Evropa na cestě k radionuklidovým zdrojům pro vesmír  
Návrat na Měsíc i expanzi do vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy chystá i Evropská vesmírná agentura ESA. Pro zajištění tepla a elektřiny během dlouhé měsíční noci nebo marsovské zimy je nutné využít radionuklidové zdroje. V současnosti není zajištěna výroba plutonia 238, které se pro tato zařízení využívalo. Je tak třeba přejít na využití snadněji dostupného americia 241. Na radionuklidových generátorech založených na americiu pracují hlavně ve Velké Británii.

Prototyp radionuklidové termální jednotky (zdroj Univerzita v Leicesteru).
Prototyp radionuklidové termální jednotky (zdroj Univerzita v Leicesteru).

V tomto roce se podařilo organizaci ESA významně pokročit v konstrukci nového radionuklidového zdroje založeného na izotopu americia 241Am.Jeho výhodou je, že jej lze získat z vyhořelého jaderného paliva bez nutnosti dalšího ozařování neutrony ze speciálního reaktoru. Takové reaktory se v osmdesátých letech odstavily a nové se nevybudovaly. To je zásadní překážkou pro získávání plutonia 238 z neptunia 237, které se pro radionuklidové zdroje energie využívalo doposud. Klíčovou zemí právě pro získávání americia je Velká Británie. Na vývoji jeho produkce pracuje Národní jaderný ústav v Sellafieldu, kde je známý přepracovací jaderný závod, pod dozorem britské vlády a britského úřadu pro jadernou bezpečnost. Na vývoji radionuklidových generátorů tepla a elektřiny pracují společně Univerzita v Leicesteru, Airbus Defence & Space, Lockheed Martin UK, Univerzita královny Marie v Londýně a European Thermodynamics Ltd. Předpokládá se vývoj malé tepelné jednotky s tepelným výkonem 3 W, malého termoelektrického generátoru s elektrickým výkonem 5 – 20 W a generátoru využívajícího Stirlingův motor s elektrickým výkonem okolo 100 W. Daří se připravovat jednotlivé komponenty a v nejbližší době by měl být k dispozici první prototyp.

 

Jak vypadají radionuklidové zdroje tepla a elektřiny

Radionuklidové zdroje využívají rozpad jader, při kterých se uvolňuje energie. Ta je předána vznikajícím částicím a dceřinému jádru ve formě kinetické energie. V průběhu jejích zastavení v materiálu se přemění na tepelnou. Tepelnou energii pak lze využít k ohřevu nebo konvertovat na elektrickou. K této přeměně se dá využít jedna ze tří možností. První z nich je termočlánek, který se zatím využíval při všech vesmírných využitích radionuklidových zdrojů. V tomto případě se při využití vhodné kombinace materiálů generuje napětí mezi dvě konci, které mají různou teplotu. Velikost napětí je úměrná rozdílu teplot. Účinnost konverze závisí na rozdílu teplot a je okolo 6 %. Vyšší efektivitu transformace lze dosáhnout pomocí mechanické přeměny. Jednou z možností je využití Stirlingova motoru. Ten se omezuje spíše na nižší výkony, ale umožňuje dosáhnout účinnosti až přes 30 %. Pro vyšší výkony je vhodnější klasická plynová turbína. Na základě radionuklidového zdroje tak můžeme připravit generátor tepla nebo elektrické energie. Obojí je pro vesmírné aplikace potřeba. Radionuklidové zdroje tepla musí využívat i čínská měsíční mise Čchang-e 4 (podrobněji zde). Je to technologie mise, u které využila Čína spolupráci s Ruskem

 

Jak získat americium 241?

Potřebné americium 241 se dá získat z vyhořelého jaderného paliva. Konkrétně ze starého vyseparovaného plutonia. To se dá chemický z jaderného odpadu vyseparovat. Pokud počkáme dostatečně dlouho, tak se v něm nahromadí právě izotop americia 241Am. Plutonium je sice směsicí řady různých izotopů tohoto prvku. Ovšem jedině izotop plutonia 241Pu se přeměňuje rozpadem beta na americium. U všech ostatních se realizuje alfa rozpad a nevzniká tak americium. Poločas rozpadu 241Pu je zhruba 14,4 let, takže je třeba počkat spíše desítky let a využít separované plutonium, které je už dobře uleželé. Z takového dlouhodoběji skladovaného separovaného plutonia se chemicky vydělí americium, které bude čistým monoizotopickým 241Am. To pak lze použít pro vesmírný radionuklidový zdroj.

Americium 241 má oproti plutoniu 238 některé výhody, ale také nevýhody. Hlavní výhodou je popsaný způsob výroby, který nevyžaduje nové speciální ozařování neutrony. Pro velmi dlouhé mise by mohl být výhodou delší poločas rozpadu, který je 432 let. U plutonia 238 je pouhých 87,7 let. Pokles radioaktivity i výkonu je tak pomalejší. Radionuklidový zdroj založený na americiu se tak hodí i pro velmi dlouhé mise trvající i stovku let. Na druhé straně to však je i nevýhoda. Delší poločas rozpadu znamená nižší aktivitu i nižší tepelný výkon, energie rozpadu je totiž v obou případech zhruba stejná, okolo 5,6 MeV.

V průběhu separace se získá americium v roztoku (AP4), pro využití se musí převést do pevné formy peletek z oxidu americia (AmO2.) Z tabulky je vidět, že se úspěšně podařilo dosáhnout velmi vysoké čistoty americia.(Zdroj Keith Stephenson, ESA).
V průběhu separace se získá americium v roztoku (AP4), pro využití se musí převést do pevné formy peletek z oxidu americia (AmO2.) Z tabulky je vidět, že se úspěšně podařilo dosáhnout velmi vysoké čistoty americia.(Zdroj Keith Stephenson, ESA).

Pro stejný výkon je tak potřeba u americiového zdroje zhruba pětkrát větší objem 241Am. Další nevýhodou je, že radionuklid 241Am vyzařuje doprovodné záření gama. Energie je sice nízká, okolo 60 keV, ale intenzita linky s touto energií je 36 %. Vzniká tak při rozpadu s 36 % pravděpodobností. Ostatní linky mají intenzitu velmi malou. U 238Pu má nejintenzivnější linka, která má energii 43 keV, intenzitu pouhých 0,04 %. Toto plutonium tak neemituje téměř žádné záření gama a nevyžaduje tak kvůli němu speciální stínění. Naopak u americia 241 musíme se zářením gama počítat nejen při manipulaci a zásoba radionuklidu musí být odpovídajícím způsobem stíněná.

 

Radionuklidové zdroje ESA

Během několika let se výzkumnému týmu Univerzity v Leicesteru podařilo vyvinout první prototypy radionuklidového zdroje tepla s tepelným výkonem 3 W a termoelektrického generátoru s elektrickým výkonem 10 W. Zatím je však testuje pouze s využitím elektrického vytápění. Je tak možné tak pracovat na potřebných technologiích v normální laboratoři, která nemá podmínky pro práci s radioaktivními materiály.

Prototypový radionuklidový termoelektrický generátor týmu z Univerzity v Leicesteru (Zdroj Univerzita v Leicestaru).
Prototypový radionuklidový termoelektrický generátor týmu z Univerzity v Leicesteru (Zdroj Univerzita v Leicestaru).

Testy s americiem 241Am se teprve připravují. Zatím se totiž podařilo otestovat výrobu gramových množství tohoto radionuklidu. Výsledkem je velmi čisté americium 241Am. Nyní je nutné postupně vyvinout metodiku jeho produkce v kilogramových množstvích. Předběžně se předpokládá využít palivo v podobě keramického materiálu Am2O3. Národní jaderný ústav v Sellafieldu pracuje na přípravě závodu pro produkci americia 241Am pro radionuklidové zdroje ve velkém.

 

Závěr

Dokončení projektu vývoje radionuklidových zdrojů tepla a elektřiny by evropské organizaci ESA umožnilo uskutečnit projekty studia vzdálených oblastí Sluneční soustavy nebo na Měsíci a Marsu. Připomeňme si dva z nich. Prvním je projekt Odinus, což je společný projekt ESA a NASA, který plánuje vyslat dvě dvojice sond, které by využily gravitační pole Jupitera pro urychlení na cestu ke vzdálenějším planetám. První dvojice by byla navedena na oběžnou dráhu okolo Uranu, druhá by se tak stala oběžnicí Neptunu. Okno pro start je v tomto případě v roce 2035.

Testování budoucího vozítka pro Měsíc v Kanadě, připojeno i jeho virtuální zobrazení (zdroj ESA).
Testování budoucího vozítka pro Měsíc v Kanadě, připojeno i jeho virtuální zobrazení (zdroj ESA).

Další projekt s názvem Heracles je společný s japonskou organizací JAXA, NASA a Kanadou. Zaměřuje se na dlouhodobý průzkum Měsíce ve spolupráci s americkou stanicí kolem Měsíce. Předpokládá práci automatů i během měsíční noci a v blízkosti měsíčních pólů. Malá robotická vozítka budou zkoumat vlastnosti měsíčního povrch a sbírat vzorky. Ty se shromáždí v jednom místě a hromadně odešlou do laboratoří na Zemi. Později se předpokládají hermeticky uzavřená vozidla s lidskou posádkou. Činnost na Měsíci by mohla začít v polovině dvacátých let.

 

Podrobnější popis vývoje nového jaderného reaktoru pro vesmír je popsán v článku o reaktoru kilopower a další informace o jaderných zdrojích pro vesmír jsou v článku o jaderných zdrojích pro vesmírnou kolonizaci a v dřívějším článku o jaderných zdrojích.

Psáno pro Osel.cz a Kosmonautix.

Datum: 15.12.2018
Tisk článku

Budoucnost mysli - Kaku Michio
 
 
cena původní: 399 Kč
cena: 339 Kč
Budoucnost mysli
Kaku Michio

Diskuze:

Laický dotaz

David Pešek,2018-12-17 14:17:12

Dobrý den, měl bych dotaz, americium241 by bylo možné použít v klasických štěpných reaktorech jako palivo? Jaké by bylo kritické množství pro řetězovou štěpnou reakci?

Odpovědět


Re: Laický dotaz

Pavel Hudecek,2018-12-19 10:45:42

Na CZ Wiki píšou: "kritická hmotnost čistého izotopu je 57,6-75,6 kg (tomu odpovídá koule o poloměru 19-21 cm)"

Takže ano šlo, ale praktický důvod k tomu není. Je to velmi minoritní prvek a tak by byl jako palivo drahý. Úpravou použitého paliva se obvykle vyrábí palivo MOX (mixed oxides) a to jsou oxidy uranu a všech přítomných transuranů (včetně Am).

Odpovědět


Re: Re: Laický dotaz

Vladimír Wagner,2018-12-19 19:18:10

Jen oprava. Je snaha, aby v MOX palivu byly izotopy plutonia (chemicky se separuje z vyhořelého paliva uran a plutonium).

Odpovědět


Re: Re: Re: Laický dotaz

Pavel Hudecek,2018-12-19 19:30:36

Je to proto, že těch ostatních transuranů je tam tak málo že se je získávat na palivo nevyplatí, nebo by i nějak vadily, třeba kvůli jiné dynamice reakce?

Odpovědět

Americiova kamna

Michal Majer,2018-12-16 21:12:52

Nejsem fyzik a neumím si to spočítat... Ale nemůžu si pomoct, vrtá mi hlavou, kolik kg americia by musel obsahovat klasický pokojový přímotop o výkonu 2kW a jak tlusté stínění (olovo, beton?) by muselo být, aby nás to v pokoji neozarilo? Velice děkuji za případný výpočet:-)

Odpovědět


Re: Americiova kamna

Pavel Hudecek,2018-12-17 00:54:18

Na CZ wiki píšou 114 mW/g. Takže necelých 20 kg na 2 kW. Kdyby tam bylo ve formě oxidu, tak bude objem asi 2 litry.

A 60 keV není moc, to je jako lékařský rentgen.

Takže kdyby Am bylo ve wolframových kuličkách, ty v hliníkových válečcích a válečky třeba mezi dvěma hliníkovými plechy, máme topení běžné velikosti, které topí bez šňůry a topit bude dlouho. Ještě za 400 let bude mít přes 1 kW.

Akorát to nemá žádný "hrnečku dost". Takže zakrytí povede k požáru a zakrytí něčím dostatečně tepelně odolným k roztavení a "domácí Fukušimě".

Odpovědět


Re: Re: Americiova kamna

Pavel Hudecek,2018-12-17 01:25:02

Ještě mi nějak vypadly podrobnosti ke stínění. Pro 60 keV jsem našel lehce zmatené údaje, kdy polovrstva olova má snad kolem 0,3 mm. Desetinásobek tedy záření sníží dvě na destátou, tedy tisíc krát, centimetr je ještě 3x víc, takže ten už to sníží miliardkrát, což by snad* mohlo stačit. (* jsem línej dohledat kolík má to Am aktivitu a kolik je dovoleno)

Takže by to mohly být např. třícentimetrové kuličky, kde je uvnitž centimetrová kulička z Am, nebo spíš AmO2. A místo olova raději wolfram, protože se snadno neroztaví.

Jinak vždycky když čtu o potížích se stavbou úložiště VJP, říkám si "dejte ho ke mě do sklepa", jeden kontejner by akorát vyhřál celej barák. Další benefit by byl, že když do sklepa vleze zloděj, naběhnou zakuklenci a zavřou ho za proniknutí do jaderného zařízení:-)

Odpovědět


Re: Re: Re: Americiova kamna

Alexandr Kostka,2018-12-17 08:04:21

Stačí, aby to neničilo elektroniku samotné sondy. Lidi okolo toho mohou před startem chodit v protiradiačním obleku a montovat to klidně mohou automaty.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Americiova kamna

Pavel Hudecek,2018-12-17 12:24:20

V sondě by stačilo, v kamnech nestačí.

Je docela dobré si přečíst o čem se diskutuje, nebo alespoň nadpis.

Odpovědět


Re: Re: Re: Americiova kamna

Jan Děták,2018-12-19 12:35:38

Moje řeč, jeden barel radioaktivního odpadu bych si klidně pod barák zakopal. V létě to může ohřívat bazén, v zimě ať to topí ;-)

Odpovědět


Re: Re: Re: Americiova kamna

Michal Majer,2018-12-19 16:45:17

Díky, šel bych do toho :-) Ostatně v jednom davnem dílu Simpsonových si Homer strčil do kamen plutoniovou tyč a jak mu to hezky topilo a svítilo...

Odpovědět

Dostupnost

Alexandr Kostka,2018-12-16 18:46:50

Jestli se také mohu zeptat: Jak je to s tou dostupností Americia? Píšete, že vzniká z Plutonia a stačí jen počkat pár desítek let a prohnat to separační linkou. Ale: Jsou někde zásoby tun (a více) Plutonia, staré desítky let?

Odpovědět


Re: Dostupnost

Jan Novák9,2018-12-17 20:03:12

Jaderné zbraně. Celý program výroby Plutonia byl vytvořený pro bomby.

Odpovědět


Re: Re: Dostupnost

Pavel Hudecek,2018-12-19 10:50:43

Není plutonium jako plutonium. Do zbraní se používá 239 a jiné izotopy jsou velmi nežádoucí. Ty vysokoaktivní, co se hodí na topení, obzvlášť hodně vadí v bombě.

Odpovědět


Re: Dostupnost

Vladimír Wagner,2018-12-19 19:35:42

Dovolil bych si upřesnit. Pro bomby je potřeba čisté plutonium 239. Důvodem je, že pro štěpení
lze jsou nejvhodnější izotopy s lichým počtem neutronů (neutrony nemusí vnést energii, pro štěpení stačí jejich záchyt). Proto je potřeba mít speciální reaktor, kde vložíte palivové články jen na krátkou dobu, aby se negenerovaly další izotopy plutonia, ale pouze jedním záchytem neutronu uranem 238 zmíněné plutonium 239. Takže proto existovaly pro výrobu bombového plutonia speciální reaktory. U jaderných elektráren jsou palivové soubory v aktivní zóně velmi dlouho. Takže vzniká velký počet různých izotopů plutonia. Tuto směs nelze pro výrobu bomby použít. Ovšem i v případě vyhořelého paliva z jaderných elektráren se separuje plutonium, které je pak připraveno pro přípravu MOX paliva. Separované plutonium, které se nechá uležet, se pak použije pro získávání americia 241.

Odpovědět

proč jen americium?

Pavel K2,2018-12-16 11:25:44

úplně nerozumím, proč je nutné americium separovat - kdyby tam dali komplet vyhořelé palivo jak je, taky by to stovky let topilo, a gama záření musí stínit stejně.

Odpovědět


Re: proč jen americium?

Pavel Hudecek,2018-12-16 11:58:55

VJP je směs všeho možného a tak po pár letech topí míň než čisté Am.

A 60 keV gama je taky celkem pohoda, to se odstíní snadno. VJP samozřejmě obsahuje kdeco. Třeba 137Cs září na 700 keV a jsou tam i horší věci.

Odpovědět


Re: proč jen americium?

Vladimír Wagner,2018-12-16 12:08:42

On už částečně odpověděl Pavel Hudeček. Vyhořelé palivo obsahuje obrovské množství radionuklidů a některé z nich emitují gama i elektrony s daleko vyšší energií. Takže problémy se stíněním gama by byly větší. Zároveň je tam vysoké zastoupení jader, které mají i velmi dlouhé poločasy rozpadu. Takže byste měl spoustu balastu, který by nepřispíval k produkci tepla a musel byste mít pro potřebný výkon daleko větší hmotnost. A nízká hmotnost je pro vesmírné aplikace tím klíčovým parametrem.

Odpovědět


Re: proč jen americium?

Petr Kr,2018-12-19 09:49:42

Vystřelit do kosmu 2 tuny vyhoř. paliva místo 2 kg americia?

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace