Letzte Woche habe ich darüber geschrieben, wie sich der Mangel an Pu-238 auf die Erforschung des äußeren Sonnensystems auswirken könnte, aber ich bin nicht näher darauf eingegangen, woher das Plutonium kommt. Schließlich gibt es zwar Spuren von natürlichem Plutonium, aber bei weitem nicht genug, um eine Raumsonde zu betreiben. In dieser Woche schien es sich also zu lohnen, darüber zu sprechen, woher wir unser Plutonium bekommen, und sei es nur, um zu verstehen, warum die NASA (oder das DOE) zig Millionen Dollar braucht, um es herzustellen.
Im Periodensystem steht Plutonium zwei Plätze über Uran – Uran hat die Ordnungszahl 92 (d.h. es hat 92 Protonen) und Plutonium liegt bei 94. Um Plutonium herzustellen, müssen wir einem Uranatom irgendwie zwei Protonen hinzufügen. Die Art und Weise, wie dies geschieht, ist ziemlich cool – und es gibt verschiedene Wege, je nachdem, welches Plutoniumisotop hergestellt werden soll.
Um Pu-239, das Nuklid, das in Kernwaffen verwendet wird, herzustellen, ist es ein ziemlich einfacher Prozess. Natürliches Uran besteht zu über 99% aus U-238, das nicht so gut spaltbar ist. Bringt man das U-238 (das mindestens 95 % des Reaktorbrennstoffs ausmacht) in die Mitte eines Reaktors, in dem es vor Neutronen aus der Uranspaltung nur so wimmelt, wird es ein Neutron einfangen und sich in U-239 verwandeln. Das U-239 wiederum zerfällt durch Aussendung eines Betateilchens in Neptunium-239, das ein weiteres Betateilchen abgibt. Da jeder Betazerfall ein Neutron in ein Proton umwandelt, reichen diese beiden Betazerfälle aus, um ein Uranatom in ein Plutoniumatom zu verwandeln. Ein einzelnes U-238-Atom, das ein einzelnes Neutron absorbiert und lange genug ruhen kann, um zwei Betazerfälle zu durchlaufen (etwa einige Wochen), verwandelt sich also in ein einzelnes Pu-239-Atom. Die Herstellung schwererer Plutoniumnuklide ist ebenso einfach – wenn Pu-239 zusätzliche Neutronen einfängt, wird es zu Pu-240, Pu-241, Pu-242 und anderen. Das ist nicht nur ziemlich einfach, sondern geschieht auch ständig in jedem in Betrieb befindlichen Kernreaktor.
OK – wir sehen also, wie wir durch einfachen Neutroneneinfang und Geduld Plutoniumnuklide erhalten können, die schwerer sind als U-238, aber das hilft uns nicht wirklich dabei, das Pu-238 herzustellen, das wir für den Antrieb eines Raumschiffs benötigen. Die Herstellung des leichteren Nuklids ist ein wenig umständlicher.
Erinnern Sie sich, dass ein Reaktor durch Neutroneneinfang Pu-241 produziert. Es stellt sich heraus, dass Pu-241 auch durch Betastrahlung zerfällt und dabei Am-241 entsteht – das Zeug, das unter anderem in Rauchmeldern verwendet wird. Am-241 ist ein Alphastrahler und zerfällt in eine leichtere Variante von Neptunium (Np-237), die bei Neutronenbestrahlung ein Neutron einfängt und zu Np-238 wird. Eine letzte Umwandlung – ein letzter Betazerfall – ist der letzte Schritt zur Herstellung von Pu-238. Dies ist der Grund, warum Pu-238 so teuer ist – seine Herstellung erfordert zwei Bestrahlungen (die erste lang genug, um Pu-241 zu erzeugen), genügend Zeit für alle radioaktiven Zerfälle, um Plutonium in Americium und Americium in Neptunium umzuwandeln, und mehrere Schritte der chemischen Verarbeitung, um die verschiedenen Elemente von Interesse, die gebildet werden, zu isolieren.
Auch wenn es kompliziert klingt (nun, ich denke, es ist kompliziert), ist die Herstellung von Pu-238 ziemlich einfach. Wissenschaft und Technik sind wohlbekannt und etabliert, und die Herstellung von Pu-238 ist kein wissenschaftliches oder technisches Neuland. Aber die Politik… das ist eine ganz andere Sache.
Wie ich letzte Woche erwähnte, wurde die amerikanische Pu-238-Produktionslinie vor über zwei Jahrzehnten stillgelegt. Seitdem kaufen wir es von den Russen, aber die haben ihr eigenes Raumfahrtprogramm und außerdem nur begrenzte Vorräte. Diese Option wird also nicht mehr lange funktionieren, unabhängig von der Zukunft der internationalen Beziehungen zwischen den USA und Russland.
In einem kürzlich erschienenen Blogbeitrag von Nuclear Watch wurde vorgeschlagen, dass die USA ihren Pu-238-Bedarf durch die Demontage von Kernwaffen und die Durchsuchung ihres Pu-238-Altbestandes decken könnten – in den Dokumenten des Los Alamos National Laboratory (LANL) wird darauf hingewiesen, dass das Nuklid im Wert von über 2000 RTGs allein aus Kernwaffen gewonnen werden kann. Ich bin mir jedoch nicht sicher, ob ich diese Behauptung akzeptieren kann, vor allem weil es absolut keinen Sinn macht, dieses Nuklid in eine Kernwaffe einzubauen. Zu den „Resten“ von Pu-238, die das LANL angeblich herumliegen hat, kann ich nichts sagen, und leider hat Nuclear Watch keinen Link zu den von ihnen zitierten LANL-Dokumenten angegeben, so dass es schwierig ist, dies zu überprüfen oder weiter zu kommentieren. Aber wenn es in LANL einen Vorrat an Pu-238 gibt, wäre es sicherlich schön, ihn für die Weltraumforschung zu nutzen – ganz zu schweigen von den Einsparungen bei den Entsorgungskosten.
Eine weitere Möglichkeit, Pu-238 herzustellen, ist ein Flüssigfluorid-Thorium-Reaktor (LFTR) – ein Reaktor, der natürlich vorkommendes Thorium (Th-232) zur Erzeugung von U-233 nutzt, das recht gut spaltet. Durch zusätzlichen Neutroneneinfang kann U-233 in Pu-238 umgewandelt werden, das chemisch vom Brennstoff getrennt werden kann. Es gibt noch viel mehr zu diesem Thema, aber ich habe das Thema Thoriumreaktoren im letzten Jahr ziemlich gründlich behandelt (der erste dieser Beiträge ist unter dieser URL zu finden, und es gibt drei weitere in der gleichen Reihe), und es wird auch auf der Website der Thorium Energy Alliance behandelt. Neben der Möglichkeit, Pu-238 zu produzieren, haben Thoriumreaktoren auch viele andere Vorteile, und es handelt sich um eine Technologie, die ausgearbeitet und getestet wurde – aber die USA zeigen keine Anzeichen dafür, in nächster Zeit welche zu bauen. Indien und China könnten umfangreiche Thorium-Reaktorsysteme entwickeln – aber was diese Länder in ein oder zwei Jahrzehnten tun könnten, wird der NASA in den nächsten Jahren nicht viel nützen. Das Fazit ist, dass Thoriumreaktoren, so vielversprechend sie für künftige Bedürfnisse auch sein mögen, uns nicht dabei helfen werden, in absehbarer Zeit mehr Raumfahrzeuge in das äußere Sonnensystem zu schicken.
So sieht es also aus. Die USA haben die Produktion von Pu-238 eingestellt, das für den Betrieb unserer Raumsonden benötigt wird, und wir haben unsere Vorräte an diesem Material so gut wie aufgebraucht. In der Zwischenzeit haben wir russisches Pu-238 gekauft, aber das wird nicht mehr lange verfügbar sein, so dass wir auf dem Trockenen sitzen. Es gibt vielleicht noch Reste des Materials – möglicherweise sogar Lagerbestände – in verschiedenen Einrichtungen des DOE, aber die Demontage von Atomwaffen wird wahrscheinlich nicht ausreichen. Langfristig könnten Thorium-Reaktoren eine gute Lösung sein, aber diese Reaktoren sind heute nirgendwo auf der Welt in Betrieb, und es gibt keine amerikanischen Pläne, in nächster Zeit welche zu bauen. Damit bleiben uns wohl nur drei Möglichkeiten – unsere Pu-238-Produktionslinie wieder in Betrieb zu nehmen, einen anderen Weg zur Herstellung (oder Beschaffung) des Materials zu finden oder uns auf das innere Sonnensystem zu beschränken. Wie ich bereits letzte Woche erwähnt habe, hoffe ich aufrichtig, dass wir nicht den letzten Weg einschlagen. Schauen wir also, was uns einfällt – und hoffen wir, dass wir die Lösung (und die Entscheidungen) nicht zu lange aufschieben.
Der Beitrag Woher kommt das Plutonium? erscheint auf ScienceWonk, dem Blog der FAS für Meinungen von Gastexperten und Führungskräften.