Săptămâna trecută am scris despre modul în care penuria de Pu-238 ar putea avea un impact asupra explorării Sistemului Solar exterior, dar nu m-am ocupat prea mult de unde provine plutoniul. La urma urmei, deși există urme de plutoniu natural, cu siguranță nu este nici pe departe suficient pentru a alimenta o sondă spațială. Așa că săptămâna aceasta mi s-a părut că ar merita să trecem în revistă de unde ne luăm plutoniul, fie și numai pentru a înțelege de ce NASA (sau DOE) are nevoie de zeci de milioane de dolari pentru a-l produce.
În tabelul periodic, plutoniul se află cu două locuri deasupra uraniului – uraniul are numărul atomic 92 (adică are 92 de protoni), iar plutoniul se află la 94. Pentru a obține plutoniu trebuie cumva să adăugăm doi protoni la un atom de uraniu. Modul în care se întâmplă acest lucru este oarecum mișto – și există diferite căi în funcție de izotopul de plutoniu care este produs.
Pentru a produce Pu-239, nuclidul folosit în armele nucleare, este un proces destul de simplu. Uraniul natural este format în proporție de peste 99% din U-238, care nu fuzionează atât de bine. Puneți U-238 (care reprezintă minim 95% din combustibilul reactorului) în mijlocul unui reactor, care fierbe cu neutroni de la fisiunea uraniului, și acesta va capta un neutron și se va transforma în U-239. U-239, la rândul său, se dezintegrează prin emiterea unei particule beta în neptuniu-239, care emite o altă particulă beta. Deoarece fiecare dezintegrare beta transformă un neutron într-un proton, aceste două dezintegrări beta sunt suficiente pentru a transforma un atom de uraniu într-unul de plutoniu. Astfel, un singur atom de U-238 care absoarbe un singur neutron și care este lăsat să stea suficient de mult timp pentru a suferi două dezintegrări beta (câteva săptămâni sau cam așa ceva) se va transforma într-un singur atom de Pu-239. Producerea unor nuclizi de plutoniu mai grei este la fel de ușoară – atunci când Pu-239 captează neutroni suplimentari, se transformă în Pu-240, Pu-241, Pu-242 și altele. Nu numai că este destul de ușor, dar se întâmplă tot timpul în orice reactor nuclear în funcțiune.
OK – deci putem vedea cum simpla captare a neutronilor și răbdarea ne pot da nuclizi de plutoniu mai grei decât U-238, dar acest lucru nu ne ajută cu adevărat să fabricăm Pu-238 necesar pentru a alimenta o navă spațială. Fabricarea nuclidului mai ușor este un pic mai ocolită.
Amintiți-vă că, prin captarea neutronilor, un reactor produce Pu-241. Se pare că Pu-241 se dezintegrează, de asemenea, prin emisie beta, creând Am-241 – chestia care este folosită în detectoarele de fum (printre altele). Am-241 este un emițător alfa și se dezintegrează într-o varietate mai ușoară de neptuniu (Np-237) care, atunci când este supus iradierii neutronice, captează un neutron pentru a deveni Np-238. O ultimă transformare – o ultimă dezintegrare beta – este ultimul pas pentru a produce Pu-238. Acesta este motivul pentru care Pu-238 este atât de scump – producerea lui necesită două perioade de iradiere (prima suficient de lungă pentru a produce Pu-241), suficient timp pentru ca toate dezintegrările radioactive să transforme plutoniul în americiu și americiul în neptuniu și mai multe etape de procesare chimică pentru a izola diferitele elemente de interes care se formează.
Deși sună alambicat (ei bine, cred că este alambicat), producerea Pu-238 este destul de simplă. Știința și ingineria sunt deopotrivă bine cunoscute și bine stabilite, iar producerea sa nu deschide cu siguranță niciun teren științific sau tehnic nou. Dar politica….asta este o cu totul altă problemă.
După cum am menționat săptămâna trecută, linia de producție americană de Pu-238 a fost închisă în urmă cu peste două decenii. De atunci îl cumpărăm de la ruși, dar ei au propriul lor program spațial și, în plus, au stocuri limitate. Așadar, această opțiune nu va mai funcționa pentru mult timp, indiferent de viitorul relațiilor internaționale dintre SUA și Rusia.
O postare recentă pe blogul Nuclear Watch a sugerat că SUA ar putea fi capabilă să își satisfacă nevoile de Pu-238 prin dezmembrarea armelor nucleare și prin săparea în inventarul său de deșeuri de Pu-238 – aceasta notează că documentele Laboratorului Național Los Alamos (LANL) indică faptul că numai din armele nucleare pot fi recuperate peste 2.000 de RTG-uri în valoare de peste 2.000 de nuclid. Dar nu sunt sigur că pot accepta această afirmație, în primul rând pentru că introducerea acestui nuclid într-o armă nucleară nu are absolut niciun sens. Nu pot să comentez cu privire la „resturile” de Pu-238 despre care se spune că LANL ar exista și, din nefericire, Nuclear Watch nu a furnizat un link către documentele LANL pe care le-a citat, ceea ce face dificilă verificarea sau comentariile ulterioare. Dar dacă există o rezervă de Pu-238 la LANL, ar fi cu siguranță frumos să o exploateze pentru explorarea spațială – ca să nu mai vorbim de economiile în costurile de eliminare.
Încă o altă modalitate de a produce Pu-238 este într-un reactor cu fluorură lichidă de toriu (LFTR) – un reactor care folosește toriul natural (Th-232) pentru a genera U-233, care fuzionează destul de bine. Capturile suplimentare de neutroni pot transforma U-233 în Pu-238, care poate fi separat chimic de combustibil. Subiectul este mult mai mult decât atât, dar am abordat subiectul reactoarelor cu toriu destul de amănunțit anul trecut (prima dintre aceste postări se găsește la această adresă URL și mai există alte trei din aceeași serie) și este abordat și pe site-ul web al Thorium Energy Alliance. Pe lângă faptul că pot produce Pu-238, reactoarele cu toriu prezintă o mulțime de avantaje, iar tehnologia a fost elaborată și testată, dar SUA nu dau semne că vor construi vreunul în curând. India și China ar putea dezvolta sisteme extinse de reactoare cu toriu – dar ceea ce ar putea face aceste națiuni peste un deceniu sau două în viitor nu va face prea multe pentru NASA în următorii câțiva ani. Concluzia este că, oricât de promițătoare ar fi pentru nevoile viitoare, reactoarele cu toriu nu ne vor ajuta prea curând să trimitem mai multe nave spațiale în sistemul solar exterior.
Acum, iată cum stăm. SUA a încetat să mai producă Pu-238 necesar pentru a face să funcționeze sondele noastre spațiale de mare adâncime și ne-am cam epuizat stocurile de acest material. În anii care au trecut, am cumpărat Pu-238 rusesc, dar acesta nu va mai fi disponibil pentru mult timp, ceea ce ne va lăsa pe uscat. Este posibil să existe resturi de material – posibil chiar stocuri – în diferite instalații ale DOE, dar probabil că dezmembrarea armelor nucleare nu va fi suficientă. Pe termen lung, reactoarele cu ciclu cu toriu ar putea fi o modalitate excelentă de a o face, dar aceste reactoare nu funcționează nicăieri în lume în prezent și nu există planuri americane de a construi vreunul dintre ele în curând. Acest lucru pare să ne lase doar trei opțiuni – să repornim linia de producție de Pu-238, să găsim o altă modalitate de a produce (sau de a obține) materialul sau să ne limităm la interiorul sistemului solar. Așa cum am menționat săptămâna trecută, sper sincer să nu mergem pe ultima variantă. Așa că haideți să vedem ce putem găsi – și să sperăm că nu lăsăm soluția (și deciziile) prea mult timp.
Postul De unde vine plutoniul? apare pe ScienceWonk, blogul FAS pentru opinii ale experților și liderilor invitați.
.