Poznaj atom

Energetyka jądrowa będzie miała swój wkład w badania kosmosu

Czwartek 07 sierpnia 2014

Brytyjskie narodowe centrum badań jądrowych (National Nuclear Laboratory – NNL) podpisało kontrakt o wartości 3 mln. £ z europejską agencją kosmiczną (European Space Agency – ESA), w ramach którego ma ono dostarczyć ameryk-241 przeznaczony do zasilania badawczych sond kosmicznych.

Wielka Brytania jako jedno z nielicznych państw (obok Francji i Rosji) posiada zamknięty jądrowy cykl paliwowy i w swoich zakładach w Sellefield prowadzi przerób wypalonego paliwa pochodzącego zarówno z rodzimych jak i zagranicznych reaktorów. Pluton odzyskiwany w tym procesie (składa się głównie z izotopów Pu-239 i Pu-241) służy następnie do produkcji paliwa MOX. Ponieważ produkcja takiego paliwa napotykała dotychczas na szereg problemów technicznych na terenie obiektu Sellafield zgromadzono znaczną ilość (ok. 123 ton) plutonu oczekującego na dalsze zagospodarowanie.

Zgromadzony zapas plutonu ulega procesowi starzenia i zostaje on zanieczyszczony izotopem ameryku-241 pochodzącym z rozpadu beta izotopu Pu-241. Po długim okresie składowania plutonu nagromadzony w nim Am-241 posiada zbyt dużą aktywność promieniotwórczą, aby materiał ten mógł być następnie wykorzystany do produkcji paliwa MOX. W przypadku zakładów Sellafield okres ten wynosi 6 lat. Po tym czasie nie można wykorzystać zgromadzonego plutonu bowiem zawiera on ponad 3% Am-241, który musi być usunięty zanim pluto zacznie być wykorzystywany do produkcji paliwa MOX.

Usunięty odpadowy izotop ameryku znajdzie zastosowanie w badaniach kosmicznych. Zgodnie z podpisanym kontraktem NNL zamierza w ciągu dwóch lat uruchomić eksperymentalną produkcję pastylek z Am-241, które zostaną następnie wykorzystane przez europejską agencję kosmiczną do produkcji radioizotopowych źródeł zasilania sond kosmicznych (Radioisotope Power Sources - RPS).

Dotychczas standardowym źródłem zasilania aparatury sond i próbników kosmicznych są radioizotopowe generatory termoelektryczne (radioisotope thermoelectric generator - RTG). Zdecydowana większość generatorów RTG wykorzystuje jako źródło ciepła izotop plutonu Pu-238, który posiada wysoką wydajność termiczną (560 W/kg).
ESA uważa Am-241 za bardziej atrakcyjne źródło ciepła ponieważ jest on o wiele tańszy od Pu-238 mimo iż jego wydajność termiczna wynosi jedynie 115 W/kg i posiada on większą aktywność promieniowania gamma. Okres półrozpadu Am-241 wynosi 432 lata co będzie umożliwiać wykonywanie dłuższych lotów (88 lat dla Pu-238). Ponadto izotop Pu-238 jest obecnie prawie niedostępny na rynku – USA zaprzestały jego produkcji w 1988 r., również Rosja przestała go sprzedawać.

Sondy kosmiczne podobne do Cassini, Voyager i Galileo, które zasilane są generatorami RTG, zawierającymi 33 kg Pu-238, będą potrzebować więcej Am-241 mimo iż sprawność generatorów znacznie wzrosła w ostatnim okresie. Zasilanie pojazdu marsjańskiego Curiosity wymagać będzie 15-20 kg Am-241 – zamiast 4,8 kg Pu-238, zawartego obecnie w generatorze typu MMRTG o mocy 2 kW(termicznej) i 110 W (elektrycznej). Do produkcji 10 kg Am-241 niezbędne jest użycie ok. 250 kg plutonu z przerobu wypalonego paliwa jądrowego.

Potencjalne zapotrzebowanie na Am-241 do zastosowań kosmicznych będzie znacznie większe, niż to obecnych zastosowań w detektorach dymu (0,3 mikrogram). Jeden gram tlenku ameryku dostarcza wystarczającej ilości aktywnego materiału dla 3 mln detektorów dymu, a jego koszt wynosi 1500 USD/gram. Ostateczna decyzja o skali produkcji w NNL zależeć będzie od jej kosztów i zapotrzebowania na Am-241. Wg ocen ekspertów ESA budowa zakładów produkcji Am-241 o wydajności 10 kg/rok, ich działanie przez 10 lat i końcowy demontaż pochłonie dziesiątki mln. USD podczas gdy budowa podobnego zakładu produkcji Pu-238 pochłonęłaby setki mln. USD.

Energia ze źródeł promieniotwórczych jest niezbędna do dalszego rozwoju badań kosmicznych.
Baterie słoneczne obecnie wystarczają do zasilania pojazdów kosmicznych jedynie do orbity Jowisza. Dalsze misje oraz lądowanie na planetach wymagają stosowania źródeł jądrowych do ogrzewania i zasilania aparatury pokładowej.
ESA spodziewa się, że zastosowanie tańszego Am-241 zamiast Pu-238 umożliwi dostęp do badań kosmicznych innym państwom, nie tylko USA i Rosji. Materiał ten pochodzący z „odpadów” energetyki jądrowej może stać się dochodowym produktem eksportowym dla Wielkiej Brytanii.

Fot. Generator MMRTG zbudowany przez firmę Pratt & Whitney’s Rocketdyne zasilający marsjański pojazd Curiosity



Facebook