W zeszłym tygodniu pisałem o tym, jak niedobór Pu-238 może wpłynąć na eksplorację zewnętrznego Układu Słonecznego, ale nie zagłębiałem się zbytnio w to, skąd pochodzi pluton. W końcu, choć istnieją śladowe ilości naturalnego plutonu, to z pewnością nie jest go wystarczająco dużo by zasilić sondę kosmiczną. Więc w tym tygodniu wydawało się, że może warto przejść do tego, skąd mamy nasz pluton, choćby po to, by zrozumieć, dlaczego NASA (lub DOE) potrzebuje dziesiątek milionów dolarów na jego produkcję.
Na tablicy okresowej pluton jest dwa miejsca powyżej uranu – uran ma liczbę atomową 92 (czyli ma 92 protony), a pluton jest na 94. Aby powstał pluton, musimy w jakiś sposób dodać dwa protony do atomu uranu. Sposób, w jaki to się dzieje, jest bardzo fajny – i istnieją różne drogi w zależności od izotopu plutonu, który jest produkowany.
Aby uzyskać Pu-239, nuklid używany w broni jądrowej, jest to dość prosty proces. Uran naturalny składa się w ponad 99% z U-238, który nie ulega rozszczepieniu tak dobrze. Umieść U-238 (który stanowi minimum 95% paliwa reaktorowego) w środku reaktora, który jest przesiąknięty neutronami pochodzącymi z rozszczepienia uranu, a wychwyci on neutron i zamieni się w U-239. U-239 z kolei rozpada się poprzez emisję cząstki beta na neptun-239, który wydziela kolejną cząstkę beta. Ponieważ każdy rozpad beta zamienia neutron w proton, te dwa rozpady beta wystarczą, aby zmienić atom uranu w jeden atom plutonu. Tak więc pojedynczy atom U-238 pochłonięty przez jeden neutron i pozostawiony na tyle długo (kilka tygodni lub dłużej), by uległ dwóm rozpadom beta, zamieni się w pojedynczy atom Pu-239. Równie łatwe jest wytwarzanie cięższych nuklidów plutonu – gdy Pu-239 pochłonie dodatkowe neutrony, zamieni się w Pu-240, Pu-241, Pu-242 i inne. Nie tylko jest to dość łatwe, ale dzieje się cały czas w każdym działającym reaktorze jądrowym.
OK – widzimy więc, jak proste wychwytywanie neutronów i cierpliwość mogą dać nam nuklidy plutonu cięższe niż U-238, ale to naprawdę nie pomaga nam w wytworzeniu Pu-238 potrzebnego do zasilania statku kosmicznego. Uzyskanie lżejszego nuklidu jest nieco bardziej okrężną drogą.
Pamiętajmy, że poprzez wychwyt neutronów reaktor wytwarza Pu-241. Okazuje się, że Pu-241 rozpada się również poprzez emisję beta, tworząc Am-241 – materiał, który jest używany między innymi w czujnikach dymu. Am-241 jest emiterem alfa i rozpada się na lżejszą odmianę neptunu (Np-237), która poddana promieniowaniu neutronowemu wychwytuje neutron i staje się Np-238. Ostatnia przemiana – ostatni rozpad beta – jest ostatnim krokiem do wytworzenia Pu-238. Jest to powód, dla którego Pu-238 jest tak drogi – wytworzenie go wymaga dwóch serii napromieniowania (pierwsza wystarczająco długa, aby wytworzyć Pu-241), wystarczającej ilości czasu, aby wszystkie rozpady radioaktywne przekształciły pluton w ameryk, a ameryk w neptun, oraz kilku etapów obróbki chemicznej, aby wyizolować różne interesujące nas pierwiastki, które powstają.
Choć brzmi to zawile (cóż, wydaje mi się, że jest zawiłe), wytwarzanie Pu-238 jest dość proste. Nauka i inżynieria są dobrze znane i ugruntowane, a jego produkcja z pewnością nie tworzy nowych podstaw naukowych czy technicznych. Ale polityka…to już zupełnie inna sprawa.
Jak wspomniałem w zeszłym tygodniu, amerykańska linia produkcyjna Pu-238 została zamknięta ponad dwie dekady temu. Od tego czasu kupujemy go od Rosjan, ale oni mają swój własny program kosmiczny i ograniczone zapasy. Tak więc ta opcja nie będzie działać przez dłuższy czas, niezależnie od przyszłości amerykańsko-rosyjskich stosunków międzynarodowych.
Niedawny wpis na blogu Nuclear Watch sugeruje, że USA mogą być w stanie zaspokoić swoje potrzeby w zakresie Pu-238 poprzez demontaż broni jądrowej i dokopanie się do zapasów złomu Pu-238 – zauważa, że dokumenty Los Alamos National Laboratory (LANL) wskazują, że z samej broni jądrowej można odzyskać ponad 2000 nuklidów o wartości RTG. Nie jestem jednak pewien, czy mogę zaakceptować to twierdzenie, przede wszystkim dlatego, że umieszczanie tego nuklidu w broni jądrowej nie ma absolutnie żadnego sensu. Nie mogę wypowiedzieć się na temat „skrawków” Pu-238, które podobno znajdują się w LANL, i niestety Nuclear Watch nie podał linku do dokumentów LANL, na które się powołuje, co utrudnia sprawdzenie lub dalszy komentarz. Jeśli jednak w LANL istnieją zapasy Pu-238, z pewnością byłoby miło wykorzystać je do eksploracji kosmosu – nie wspominając o oszczędnościach na kosztach utylizacji.
Jeszcze innym sposobem na wytworzenie Pu-238 jest reaktor na ciekły fluor toru (LFTR) – reaktor wykorzystujący naturalnie występujący tor (Th-232) do wyhodowania U-233, który ulega rozszczepieniu. Dodatkowe wychwytywanie neutronów może przekształcić U-233 w Pu-238, który może zostać chemicznie oddzielony od paliwa. Temat jest o wiele szerszy, ale w zeszłym roku dość dokładnie omówiłem zagadnienie reaktorów torowych (pierwszy z tych postów znajduje się pod tym adresem, a trzy kolejne w tej samej serii), a także na stronie Thorium Energy Alliance. Oprócz możliwości produkcji Pu-238, reaktory torowe mają wiele zalet, a technologia ta została już opracowana i przetestowana – ale USA nie wykazują żadnych oznak, że w najbliższym czasie zbudują któryś z nich. Indie i Chiny mogą rozwinąć rozległe systemy reaktorów torowych – ale to, co te narody mogą zrobić dekadę lub dwie w przyszłości, nie zrobi wiele dla NASA w ciągu najbliższych kilku lat. The bottom line is that, however promising they might be for future needs, thorium reactors are not likely to help us send more spaceecraft to the outer Solar System anytime soon.
So here’s where we stand. Stany Zjednoczone zaprzestały produkcji Pu-238 potrzebnego do zasilania naszych sond kosmicznych, a nasze zapasy tego materiału zostały już całkiem zużyte. W międzyczasie kupowaliśmy rosyjski Pu-238, ale nie będzie on dostępny jeszcze przez długi czas, pozostawiając nas na lodzie. W różnych zakładach DOE mogą znajdować się resztki tego materiału – być może nawet jego zapasy – ale demontaż broni jądrowej prawdopodobnie nie załatwi sprawy. Na dłuższą metę reaktory pracujące w cyklu torowym mogłyby być świetnym sposobem na jego produkcję, ale takie reaktory nie działają obecnie nigdzie na świecie i nie ma żadnych amerykańskich planów ich budowy w najbliższym czasie. Pozostają nam więc tylko trzy opcje – ponowne uruchomienie linii produkcyjnej Pu-238, znalezienie innego sposobu na wytworzenie (lub pozyskanie) tego materiału, albo ograniczenie się do wewnętrznego Układu Słonecznego. Jak wspomniałem w zeszłym tygodniu, mam szczerą nadzieję, że nie pójdziemy tą ostatnią drogą. Zobaczmy więc, co możemy wymyślić – i miejmy nadzieję, że nie zostawimy tego rozwiązania (i decyzji) zbyt długo.
The post Where does the plutonium come from? appeared on ScienceWonk, FAS’s blog for opinions from guest experts and leaders.