A múlt héten arról írtam, hogy a Pu-238 hiánya milyen hatással lehet a külső Naprendszer felfedezésére, de nem nagyon foglalkoztam azzal, hogy honnan származik a plutónium. Végtére is, bár természetes plutónium nyomokban van, közel sem elég egy űrszonda üzemanyagának előállításához. Ezért ezen a héten úgy tűnt, hogy érdemes lenne áttekinteni, honnan származik a plutóniumunk, már csak azért is, hogy megértsük, miért van szüksége a NASA-nak (vagy a DOE-nek) dollár tízmilliókra az előállításához.
A periódusos rendszerben a plutónium két hellyel az urán felett áll – az urán atomi száma 92 (azaz 92 protonja van), a plutónium pedig 94-nél. A plutónium előállításához valahogyan két protont kell hozzáadnunk egy uránatomhoz. Hogy ez hogyan történik, az elég menő – és különböző útvonalak vannak, attól függően, hogy milyen plutóniumizotópot akarunk előállítani.
A Pu-239, a nukleáris fegyverekben használt nuklid előállításához ez egy elég egyszerű folyamat. A természetes urán több mint 99%-ban U-238, ami nem hasad olyan jól. Tegyük az U-238-at (ami a reaktor üzemanyagának legalább 95%-át teszi ki) egy reaktor közepébe, ami az urán hasadásából származó neutronoktól forrong, és az elkap egy neutront, és U-239-é alakul. Az U-239 viszont egy béta-részecske kibocsátásával neptúnium-239-re bomlik, amely újabb béta-részecskét bocsát ki. Mivel minden béta-bomlás során egy neutronból proton lesz, ez a két béta-bomlás elegendő ahhoz, hogy egy uránatomból plutóniumatom legyen. Így egyetlen U-238 atom, amely egyetlen neutront nyel el, és elég sokáig (kb. néhány hétig) hagyják, hogy két béta-bomláson menjen keresztül, egyetlen Pu-239 atomtá alakul. A nehezebb plutónium-nuklidok előállítása ugyanilyen egyszerű – amikor a Pu-239 további neutronokat vesz magához, Pu-240, Pu-241, Pu-242 és még sok más lesz belőle. Ez nem csak meglehetősen egyszerű, de folyamatosan megtörténik bármely működő atomreaktorban.
OK – tehát láthatjuk, hogy egyszerű neutronbefogással és türelemmel hogyan lehet az U-238-nál nehezebb plutónium-nuklidokat előállítani, de ez nem igazán segít abban, hogy egy űrhajó meghajtásához szükséges Pu-238-at készítsünk. A könnyebb nuklid előállítása egy kicsit körülményesebb.
Emlékezzünk arra, hogy a neutronbefogás révén egy reaktor Pu-241-et állít elő. Kiderült, hogy a Pu-241 béta-kibocsátással is bomlik, Am-241-et hozva létre – azt az anyagot, amit füstérzékelőkben használnak (többek között). Az Am-241 alfa-sugárzó, és a neptúnium egy könnyebb fajtájává (Np-237) bomlik, amely neutronsugárzás hatására neutront fog be, és Np-238 lesz belőle. Egy utolsó átalakulás – egy utolsó béta-bomlás – az utolsó lépés a Pu-238 előállításához. Ez az oka annak, hogy a Pu-238 olyan drága – előállításához két besugárzásra van szükség (az első elég hosszú ahhoz, hogy a Pu-241 keletkezzen), elegendő időre ahhoz, hogy az összes radioaktív bomlás a plutóniumot ameríciummá, az ameríciumot pedig neptúniummá alakítsa át, és több kémiai feldolgozási lépésre a keletkező különböző elemek izolálásához.
Bár bonyolultnak hangzik (nos, azt hiszem, az is), a Pu-238 előállítása meglehetősen egyszerű. A tudomány és a technika egyaránt jól ismert és megalapozott, és az előállítása bizonyosan nem jelent új tudományos vagy technikai alapokat. De a politika… az már egészen más tészta.
Amint múlt héten említettem, az amerikai Pu-238 gyártósor több mint két évtizeddel ezelőtt leállt. Azóta az oroszoktól vásároljuk, de nekik saját űrprogramjuk van, és ráadásul korlátozottak a készleteik. Tehát ez a lehetőség már nem sokáig fog működni, függetlenül az amerikai-orosz nemzetközi kapcsolatok jövőjétől.
A Nuclear Watch egy nemrég megjelent blogbejegyzésében felvetette, hogy az USA talán képes lenne fedezni Pu-238-szükségletét az atomfegyverek leszerelésével és a Pu-238 törmelékkészletének feltárásával – megjegyzi, hogy a Los Alamos Nemzeti Laboratórium (LANL) dokumentumai szerint csak az atomfegyverekből több mint 2000 RTG értékű nuklid nyerhető vissza. De nem vagyok biztos benne, hogy el tudom fogadni ezt az állítást, elsősorban azért, mert ennek a nukleáris fegyvernek egyáltalán nincs értelme nukleáris fegyverbe tenni. Nem tudok nyilatkozni a Pu-238 “törmelékeiről”, amelyek állítólag a LANL-nél hevernek, és sajnos a Nuclear Watch nem adott linket az általuk idézett LANL-dokumentumokhoz, így nehéz ellenőrizni vagy tovább kommentálni. De ha van Pu-238 készlet a LANL-nél, akkor biztosan jó lenne megcsapolni az űrkutatáshoz – nem is beszélve az ártalmatlanítási költségek megtakarításáról.
A Pu-238 előállításának egy másik módja a folyékony fluoridos tóriumreaktor (LFTR) – egy olyan reaktor, amely a természetben előforduló tóriumot (Th-232) használja U-233 előállítására, amely elég szépen hasad. További neutronbefogások révén az U-233-ból Pu-238 lesz, amelyet kémiailag el lehet választani az üzemanyagtól. A téma ennél sokkal többről szól, de tavaly elég alaposan foglalkoztam a tóriumreaktorok témájával (az első ilyen bejegyzés ezen az URL-címen található, és van még három másik ugyanebben a sorozatban), és a Tórium Energia Szövetség honlapján is olvasható. A tóriumreaktorokban sok szép dolog van azon kívül, hogy képesek Pu-238 előállítására, és ez egy olyan technológia, amelyet már kidolgoztak és teszteltek – de az USA nem mutatja jelét annak, hogy egyhamar megépítené őket. India és Kína talán kiterjedt tóriumreaktor-rendszereket fog kifejleszteni – de amit ezek a nemzetek egy-két évtized múlva tesznek, az a NASA számára nem sokat jelent a következő néhány évben. A lényeg az, hogy bármennyire is ígéretesek lehetnek a jövőbeni igények szempontjából, a tóriumreaktorok valószínűleg nem fognak segíteni abban, hogy a közeljövőben több űrhajót küldjünk a külső Naprendszerbe.
Ez tehát a helyzet. Az USA abbahagyta a mélyűri szondáink működtetéséhez szükséges Pu-238 előállítását, és nagyjából elhasználtuk az anyagkészleteinket. A közbeeső években orosz Pu-238-at vásároltunk, de az már nem sokáig lesz elérhető, és így hoppon maradunk. Lehet, hogy a DOE különböző létesítményeiben vannak még anyagmaradványok – esetleg még készletek is -, de a nukleáris fegyverek szétszerelésével valószínűleg nem fogjuk megoldani a feladatot. Hosszú távon a tórium-ciklusú reaktorok nagyszerű megoldást jelenthetnek, de ezek a reaktorok ma sehol a világon nem működnek, és nincsenek amerikai tervek arra, hogy a közeljövőben bármit is építsenek belőlük. Úgy tűnik, hogy csak három lehetőségünk marad: újraindítjuk a Pu-238 gyártósorunkat, más módot találunk az anyag előállítására (vagy megszerzésére), vagy a belső Naprendszerre szorítkozunk. Mint múlt héten említettem, őszintén remélem, hogy nem az utóbbi utat választjuk. Lássuk tehát, hogy mit találunk ki – és reméljük, hogy nem hagyjuk túl sokáig várni a megoldást (és a döntéseket).
A bejegyzés a Where does the plutonium come from? címen jelenik meg a ScienceWonk, a FAS blogján, ahol vendég szakértők és vezetők véleményét olvashatják.