som LANL siges at have liggende, og desværre har Nuclear Watch ikke givet et link til de LANL-dokumenter, de citerede, hvilket gør det vanskeligt at kontrollere eller kommentere yderligere. Men hvis der er et Pu-238-lager hos LANL, ville det bestemt være rart at udnytte det til rumforskning – for ikke at nævne besparelserne på bortskaffelsesomkostningerne.
En anden måde at fremstille Pu-238 på er i en flydende fluoridthoriumreaktor (LFTR) – en reaktor, der bruger naturligt forekommende thorium (Th-232) til at avle U-233, som spaltes ganske fint. Ved yderligere neutronindfangning kan U-233 omdannes til Pu-238, som kan adskilles kemisk fra brændslet. Der er meget mere om emnet end dette, men jeg dækkede emnet thoriumreaktorer ret grundigt sidste år (det første af disse indlæg findes på denne URL, og der er tre andre i samme serie), og det er også dækket på Thorium Energy Alliance’s websted. Der er mange gode ting ved thoriumreaktorer ud over deres evne til at producere Pu-238, og det er en teknologi, der er blevet udarbejdet og afprøvet – men USA viser ingen tegn på at bygge nogen af dem i den nærmeste fremtid. Indien og Kina vil måske udvikle omfattende thoriumreaktorsystemer – men hvad disse nationer måtte gøre et årti eller to i fremtiden, vil ikke gøre meget for NASA i de næste par år. Det er i sidste ende sådan, at uanset hvor lovende de måtte være for fremtidige behov, vil thoriumreaktorer sandsynligvis ikke hjælpe os med at sende flere rumfartøjer til det ydre solsystem inden for den nærmeste fremtid.
Så her er hvor vi står. USA er holdt op med at producere det Pu-238, der er nødvendigt for at drive vores dybrumssonder, og vi har stort set opbrugt vores lagre af materialet. I de mellemliggende år har vi købt russisk Pu-238, men det vil ikke være tilgængeligt meget længere, så vi står på bar bund. Der kan være rester af materialet – måske endda lagre – på forskellige DOE-anlæg, men det er nok ikke nok at demontere atomvåben. På lang sigt kan thoriumcyklusreaktorer være en god måde at lave det på, men disse reaktorer er ikke i drift nogen steder i verden i dag, og der er ingen amerikanske planer om at bygge nogen af dem i den nærmeste fremtid. Det lader til at efterlade os med kun tre muligheder – genstarte vores Pu-238-produktionslinje, finde en anden måde at fremstille (eller skaffe) materialet på, eller begrænse os til det indre solsystem. Som jeg nævnte i sidste uge, håber jeg inderligt, at vi ikke går den sidste vej. Så lad os se, hvad vi kan finde på – og lad os håbe, at vi ikke lader løsningen (og beslutningerne) stå for længe tilbage.
Indlægget Hvor kommer plutoniumet fra? vises på ScienceWonk, FAS’ blog for udtalelser fra gæsteeksperter og ledere.