Může americium nahradit plutonium v kosmických misích?

O tom, že kosmické mise (satelity, měsíční a marsovská vozítka, sondy letící na hranice Sluneční soustavy a dál) pohání jaderné a radionuklidové zdroje, jsme psali již několikrát. V radinuklidových termogenerátorech (RTG) dodávajících teplo a elektřinu kosmické elektronice se většinou používá plutonium. National Nuclear Laboratory (NNL) Spojeného království v rámci kontraktu s European Space Agency (ESA) nyní zkoumá možnost náhrady za jiný radionuklid - americium 241. Pozadí problému je však složitější - Pu-238 není v současné době dostupné, protože USA jej přestaly produkovat kolem roku 1988 a Rusko jej přestalo prodávat.

NNL v současné době uvažuje o získávání americia 241 ze stárnoucích zásob civilního plutonia. Jedná se o zajímavý problém, protože dosud jsou veškerá zařízení RTG poháněna plutoniem-238, které má vysoký tepelný výkon 560 W/kg a nízké gama záření. ESA se domnívá, že Am-241 je atraktivnější, protože je levnější, i když jeho tepelný výkon je jen čtvrtinový, a to 115 W/kg. 

Americia by bylo potřeba více než plutonia 

RTG s náplní až 33 kg Pu-238 poskytují energii kosmickým zařízením, jako je Cassini, Voyager a Galileo. Tato zařízení by ale k vykonávání stejné práce potřebovala více Am-241, a to přesto, že se v posledních desetiletích efektivita RTG velmi zvýšila. Pro srovnání: vozítko Curiosity, které je mnohem větší než většina satelitů a má nejnovější a nejefektivnější Radionuklidový termogenerátor, potřebuje 4,8 kg Pu-238 při tepelném výkonu 2 kW. Kdyby byl použit RTG na bázi americia, bylo by zapotřebí (15 – 20) kg Am-241. To je pro kosmické mise, kdy se šetří každý gram, problém. Americium-241 je také vysoce radioaktivní, mnohem více než Pu-238. 

Americium v detektorech kouře 

Množství Am-241 potřebného pro kosmické účely by tedy bylo ve srovnání se současnými aplikacemi mnohem větší. Dnes se používá jen v mikrogramových množstvích v detektorech kouře (požárních hlásičích). Detektor obsahuje přibližně 0,3 mikrogramu Am-241. Jeden gram oxidu americia poskytne aktivní materiál pro více než 3 miliony domovních detektorů kouře. Jeho cena je 1 500 dolarů za gram. Poločas rozpadu Am-241 je 432 roků, po 30 letech se asi 5 % Am-241 přemění na neptunium-237. V současné době se ESA zřejmě zajímá jen o několik gramů americia a teprve později bude zkoumat, zda nižší cena americia oproti plutoniu vyrovná problém s vyšší úrovní gama záření. Výhodou je naopak delší poločas rozpadu u Am-241 (poločas rozpadu u Pu-238 je 88 let), což by mohlo nevýhodu s vyšším zářením vyrovnat. 

Plutonium „stárne“ 

Jiným aspektem celé této záležitosti je, že zásoby plutonia stárnou. Civilní plutonium obsahuje 10 až 14 % izotopu Pu-241, jehož poločas rozpadu je 14 let. Přeměnou beta z něj vzniká Am-241. Čím starší je plutonium, tím více obsahuje americia. Americium lze separovat od plutonia chemickým procesem, což však není triviální proces. Mnohem větší význam má to, že skladované plutonium s velkým obsahem Am-241 je příliš radioaktivní a je tedy problém jej využít pro výrobu směsného uran-plutoniového paliva MOX. Výroba by se komplikovala potřebou vyššího stínění proti gama záření. Problém se týká plutonia získaného z použitého paliva energetických jaderných reaktorů - vojenské plutonium obsahuje jen velmi málo Pu-241. 

Výroba směsného paliva MOX 

Například závod na výrobu paliva MOX v Sellafieldu nemůže používat plutonium, které bylo separováno před více než šesti lety, protože potom obsahuje více než 3 % Am-241. Jiné země, které vyrábějí palivo MOX, to řeší jinak: Francouzi odesílají své separované civilní plutonium bezprostředně do závodu Melox, kde se z něho vyrobí čerstvé palivo co nejdříve. Stejný postup používají Japonci. (O jaderném palivu ze směsi oxidů uranu a plutonia jsme psali zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/536-co-je-to-mox.) Angličané stále nevědí, jak naložit s výrobou paliva MOX, takže zásoby civilního plutonia jim neustále rostou. V důsledku toho se část Pu-241 neustále mění na americium a otázka, jak plutonium využít, je stále palčivější.

Co se „starým“ plutoniem? 

Jeden ze způsobů využití spočívá v chemické separaci americia. Jiný způsob předpokládá výstavbu závodu na výrobu paliva MOX, vybaveného stíněním proti vysokému záření gama. Bude nutno nalézt metody zacházení s „horkým“ čerstvým palivem. To se blíží k předpokládané výrobě paliva pro rychlé reaktory PRISM (Power Reactor Inherently Safe Module, nový typ jaderného reaktoru čtvrté generace. Psali jsme o něm zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/468-reaktor-prism), kdy součástí paliva budou veškeré transurany, a budou se spalovat rychlými neutrony. Palivo se bude recyklovat pouhým odstraněním štěpných produktů elektrometalurgickým přepracováním. 

Dosud není jasné, co bude Spojené království se svým „starým“ plutoniem dělat. NNL se zatím připravuje na výrobu malého množství AM-241 pro získávání energie v kosmických zařízeních Evropské kosmické agentury. Tak mnoho zdaru s přidruženou výrobou! 

Zdroj: https://world-nuclear-news.org/Articles/Can-americium-replace-plutonium-in-space-missions