Vorige week schreef ik hoe het tekort aan Pu-238 van invloed zou kunnen zijn op de verkenning van het buitenste zonnestelsel, maar ik ging niet veel in op waar het plutonium vandaan komt. Hoewel er sporen van natuurlijk plutonium zijn, is er zeker niet genoeg om een ruimtesonde van brandstof te voorzien. Deze week leek het dus de moeite waard om eens te kijken waar we ons plutonium vandaan halen, al was het maar om te begrijpen waarom NASA (of DOE) tientallen miljoenen dollars nodig heeft om het te produceren.
Op het Periodiek Systeem staat plutonium twee plaatsen boven uranium – uranium heeft een atoomnummer van 92 (dat wil zeggen, het heeft 92 protonen) en plutonium staat op 94. Om plutonium te maken moeten we op de een of andere manier twee protonen toevoegen aan een uraniumatoom. De manier waarop dit gebeurt is nogal cool – en er zijn verschillende routes, afhankelijk van de plutoniumisotoop die wordt geproduceerd.
Om Pu-239 te maken, de nuclide die in kernwapens wordt gebruikt, is het een vrij eenvoudig proces. Natuurlijk uranium bestaat voor meer dan 99% uit U-238, dat niet zo goed kan splijten. Plaats U-238 (dat minimaal 95% van de reactorbrandstof uitmaakt) in het midden van een reactor, die barst van de neutronen van de uraniumsplitsing, en het vangt een neutron en verandert in U-239. U-239 vervalt op zijn beurt door het uitzenden van een betadeeltje tot neptunium-239, dat weer een betadeeltje afgeeft. Aangezien elk bètaverval een neutron in een proton verandert, zijn deze twee bètavervallen voldoende om een uraniumatoom in een plutoniumatoom te veranderen. Een U-238 atoom dat een neutron absorbeert en lang genoeg de tijd krijgt om twee bètavervallen te ondergaan (een paar weken of zo), verandert in een Pu-239 atoom. Het maken van zwaardere plutoniumnucliden is net zo gemakkelijk – wanneer Pu-239 extra neutronen opvangt, verandert het in Pu-240, Pu-241, Pu-242, en meer. Het is niet alleen vrij gemakkelijk, maar het gebeurt voortdurend in elke werkende kernreactor.
OK – dus we kunnen zien hoe eenvoudige neutronenvangst en geduld ons plutoniumnucliden kan geven die zwaarder zijn dan U-238, maar dit helpt ons echt niet om de Pu-238 te maken die nodig is om een ruimteschip aan te drijven. Het maken van de lichtere nuclide is iets omslachtiger.
Bedenk dat een reactor, door neutronenvangst, Pu-241 produceert. Het blijkt dat Pu-241 ook vervalt door bèta-emissie, waarbij Am-241 ontstaat – het spul dat (onder andere) in rookmelders wordt gebruikt. Am-241 is een alfastraler en vervalt tot een lichtere variant van neptunium (Np-237), dat bij neutronenbestraling een neutron opvangt en Np-238 wordt. Een laatste transformatie – een laatste bètaverval – is de laatste stap om Pu-238 te produceren. Dit is de reden waarom Pu-238 zo duur is – om het te maken zijn twee bestralingen nodig (de eerste lang genoeg om Pu-241 te produceren), genoeg tijd voor alle radioactieve verval om plutonium om te zetten in americium en het americium in neptunium, en verschillende stappen van chemische verwerking om de verschillende interessante elementen die gevormd worden te isoleren.
Hoewel het ingewikkeld klinkt (wel, ik denk dat het ingewikkeld is), is het maken van Pu-238 tamelijk eenvoudig. De wetenschap en de techniek zijn beide bekend en gevestigd, en de productie ervan is zeker niet nieuw wetenschappelijk of technisch terrein. Maar de politiek… dat is een heel andere zaak.
Zoals ik vorige week al zei, is de Amerikaanse Pu-238 produktielijn al meer dan twee decennia geleden stilgelegd. Sindsdien kopen we het van de Russen, maar die hebben hun eigen ruimteprogramma en bovendien beperkte voorraden. Dus deze optie zal niet veel langer werken, ongeacht de toekomst van de Amerikaans-Russische internationale betrekkingen.
Een recente blog posting van Nuclear Watch suggereerde dat de VS misschien in haar Pu-238 behoeften zou kunnen voorzien door kernwapens te ontmantelen en door te graven in haar inventaris van schroot Pu-238 – het merkt op dat de Los Alamos National Laboratory (LANL) documenten aangeven dat meer dan 2000 RTG’s waarde van de nuclide kan worden teruggewonnen uit kernwapens alleen. Maar ik weet niet zeker of ik deze bewering kan aanvaarden, vooral omdat het absoluut onzinnig is om deze nuclide in een kernwapen te stoppen. Ik kan geen commentaar geven op de “restjes” Pu-238 die LANL zou hebben liggen, en helaas heeft Nuclear Watch geen link gegeven naar de LANL documenten die zij aanhaalden, wat het moeilijk maakt om dit te controleren of om verder commentaar te geven. Maar als er een voorraad Pu-238 bij LANL ligt, zou het zeker leuk zijn om die aan te boren voor ruimte-exploratie – om nog maar te zwijgen van de besparingen op verwijderingskosten.
Een andere manier om Pu-238 te maken is in een vloeibare fluoride thorium reactor (LFTR) – een reactor die natuurlijk voorkomend thorium (Th-232) gebruikt om U-233 te kweken, dat vrij aardig splitst. Door extra neutronenvangst kan U-233 worden omgezet in Pu-238, dat chemisch kan worden gescheiden van de splijtstof. Er komt nog veel meer bij kijken, maar ik heb het onderwerp thoriumreactoren vorig jaar vrij uitvoerig behandeld (de eerste van deze berichten staat op deze URL, en er zijn nog drie andere in dezelfde serie) en het wordt ook behandeld op de website van de Thorium Energy Alliance. Er zijn veel leuke dingen aan thoriumreactoren, afgezien van het feit dat ze Pu-238 kunnen produceren, en het is een technologie die is uitgewerkt en getest – maar de VS vertonen geen tekenen dat ze er op korte termijn een zullen bouwen. India en China zouden uitgebreide thoriumreactorsystemen kunnen ontwikkelen – maar wat deze naties over een jaar of twee in de toekomst zouden kunnen doen, zal de NASA in de komende jaren niet veel opleveren. Het komt erop neer dat thoriumreactoren, hoe veelbelovend ze ook mogen zijn voor toekomstige behoeften, ons waarschijnlijk niet zullen helpen om binnenkort meer ruimtevaartuigen naar het buitenste zonnestelsel te sturen.
Dus dit is waar we staan. De VS zijn gestopt met de productie van Pu-238, nodig voor onze diep-ruimtesondes, en we hebben onze voorraden van het materiaal zo goed als opgebruikt. In de tussenliggende jaren hebben we Russisch Pu-238 gekocht, maar dat zal niet lang meer beschikbaar zijn, dus zitten we hoog en droog. Er zijn misschien nog restjes van het materiaal – mogelijk zelfs voorraden – in verschillende DOE-faciliteiten, maar het ontmantelen van kernwapens is waarschijnlijk niet voldoende. Op lange termijn zouden thorium-cyclusreactoren een goede manier kunnen zijn om het te maken, maar deze reactoren zijn momenteel nergens ter wereld in bedrijf en er zijn geen Amerikaanse plannen om ze binnenkort te bouwen. Dat lijkt ons slechts drie opties te laten – onze Pu-238 productielijn opnieuw opstarten, een andere manier vinden om het materiaal te maken (of te verkrijgen), of ons beperken tot het binnenste zonnestelsel. Zoals ik vorige week al zei, hoop ik van harte dat we niet voor de laatste optie kiezen. Dus laten we zien wat we kunnen verzinnen – en laten we hopen dat we de oplossing (en beslissingen) niet te lang laten liggen.
Het bericht Waar komt het plutonium vandaan? verschijnt op ScienceWonk, FAS’s blog voor meningen van gastdeskundigen en leiders.