La settimana scorsa ho scritto su come la carenza di Pu-238 potrebbe avere un impatto sull’esplorazione del sistema solare esterno, ma non ho approfondito molto la provenienza del plutonio. Dopo tutto, mentre ci sono tracce di plutonio naturale, non ce n’è certamente abbastanza per alimentare una sonda spaziale. Così questa settimana mi è sembrato che potesse valere la pena di esaminare da dove prendiamo il plutonio, se non altro per capire perché la NASA (o il DOE) ha bisogno di decine di milioni di dollari per produrlo.
Nella tavola periodica il plutonio è due posti sopra l’uranio – l’uranio ha un numero atomico di 92 (cioè, ha 92 protoni) e il plutonio è a 94. Per fare il plutonio dobbiamo in qualche modo aggiungere due protoni ad un atomo di uranio. Il modo in cui questo avviene è piuttosto figo – e ci sono diversi percorsi a seconda dell’isotopo di plutonio che viene prodotto.
Per fare Pu-239, il nuclide usato nelle armi nucleari, è un processo abbastanza semplice. L’uranio naturale è più del 99% U-238, che non si fissiona molto bene. Metti l’U-238 (che costituisce un minimo del 95% del combustibile del reattore) nel mezzo di un reattore, che ribolle di neutroni dalla fissione dell’uranio, e catturerà un neutrone e si trasformerà in U-239. L’U-239, a sua volta, decade emettendo una particella beta in nettunio-239, che emette un’altra particella beta. Poiché ogni decadimento beta trasforma un neutrone in un protone, questi due decadimenti beta sono sufficienti per trasformare un atomo di uranio in uno di plutonio. Così, un singolo atomo di U-238 che assorbe un singolo neutrone e viene lasciato riposare abbastanza a lungo da subire due decadimenti beta (alcune settimane o giù di lì) si trasformerà in un singolo atomo di Pu-239. Produrre nuclidi di plutonio più pesanti è altrettanto facile – quando il Pu-239 cattura neutroni aggiuntivi si trasforma in Pu-240, Pu-241, Pu-242, e altri ancora. Non solo è abbastanza facile, ma accade continuamente in qualsiasi reattore nucleare in funzione.
OK – così possiamo vedere come la semplice cattura di neutroni e la pazienza possono darci nuclidi di plutonio più pesanti di U-238, ma questo non ci aiuta davvero a fare il Pu-238 necessario per alimentare un veicolo spaziale. Fare il nuclide più leggero è un po’ più rotondo.
Ricordo che, attraverso la cattura dei neutroni, un reattore produce Pu-241. Si scopre che il Pu-241 decade anche per emissione beta, creando Am-241 – la roba che si usa nei rilevatori di fumo (tra le altre cose). L’Am-241 è un emettitore alfa e decade in una varietà più leggera di nettunio (Np-237) che, se sottoposto a irradiazione neutronica, cattura un neutrone per diventare Np-238. Un’ultima trasformazione – un ultimo decadimento beta – è l’ultimo passo per produrre Pu-238. Questo è il motivo per cui il Pu-238 è così costoso – produrlo richiede due irradiazioni (la prima abbastanza lunga da produrre il Pu-241), abbastanza tempo per tutti i decadimenti radioattivi per trasformare il plutonio in americio e l’americio in nettunio, e diverse fasi di lavorazione chimica per isolare i vari elementi di interesse che si formano.
Anche se sembra contorto (beh, credo sia contorto), produrre Pu-238 è abbastanza semplice. La scienza e l’ingegneria sono entrambe ben note e consolidate, e la sua produzione non rompe certo un nuovo terreno scientifico o tecnico. Ma la politica… è tutta un’altra cosa.
Come ho detto la settimana scorsa, la linea di produzione americana di Pu-238 ha chiuso più di due decenni fa. Da allora lo compriamo dai russi, ma loro hanno il loro programma spaziale e hanno scorte limitate. Quindi questa opzione non funzionerà ancora per molto, indipendentemente dal futuro delle relazioni internazionali USA-Russia.
Un recente post sul blog di Nuclear Watch ha suggerito che gli Stati Uniti potrebbero essere in grado di soddisfare i loro bisogni di Pu-238 smantellando le armi nucleari e scavando nel loro inventario di rottami di Pu-238 – nota che i documenti del Los Alamos National Laboratory (LANL) indicano che oltre 2000 RTG del valore del nuclide possono essere recuperati solo dalle armi nucleari. Ma non sono sicuro di poter accettare questa affermazione, soprattutto perché mettere questo nuclide in un’arma nucleare non ha assolutamente senso. Non posso commentare gli “scarti” di Pu-238 che si dice che la LANL abbia in giro, e purtroppo Nuclear Watch non ha fornito un link ai documenti della LANL che ha citato, rendendo difficile controllare o commentare ulteriormente. Ma se c’è una scorta di Pu-238 alla LANL, sarebbe certamente bello sfruttarla per l’esplorazione spaziale – per non parlare dei risparmi nei costi di smaltimento.
Un altro modo per fare Pu-238 è in un reattore al torio a fluoruro liquido (LFTR) – un reattore che utilizza il torio naturale (Th-232) per generare U-233, che si fissa abbastanza bene. Ulteriori catture di neutroni possono trasformare l’U-233 in Pu-238, che può essere separato chimicamente dal combustibile. C’è molto di più su questo argomento, ma ho coperto l’argomento dei reattori al torio abbastanza a fondo l’anno scorso (il primo di questi post è a questo URL, e ce ne sono altri tre nella stessa serie) ed è anche trattato sul sito web della Thorium Energy Alliance. Ci sono un sacco di cose belle sui reattori al torio, oltre alla loro capacità di produrre Pu-238, ed è una tecnologia che è stata elaborata e testata – ma gli Stati Uniti non mostrano alcun segno di costruirne uno a breve. L’India e la Cina potrebbero sviluppare ampi sistemi di reattori al torio – ma ciò che queste nazioni potrebbero fare un decennio o due nel futuro non farà molto per la NASA nei prossimi anni. La linea di fondo è che, per quanto promettenti possano essere per le esigenze future, i reattori al torio non ci aiuteranno ad inviare più veicoli spaziali nel sistema solare esterno in qualsiasi momento presto.
Quindi ecco a che punto siamo. Gli Stati Uniti hanno smesso di produrre il Pu-238 necessario per far funzionare le nostre sonde per lo spazio profondo e abbiamo praticamente esaurito le nostre scorte di questo materiale. Negli anni seguenti abbiamo comprato il Pu-238 russo, ma questo non sarà disponibile ancora per molto, lasciandoci a bocca asciutta. Ci possono essere scarti del materiale – forse anche scorte – in varie strutture del DOE, ma lo smantellamento delle armi nucleari non è probabilmente sufficiente. Nel lungo periodo i reattori a ciclo di torio potrebbero essere un ottimo modo per farlo, ma questi reattori non sono in funzione da nessuna parte nel mondo oggi e non ci sono piani americani per costruirne qualcuno a breve. Questo sembrerebbe lasciarci solo tre opzioni: riavviare la nostra linea di produzione di Pu-238, trovare un altro modo per fare (o ottenere) il materiale, o limitarci al sistema solare interno. Come ho detto la settimana scorsa, spero sinceramente che non prendiamo l’ultima strada. Quindi vediamo cosa possiamo inventarci – e speriamo di non lasciare la soluzione (e le decisioni) troppo a lungo.
Il post Da dove viene il plutonio? appare su ScienceWonk, il blog di FAS per opinioni di esperti e leader ospiti.