Это самая крупная партия нового теплового источника оксида плутония с момента перезапуска в США 10 лет назад производства плутония-238.
Это позволит снизить риски поставок, необходимые для поддержки будущих миссий НАСА глубокого космоса, которые полагаются на радиоизотопные энергетические установки.
Упаковка плутония
В июне 2023 г. удалось достичь важного рубежа в способности упаковывать и транспортировать плутоний-238.Это ключевой компонент радиоизотопных энергетических систем, используемых в миссиях в дальнем космосе, от Вояджера до марсохода Mars Perseverance.
Эта поставка оксида плутония для тепловых источников была на порядок больше, чем предыдущие поставки.
Поставка была выполнена в партнерстве с НАСА, которое спонсировало установку оборудования для расширения возможностей упаковки ORNL.
Цель Минэнерго США, в подчинении которого находятся эти лаборатории, производство 1,5 кг/год оксида плутония для источников тепла к 2026 г.
Восстановление цепочки поставок в США
С закрытием К-реактора на площадке в Саванна-Ривер в 1988 г. США утратили способность производить плутоний-238 для освоения космоса.В 1992 - 2009 гг. его закупали в России.
К 2000 г. у НАСА оставалось всего 21 кг плутония.
Более 10 лет назад по поручению Конгресса НАСА и Минэнерго США договорились восстановить надежную внутреннюю цепочку поставок плутония-238, чтобы обеспечить надежный источник топлива для будущих миссий.
Первая пробная партия в 50 граммов была получена в 2015 г.
Преимущества Pu-238:
- выделяет большое количество тепла из-за радиоактивного распада в течение периода полураспада 87,7 года;
- обладает наилучшими свойствами для преобразования тепла в электричество для космических миссий;
- безопасно используется с 1960х гг.
- используется часть запасов нептуния-237 (Np-237);
- изготовление: исследователи из Национальной лаборатории Оук-Ридж:
- смешивают порошкообразную форму Np-237 с алюминиевым порошком,
- прессуют смесь в гранулы размером с карандашную стирательную резинку,
- загружают эти гранулы в алюминиевые трубки, которые закрываются сваркой, в результате чего получается изготовленная мишень,
- мишени сгруппированы в пучки для удобства обращения,
- облучение:
- мишени помещаются в 1 из 2 имеющихся реакторов:
- реактор с высоким потоком изотопов в Оук-Ридже,
- усовершенствованный испытательный реактор Нацлаборатории штата Айдахо;
- связанные мишени устанавливают в реакторные позиции, где они бомбардируются предписанным количеством нейтронов в течение нескольких циклов работы реактора,
- в результате этого технологического процесса определенный % Np-237 превращается в Pu-238,
- после облучения мишеней им дают остыть в бассейне местного реактора,
- затем мишени отправляют обратно в Ок-Ридж для химической обработки;
- разделение обеспечивается химической обработкой облученных мишеней:
- после химобработки остается смесь:
- 85-90% остаточный Np-237,
- 10-15% - полученный Pu-238,
- небольшое количество других изотопов,
- 2 ключевых материала, плутоний и нептуний, разделяются,
- Pu-238 превращается в оксид,
- Np-237 возвращается на стадию изготовления мишени.
- затем оксид Pu-238 упаковывается для отправки в Лос-Аламосскую национальную лабораторию, где его смешивают с топливом, уже имеющимся на складе, в соответствии со спецификациями НАСА:
- оксид Pu-238 прессуют в гранулы,
- помещают в оболочку из иридия, металла, который при нагревании может деформироваться без разрушения,
- иридиевая оболочка:
- это собой защитный слой, предназначенный для сохранения гранул оксида Pu-238 в случае аварии во время запуска или повторного входа в атмосферу Земли:
- проверяется на качество в LANL,
- затем отправляются в INL в Айдахо, где они хранятся в состоянии готовности к полету для будущей заправки РТГ.
Оттуда топливные элементы отправляются в Космический центр им. Кеннеди НАСА во Флориде для запуска.
На Титан и за его пределы
Источник тепла оксид плутония будет использоваться в миссиях НАСА в дальнем космосе, таких как Dragonfly (Стрекоза), которая в ближайшие годы отправит роботизированный винтокрылый аппарат для исследования спутника Сатурна Титана.Dragonfly будет питаться от радиоизотопной энергетической системы, называемой радиоизотопным термоэлектрическим генератором (РТГ), работающим на плутонии-238 (Pu-238), или MMRTG:
- РТГ преобразует тепло, выделяющееся при естественном радиоактивном распаде плутония-238 непосредственно в электричество с помощью специализированных термопар - устройств, вырабатывающих электричество без движущихся частей;
- термопары не требуют ТО и не выйдут из строя во время длительного космического полета.
В 1977 г. 2 космических аппарата Вояджер стартовали с мыса Канаверал, штат Флорида.
Предполагалось их использование в течение 5 лет.
Но Вояджеры оказались живучи.
Это является свидетельством надежности РТГ, работающих на Pu-238.
Первой миссией НАСА, в которой использовался новый плутоний-238, произведенный Минэнерго США, был марсоход НАСА Perseverance, который приземлился на Марсе в 2021 г. и продолжает исследовать поверхность планеты сегодня.
