Viime viikolla kirjoitin siitä, miten Pu-238:n puute saattaa vaikuttaa Aurinkokunnan ulkopuolisten alueiden tutkimiseen, mutta en juurikaan perehtynyt siihen, mistä plutonium on peräisin. Loppujen lopuksi, vaikka luonnon plutoniumia on pieniä määriä, sitä ei todellakaan ole läheskään tarpeeksi avaruusluotaimen polttoaineeksi. Niinpä tällä viikolla tuntui siltä, että voisi olla syytä käydä läpi, mistä saamme plutoniumia, jo pelkästään siksi, että ymmärtäisimme, miksi NASA (tai DOE) tarvitsee kymmeniä miljoonia dollareita sen tuottamiseen.
Jaksollisessa järjestelmässä plutonium on kaksi pykälää uraanin yläpuolella – uraanin järjestysluku on 92 (eli siinä on 92 protonia) ja plutoniumin 94. Plutoniumin valmistamiseksi meidän on jotenkin lisättävä kaksi protonia uraaniatomiin. Tapa, jolla tämä tapahtuu, on tavallaan siisti – ja on olemassa erilaisia reittejä riippuen siitä, mitä plutoniumin isotooppia halutaan valmistaa.
Pu-239:n, ydinaseissa käytettävän nuklidin, valmistaminen on melko yksinkertainen prosessi. Luonnonuraani sisältää yli 99 % U-238:a, joka ei fissioitu kovin hyvin. Kun U-238 (joka muodostaa vähintään 95 % reaktoripolttoaineesta) laitetaan keskelle reaktoria, joka kuohuu uraanin fissiosta aiheutuvista neutroneista, se vangitsee neutronin ja muuttuu U-239:ksi. U-239 puolestaan hajoaa lähettämällä beetahiukkasen neptunium-239:ksi, joka lähettää toisen beetahiukkasen. Koska jokainen beetahajoaminen muuttaa neutronin protoniksi, nämä kaksi beetahajoamista riittävät muuttamaan uraaniatomin plutoniumiksi. Yksittäinen U-238-atomi, joka absorboi yhden neutronin ja jonka annetaan viipyä tarpeeksi kauan kahden beetahajoamisen ajan (noin muutaman viikon ajan), muuttuu yhdeksi Pu-239-atomiksi. Raskaampien plutoniumnuklidien valmistaminen on yhtä helppoa – kun Pu-239 vangitsee lisää neutroneita, siitä tulee Pu-240, Pu-241, Pu-242 ja niin edelleen. Se ei ole vain melko helppoa, vaan sitä tapahtuu koko ajan missä tahansa toimivassa ydinreaktorissa.
OK – voimme siis nähdä, miten yksinkertaisella neutronien vangitsemisella ja kärsivällisyydellä saadaan U-238:aa raskaampia plutoniumnuklideja, mutta tämä ei todellakaan auta meitä valmistamaan Pu-238:aa, jota tarvitaan avaruusaluksen käyttövoimaksi. Kevyemmän nuklidin valmistaminen on hieman kiertotietä.
Muistakaa, että neutronikaappauksen avulla reaktori tuottaa Pu-241:tä. Kävi ilmi, että Pu-241 hajoaa myös beetasäteilyn kautta, jolloin syntyy Am-241 – ainetta, jota käytetään savunilmaisimissa (muun muassa). Am-241 on alfasäteilijä, ja se hajoaa kevyemmäksi neptuniumin lajikkeeksi (Np-237), joka neutronisäteilyn vaikutuksesta vangitsee neutronin ja muuttuu Np-238:ksi. Viimeinen muunnos – viimeinen beetahajoaminen – on viimeinen vaihe Pu-238:n tuottamiseksi. Tämä on syy, miksi Pu-238 on niin kallista – sen valmistaminen vaatii kaksi säteilytystä (ensimmäinen tarpeeksi kauan Pu-241:n tuottamiseksi), riittävästi aikaa kaikille radioaktiivisille hajoamisille, jotta plutonium muuttuisi amerikiumiksi ja amerikium neptuniumiksi, ja useita kemiallisia käsittelyvaiheita, jotta muodostuvat erilaiset kiinnostavat alkuaineet saadaan eristettyä.
Vaikka se kuulostaakin mutkikkaalta (no, luultavasti se on mutkikasta), Pu-238:n valmistaminen on melko suoraviivaista. Tiede ja tekniikka ovat sekä tunnettuja että vakiintuneita, eikä sen tuottaminen todellakaan avaa uutta tieteellistä tai teknistä maaperää. Mutta politiikka… se on kokonaan toinen asia.
Kuten viime viikolla mainitsin, amerikkalainen Pu-238:n tuotantolinja suljettiin yli kaksi vuosikymmentä sitten. Siitä lähtien olemme ostaneet sitä venäläisiltä, mutta heillä on oma avaruusohjelmansa ja lisäksi varastot ovat rajalliset. Joten tämä vaihtoehto ei tule toimimaan enää kauaa, riippumatta Yhdysvaltojen ja Venäjän kansainvälisten suhteiden tulevaisuudesta.
Nuclear Watchin hiljattain julkaisemassa blogikirjoituksessa ehdotettiin, että Yhdysvallat saattaisi pystyä tyydyttämään Pu-238-tarpeensa purkamalla ydinaseita ja kaivautumalla Pu-238-romuvarastoonsa – siinä todetaan, että Los Alamosin kansallisen laboratorion (Los Alamos National Laboratory, LANL) asiakirjojen mukaan pelkistä ydinaseista voidaan ottaa talteen yli 2 000 RTG:n arvosta kyseistä nuklidia. En kuitenkaan ole varma, voinko hyväksyä tätä väitettä, ennen kaikkea siksi, että tämän nuklidin laittamisessa ydinaseisiin ei ole mitään järkeä. En voi kommentoida Pu-238:n ”jäänteitä”, joita LANL:lla väitetään olevan ympäriinsä, ja valitettavasti Nuclear Watch ei antanut linkkiä mainitsemiinsa LANL:n asiakirjoihin, joten on vaikea tarkistaa tai kommentoida asiaa tarkemmin. Mutta jos LANL:lla on Pu-238-varastoja, olisi varmasti mukavaa hyödyntää niitä avaruustutkimuksessa – puhumattakaan loppusijoituskustannusten säästöistä.
Toinen tapa valmistaa Pu-238:a on nestemäisen fluoridin toriumreaktori (LFTR) – reaktori, joka käyttää luonnossa esiintyvää toriumia (Th-232) U-233:n tuottamiseen, joka fissioituu varsin mukavasti. Lisäneutronien talteenotto voi muuttaa U-233:n Pu-238:ksi, joka voidaan erottaa kemiallisesti polttoaineesta. Aiheeseen liittyy paljon muutakin, mutta käsittelin toriumreaktoreita melko perusteellisesti viime vuonna (ensimmäinen näistä viesteistä on tässä URL-osoitteessa, ja samassa sarjassa on kolme muuta viestiä), ja sitä käsitellään myös Thorium Energy Alliancen verkkosivustolla. Toriumreaktoreissa on monia hyviä puolia sen lisäksi, että niillä pystytään tuottamaan Pu-238:aa, ja se on teknologia, jota on kehitetty ja testattu – mutta Yhdysvallat ei näytä merkkejä siitä, että niitä rakennettaisiin lähiaikoina. Intia ja Kiina saattavat kehittää laajoja toriumreaktorijärjestelmiä – mutta se, mitä nämä kansakunnat saattavat tehdä vuosikymmenen tai kahden kuluttua, ei auta NASAa juurikaan lähivuosina. Lopputulos on, että vaikka ne olisivat kuinka lupaavia tulevaisuuden tarpeisiin, toriumreaktorit eivät todennäköisesti auta meitä lähettämään lisää avaruusaluksia Aurinkokunnan ulkopuolelle lähiaikoina.
Tässä on siis tilanne. Yhdysvallat lakkasi tuottamasta Pu-238:a, jota tarvitaan avaruusluotainten pyörittämiseen, ja olemme melko pitkälti käyttäneet materiaalivarastomme loppuun. Välivuosina olemme ostaneet venäläistä Pu-238:aa, mutta sitä ei ole saatavilla enää pitkään aikaan, joten olemme pulassa. Materiaalin jäänteitä – mahdollisesti jopa varastoja – saattaa olla eri DOE:n laitoksissa, mutta ydinaseiden purkaminen ei todennäköisesti riitä. Pitkällä aikavälillä toriumkiertoon perustuvat reaktorit saattaisivat olla hyvä tapa valmistaa sitä, mutta tällaisia reaktoreita ei ole tällä hetkellä toiminnassa missään päin maailmaa, eivätkä amerikkalaiset suunnittele rakentavansa niitä lähiaikoina. Tämä näyttäisi jättävän meille vain kolme vaihtoehtoa – käynnistää Pu-238:n tuotantolinjamme uudelleen, löytää toinen tapa valmistaa (tai hankkia) materiaalia tai rajoittaa toimintamme Aurinkokunnan sisäpuolelle. Kuten viime viikolla mainitsin, toivon vilpittömästi, ettemme valitse viimeistä vaihtoehtoa. Katsotaan siis, mitä keksimme – ja toivottavasti emme jätä ratkaisua (ja päätöksiä) liian pitkäksi aikaa.
The post Where does the plutonium come from? appears on ScienceWonk, FAS:n blogi vierailevien asiantuntijoiden ja johtajien mielipiteitä varten.