Förra veckan skrev jag om hur bristen på Pu-238 kan påverka utforskningen av det yttre solsystemet, men jag gick inte särskilt mycket in på var plutoniumet kommer ifrån. Trots att det finns spår av naturligt plutonium finns det trots allt inte alls tillräckligt mycket för att ge bränsle till en rymdsond. Så den här veckan verkade det som om det kunde vara värt att gå igenom varifrån vi får vårt plutonium, om så bara för att förstå varför NASA (eller DOE) behöver tiotals miljoner dollar för att framställa det.
I det periodiska systemet ligger plutonium två platser över uran – uran har atomnumret 92 (det vill säga, det har 92 protoner) och plutonium ligger på 94. För att göra plutonium måste vi på något sätt lägga till två protoner till en uranatom. Hur detta sker är ganska coolt – och det finns olika vägar beroende på vilken plutoniumisotop som ska tillverkas.
För att göra Pu-239, den nuklid som används i kärnvapen, är det en ganska enkel process. Naturligt uran består till över 99 % av U-238, som inte klyvs så bra. Om man placerar U-238 (som utgör minst 95 % av reaktorbränslet) i mitten av en reaktor, som sjuder av neutroner från uranklyvning, kommer det att fånga en neutron och förvandlas till U-239. U-239 sönderfaller i sin tur genom att avge en betapartikel till neptunium-239, som avger ytterligare en betapartikel. Eftersom varje betasönderfall omvandlar en neutron till en proton räcker dessa två betasönderfall för att förvandla en uranatom till en plutoniumatom. En enda U-238-atom som absorberar en enda neutron och får sitta tillräckligt länge för att genomgå två betasönderfall (några veckor eller så) kommer alltså att förvandlas till en enda atom av Pu-239. Det är lika enkelt att tillverka tyngre plutoniumnuklider – när Pu-239 fångar ytterligare neutroner blir det Pu-240, Pu-241, Pu-242 med flera. Det är inte bara ganska enkelt, utan det sker hela tiden i alla fungerande kärnreaktorer.
OK – så vi kan se hur enkel neutroninfångning och tålamod kan ge oss plutoniumnuklider som är tyngre än U-238, men detta hjälper oss verkligen inte att tillverka det Pu-238 som behövs för att driva en rymdfarkost. Att framställa den lättare nukliden är lite mer omväxlande.
Håll dig till minnet att en reaktor genom neutroninfångning producerar Pu-241. Det visar sig att Pu-241 också sönderfaller genom beta-emission och skapar Am-241 – det som används i rökdetektorer (bland annat). Am-241 är en alfastrålare och sönderfaller till en lättare variant av neptunium (Np-237) som, när den utsätts för neutronbestrålning, fångar in en neutron och blir till Np-238. En sista omvandling – ett sista betasönderfall – är det sista steget för att producera Pu-238. Detta är anledningen till att Pu-238 är så dyrt – för att framställa det krävs två bestrålningar (den första tillräckligt lång för att framställa Pu-241), tillräckligt med tid för alla radioaktiva sönderfall för att omvandla plutoniumet till americium och americiumet till neptunium, och flera steg av kemisk bearbetning för att isolera de olika intressanta grundämnena som bildas.
Och även om det låter invecklat (ja, jag antar att det är det), så är det ganska okomplicerat att framställa Pu-238. Vetenskapen och tekniken är både välkända och väletablerade, och tillverkningen bryter verkligen inte ny vetenskaplig eller teknisk mark. Men politiken … det är en helt annan sak.
Som jag nämnde förra veckan stängdes den amerikanska Pu-238-tillverkningslinjen för över två decennier sedan. Sedan dess har vi köpt det från ryssarna, men de har ett eget rymdprogram och har dessutom begränsade lager. Så detta alternativ kommer inte att fungera särskilt länge till, oavsett hur de internationella relationerna mellan USA och Ryssland kommer att se ut i framtiden.
I ett nyligen publicerat blogginlägg från Nuclear Watch antyds det att USA kanske skulle kunna tillgodose sitt behov av Pu-238 genom att demontera kärnvapen och genom att gräva i sitt lager av Pu-238-skrot – det noteras att dokumenten från Los Alamos National Laboratory (LANL) visar att över 2 000 RTGs värde av nukliden kan återvinnas enbart från kärnvapen. Men jag är inte säker på att jag kan acceptera detta påstående, främst därför att det är helt meningslöst att använda denna nuklid i ett kärnvapen. Jag kan inte kommentera de ”rester” av Pu-238 som LANL sägs ha liggande, och tyvärr gav Nuclear Watch ingen länk till de LANL-dokument som de citerade, vilket gör det svårt att kontrollera eller kommentera ytterligare. Men om det finns ett Pu-238-lager vid LANL skulle det verkligen vara trevligt att utnyttja det för rymdforskning – för att inte tala om besparingarna i bortskaffningskostnader.
Ett annat sätt att framställa Pu-238 är i en reaktor för flytande fluoridtorium (LFTR) – en reaktor som använder naturligt förekommande torium (Th-232) för att framkalla U-233, som klyvs ganska bra. Ytterligare neutronfångster kan omvandla U-233 till Pu-238, som kan separeras kemiskt från bränslet. Det finns mycket mer än så här, men jag behandlade ämnet toriumreaktorer ganska grundligt förra året (det första av dessa inlägg finns på den här webbadressen, och det finns tre andra i samma serie) och det behandlas också på Thorium Energy Alliance’s webbplats. Det finns många trevliga saker med toriumreaktorer förutom att de kan producera Pu-238, och det är en teknik som har utarbetats och testats – men USA visar inga tecken på att bygga någon av dem inom en snar framtid. Indien och Kina kan komma att utveckla omfattande system med toriumreaktorer – men vad dessa nationer kan komma att göra ett eller två decennier framöver kommer inte att göra mycket för NASA under de närmaste åren. Summan av kardemumman är att hur lovande de än är för framtida behov kommer toriumreaktorer sannolikt inte att hjälpa oss att skicka fler rymdfarkoster till det yttre solsystemet inom en snar framtid.
Så här står vi nu. USA har slutat producera Pu-238 som behövs för att driva våra rymdsonder och vi har i stort sett förbrukat våra lager av materialet. Under de mellanliggande åren har vi köpt rysk Pu-238, men det kommer inte att finnas tillgängligt mycket längre, vilket gör att vi står på bar backe. Det kan finnas rester av materialet – kanske till och med lager – vid olika DOE-anläggningar, men att demontera kärnvapen kommer förmodligen inte att räcka till. På lång sikt kan toriumcykelreaktorer vara ett bra sätt att göra det, men dessa reaktorer är inte i drift någonstans i världen i dag och det finns inga amerikanska planer på att bygga några av dem i närtid. Detta verkar lämna oss med endast tre alternativ – starta om vår produktionslinje för Pu-238, hitta ett annat sätt att tillverka (eller få tag på) materialet eller begränsa oss till det inre solsystemet. Som jag nämnde förra veckan hoppas jag innerligt att vi inte går den sista vägen. Så låt oss se vad vi kan komma fram till – och låt oss hoppas att vi inte låter lösningen (och besluten) dröja för länge.
Inlägget Where does the plutonium come from? publiceras på ScienceWonk, FAS blogg för åsikter från gästexperter och ledare.