Sobota, Listopad 18

Může nám jaderný odpad pomoci při průzkumu vesmíru?

V 70. letech bylo velmi populární science fiction typu Star Trek, Dark Star společně s knihami od autorů jako Asimov a Gerge O. Smith. Většina autorů líčila vesmír jako nepřátelské a vzpurné prostředí, ale zároveň i jako prostředí, kde lidé mohou žít, pracovat a bavit se. Realita je však úplně někde jinde.

20130201_new_horizons_at_pluto_f537
Umělecké ztvárnění průletu sondy New Horizons kolem Pluta. (Zdroj: Planetary.org)

 

Vesmír je studený a pro lidi neuvěřitelně nehostinný. Vzdálenosti, které musíme překonat, abychom se kamkoliv dostali, jsou naprosto neuvěřitelné. Vezměme například sondu New Horizons americké vesmírné agentury NASA, která dne 14. června 2015 proletí kolem Pluta a jeho měsíce Cháron. Sonda odstartovala v lednu 2006, a aby se k Plutu dostala, musela cestovat 10 let a urazit 5 miliard kilometrů. Průlet kolem trpasličí planetky bude otázkou minut a dalších 18 měsíců pak bude vysílat nasbíraná data.

Dalším takovým příkladem je sonda Voyager 1. Vypuštěna byla už v roce 1977 a i přesto, že se nyní nachází 18 miliard kilometrů od Země, stále s ní máme spojení. Blíže k domovu se nachází vozítko Mars Science Laboratory, které jezdí po Marsu, odebírá a analyzuje vzorky horniny a provádí další měření.

 

Zdroj energie pro sondy v chladném meziplanetárním prostoru

Všechna tato vesmírná zařízení demonstrují lidskou vynalézavost, inovaci a průkopnického ducha. Společnou mají ještě jednu věc. Tou je zdroj energie, který je zásobuje tolik nutným teplem a elektřinou v nehostinném vesmírném prostředí. Srdcem všech těchto zdrojů je několik kilogramů do ruda rozžhaveného plutonia 238, bez něhož by tyto sondy nemohly fungovat, neboť v místech, která jsou vzdálená od Slunce, fotovoltaické články již nedostačují. Plutonium umožňuje udržet základní systémy v teple a díky Seebeckovu termoelektrickému jevu také vytvořit dostatek elektrické energie k napájení sond. S poločasem rozpadu 87,7 let má plutonium 238 potenciál poskytovat sondě teplo a elektrickou energii déle než sto let.

Na druhou stranu je však výroba plutonia 238 velmi náročná a nákladná. K jeho vytvoření je potřeba reaktor se správným neutronovým tokem a zásoba neptunia 237, které se používá jako základní surovina. K produkci plutonia 238 je dále potřeba jaderný závod, kde dojde chemickou cestou k separaci plutonia 238 od vysoce radioaktivního paliva. V průběhu let bylo plutonium 238 produkováno v řadě zemí včetně USA, Ruska nebo Velké Británie. V historii bylo plutonium 238 dokonce využito i k napájení kardiostimulátorů.

 

Co s nedostatkem plutonia 238?

Vraťme se ale zpět k vesmírným aplikacím. Zásoby plutonia 238 nyní pomalu dochází. Přestože USA opětovně zahajují jeho produkci, současné zásoby společně se současnou produkcí nemohou v krátkodobém měřítku ukojit potřeby široké škály vesmírných misí, které by vědecká obec v USA ráda uskutečnila. V Evropě je dokonce produkce plutonia 238 kvůli neexistenci zásob neptunia 237 a nutných výrobních závodů považována za příliš nákladnou. V důsledku toho se Evropa rozhodla zaměřit na alternativní materiál, který by mohl budoucí vesmírné sondy zásobovat energií. Tímto materiálem je americium 241.

Tento izotop můžeme najít ve všech domovních kouřových detektorech, kde ve velmi malém množství, obvykle kolem 1 microcurie, zajišťuje nutné ionizující záření typu alfa. Ve větším množství by alfa záření vydávané tímto izotopem mohlo generovat teplo podobně, jak tomu je u plutonia 238.

Jako člen transuranové řady je americium produkováno jako odpad při ozáření uranu neutrony v reaktoru jaderné elektrárny. Jedna tuna vyhořelého jaderného paliva tak může obsahovat až 100 gramů americia 241. Přesto, že je to nákladné, náročné a výtěžnost je relativně malá, je možné americium z vyhořelého paliva extrahovat. Avšak velkou překážkou je to, že extrahované americium obsahuje krom americia 241 ještě mnoho dalších izotopů tohoto prvku. Kvůli tomuto problému je produkce americia 241 touto cestou nevhodná.

20150422_10W-RTG_f537
10W radioizotopový termoelektrický generátor vyvinutý univerzitou v Leicesteru. (Zdroj: Planetary.org)

 

Alternativní možností je využít beta rozpad plutonia 241. Při přepracovávaní vyhořelého paliva je plutonium odděleno od uranu a dalších štěpných produktů, a poté uskladněno k opětovnému použití v civilních jaderných reaktorech. Vyhořelé jaderné palivo obsahuje řadu izotopů plutonia včetně plutonia 241. Plutonium 241 má poločas rozpadu 14 let a rozpadá se právě na americium 241. Dlouhodobé skladování separovaného plutonia pak bude díky beta rozpadu produkovat izotopicky velmi čisté americium 241.

Stejně jako ostatní izotopy americia i americium 241 je jaderným průmyslem považováno za odpadní látku, která se musí z paliva odstranit před tím, než bude znovu použito jako jaderné palivo v reaktorech. Jenom ve Velké Británii byly separovány a uskladněny stovky tun plutonia. Některé z nich dokonce několik desetiletí, což představuje potenciálně hojný a spolehlivý zdroj americia 241, které by jinak bylo likvidováno jako jaderný odpad. Americium 241 může být separováno od skladovaného plutonia relativně jednoduchým a nákladově efektivním chemickým procesem, který nevyžaduje práci s vysoce radioaktivním vyhořelým jaderným palivem.

 

Americium 241 jako zdroj energie

Ve srovnání s plutoniem 238, které má poločas rozpadu 87,7 roku a tepelný výkon 0,4 wattů na gram, americium 241 vydrží s poločasem rozpadu 432 let déle, avšak jeho tepelný výkon je menší, pouze 0,1 wattů na gram. Delší poločas rozpadu znamená, že ve srovnání s plutoniem 238, se bude teplo vydávané americiem 241 v čase mnohem pomaleji snižovat. Navíc vyšší izotopická čistota americia 241 (větší než 99 %) částečně nahradí nižší měrný tepelný výkon. V současné době se evropský vesmírný program soustředí na vývoj škálovatelných radioizotopických termoelektrických generátorů (RTG) v rozmezí 10 až 50 W elektrického výkonu s měrným výkonem jednoho až dvou wattů na kilogram. Pro srovnání dnešní RTG na plutonium 238 produkují kolem 120 W s měrným výkonem kolem tří wattů na kilogram.

Americium 241 je také velmi vhodným palivem pro topné systémy jako radioizotopické topné jednotky (RHU). V těchto systémech je nižší výkonová hustota americia méně důležitá, což z něj dělá velmi atraktivní alternativu. Tyto jednotky také nabízejí možnost použití velmi malých RTG s výkonem menším než jeden watt, kde získávání elektrické energie využitím termoelektrických článků představuje atraktivní alternativu pro nízkonákladové nebo malé vesmírné mise. Malé množství elektrického výkonu kombinované s tepelným zdrojem může otevřít dveře pro řadu nových misí. Moderní baterie na chemické bázi, před mrazem chráněné tepelným zdrojem, které budou ještě navíc průběžně dobíjeny malou RTG jednotkou, mohou poskytovat dostatečný výkon pro malá vesmírná plavidla, jako jsou různé přistávací moduly nebo malé satelity CubeSats.

20150422_Am241_f537
Separace americia 241 v britské National Nuclear Laboratory. (Zdroj: Planetary.org)

 

 

Vývoj nového zdroje

Vývoj těchto zdrojů pokračuje v Evropě mílovými kroky. Byl zahájen v roce 2009, kdy Evropská vesmírná agentura (ESA) začala s financováním vývojového programu. V rámci tohoto programu byla ustanovena schopnost produkovat americium 241, vyprodukovány byly první testovací pelety a vyvinut a otestován byl laboratorní prototyp RTG o výkonu 5 wattů. V rámci programu byly vyvinuty i termoelektrické články použitelné pro teplotní rozsah americia 241.

V současné době program mimo jiné vyvíjí i Stirlingův motor jako potenciálně účinnější konverzní systém přetvoření tepla na elektřinu, a dále prozkoumává budoucí potenciál konstrukcí RHU. Klíčovou částí programu je i bezpečnost těchto systémů při startu a další požadavky. Během následujícího roku či dvou budeme svědky dalšího pokroku směrem k dokončení klíčových technologii a systémů na konverzi radiologického tepla a ke konsolidaci konstrukcí RTG.

Stejně jako většina ostatních projektů v dnešním světě bude úspěch záviset na dalším financování. Za předpokladu stabilního financování, dokončení vývoje a vytvoření funkčního RTG na bázi americia 241 zabere dalších deset let, což je poměrně typická doba u takto ambiciózních vesmírných technologických programů. Pokračující stabilní financování projektu spolu se stabilním pokrokem ve vývoji může vést k vytvoření funkčního RHU na bázi americia 241 někdy kolem roku 2025 s tím, že funkční RTG pak bude připraven brzy poté.

Ve srovnání s plutoniem 238 je americium 241 dobře dostupné a jeho produkce je nákladově efektivní. Díky tomu mají evropské RTG a RHU potenciál stát se levným a spolehlivým zdrojem tepla a elektřiny pro širokou škálu budoucích vesmírných misí.

I poté co sonda New Horizons opustí Pluto a započne svoji cestu k prozkoumání Kuiplerova pásu, zůstane v naší Sluneční soustavě mnoho míst k prozkoumání. Z nich jmenujme například misi ponorek prozkoumávajících Saturnův měsíc Titan, sondy obíhající planetu Uran nebo misi speciálních balónů plovoucích v atmosféře planety Venuše. Všechny tyto mise jsou uskutečnitelné, leč náročné cíle, které před námi v budoucnu leží. Evropské americium 241 má velmi reálný potenciál, stát se klíčovou technologií pro příští generaci průkopnických vesmírných lodí, které do hloubky prozkoumají naší Sluneční soustavu.

Zdroj: Planetary.org

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *