Znovuzrození jaderného paliva pro vesmírné sondy

Jestli se kosmické aparáty bez něčeho neobejdou, pak je to zdroj elektrické energie. Ano, okolo Země je to snadné – na družici se připojí solární panely a nemusíme nic řešit. I u Marsu je můžeme použít, ale jelikož jsme dál od Slunce, bude jejich účinnost nižší než na naší planetě. Pokud bychom šli do větších hlubin Sluneční soustavy, už nám Slunce nebude stačit. Na druhou stranu čest výjimkám – třeba americká sonda JUNO letí k Jupiteru jen se solárními panely. Pokud chceme zásobovat sondy energií, musíme vsadit na jaderné palivo.

Není to tak, že by do vesmíru startovaly klasické jaderné reaktory, jaké známe z jaderných elektráren. V přístrojích, které létají do kosmu nenajdeme žádné uranové palivo, ani regulační tyče. Kosmické sondy využívají takzvaného radioizotopového termoelektrického generátoru (RTG). Za tajemně znějícím názvem si můžeme představit poměrně jednoduchý systém, který využívá radioaktivního rozpadu a přímo jej převádí na elektřinu. O samotnou přeměnu se starají termoelektrické články, které využívají termoelektrického efektu (Seebeckův jev). Výhodou takového systému je snadná a hlavně bezpečná obsluha. U RTG nemůže nikdy dojít k jadernému výbuchu. Pozitivní je i to, že celý generátor váží jen několik desítek kilogramů. Potěšující je i trvanlivost takového zdroje – s dodávkami stejnosměrného proudu můžeme počítat po dobu mnohem let.

Plutonium 238 jako energetický zdroj používá i sonda New Horizons (zde vyfocená ještě během přípravy). MMRTG je vidět na levé straně. Je to ten černý válec.

Plutonium 238 jako energetický zdroj používá i sonda New Horizons (zde vyfocená ještě během přípravy). MMRTG je vidět na levé straně. Je to ten černý válec.
Zdroj: http://upload.wikimedia.org/

Pro potřeby RTG nejlépe vyhovuje plutonium ve formě oxidu plutoničitého (PuO2). Konkrétně jeho izotop plutonium 238. Poločas jeho rozpadu je 87,7 roku a typické je pro něj vyzařování alfa částic (jádra hélia), čímž se rozpadá na uran 234. Alfa částice bez problémů zastaví jakýkoliv tenký plech a jejich kinetická energie přemění na teplo. To se dá využít pro ohřívání vědeckých přístrojů sondy, která by jinak trpěla vesmírným chladem. Alfa částice navíc díky jednoduchému stínění nemůže poškodit palubní elektroniku. Problém ale je, že Spojené státy ukončily výrobu plutonia 238 ještě v minulém století. A zásoby se začaly tenčit. Vždyť jen pro MMRTG na vozítku Curiosity padlo 4,8 kilogramu oxidu plutoničitého. Jen tak pro zajímavost – podle výpočtů vygeneruje plutoniový zdroj vozítka každou sekundu 2,7 x 1015 alfa částic!

Kromě již míněného roveru bychom RTG našli třeba na některých vědeckých přístrojích, které na Měsíci zanechali astronauti v rámci projektu Apollo. Plutonium zásobuje energií i sondy Cassini (u Saturnu), Voyager 1 i 2, Pioneer 10 i 11, (všechny čtyři sondy na únikové dráze ze Sluneční soustavy), Galileo (Jupiter), Ulysses (Slunce) či New Horizons (na cestě k Plutu, pak opustí Sluneční soustavu).

NASA proto velmi usilovala o to, aby se znovu nastartovala výroba plutonia 238. Ve spolupráci s americkým ministerstvem energetiky se to nakonec podařilo. Ve státě Tennessee se po čtvrt století rozběhl zkušební provoz na výrobu tohoto izotopu. Závod Oak Ridge počítá s tím, že by od poloviny letošního roku rozjel výrobu naplno. Podle odhadů by měla roční produkce kolísat mezi 1,5 a 2 kilogramy plutonia 238. Díky tomu by v roce 2016 mělo být dostatek paliva pro konstrukci dvou generátorů nové generace. Ty se označují zkratkou ASRG – Advanced Stirling Radioisotope Generator – přeloženo do češtiny pokročilý Stirlingův radioizotopový generátor. Název přitom odkazuje na tzv. Stirlingův motor, který ke svému pohybu využívá rozdílů teplot ve dvou pístech a je mu jedno, z jakého zdroje to teplo je. Nabízí se proto jeho využití u plutoniových generátorů.

Díky tomu, že bude mít NASA k dispozici dostatek plutonia, bude s ním muset šetřit mnohem méně než dnes, kdy metaforicky řečeno zvažuje použití každého gramu. Až doposud se plutoniové zdroje používaly jen pro skutečně velké projekty, ale v dalších letech by se mohly dočkat nasazení i na některých menších sondách – třeba z programu Discovery, který cílí na nízkorozpočtové vysoce vědecky zaměřené kosmické mise. Z těch nejznámějších sond, které byly v programu Discovery realizovány můžeme jmenovat třeba projekty Stardust, Kepler, GRAIL, nebo MESSENGER.

A jak vlastně výroba plutonia 238 probíhá? Jako cíl použijeme uran 238 a bombardujeme jej jádry deuteria (těžký vodík, který má v jádře jeden neutron navíc). Dočasným výsledkem reakce je neptunium 238 a dva neutrony. Neptunium 238 má poločas rozpadu pouhé dva dny a vyzářením částice beta (tedy pozitronu) se rozpadá na požadované plutonium 238. Celou reakci ukazují přehledně tyto rovnice.

23892U + 21D → 23893Np + 2 10n

23893Np → 23894Pu + 0-1e

Rozpálená peletka plutonia 238 - pro lidské zdraví nepředstavuje žádnou velkou hrozbu.

Rozpálená peletka plutonia 238 – pro lidské zdraví nepředstavuje žádnou velkou hrozbu.
Zdroj: http://atominfo.cz/

Na závěr článku ještě jedno uklidnění – to, že do kosmu startují rakety, které mají na palubách sondy s několika kg plutonia není nebezpečné. I kdyby naneštěstí došlo k výbuchu při startu, nedošlo by k obecnému ohrožení ani by se nad kosmodromem neudělal atomový hřib. Do kosmu už startovalo celkem 25 sond s radioizotopovým zdrojem. Pouze ve třech případech došlo k havárii rakety. Pouze v jediném případě došlo k uvolnění radioaktivity do okolí. Ale tohle množství bylo prakticky zanedbatelné. Plutonium v generátoru má z bezpečnostních důvodů podobu keramických ohnivzdorných peletek. Ty se nerozpouští ve vodě a reagují pouze se silnými kyselinami. Po nárazu se z nich neuvolňuje žádný oblak jemného prachu – peletka pouze praskne a rozlomí se na poměrně velké objekty.

Na úplný závěr tu mám uklidnění pro odpůrce válek. Není jediný důvod se domnívat, že by vyrobené plutonium 238 mohlo skončit v jaderných bombách. Pro jejich výrobu se hodí plutonium 239. Nastartování výroby proto bude opravdu sloužit jen pro vědecké mise.

Zdroje informací:
http://www.kosmonaut.cz/
http://vtm.e15.cz/
http://www.chemicool.com/
http://spaceprobes.kosmo.cz/
http://mve.energetika.cz/
http://en.wikipedia.org/
http://cs.wikipedia.org/
http://cs.wikipedia.org/
http://cs.wikipedia.org/

Zdroje obrázků:
http://www.aviationweek.com/media/images/fullsize/Space/Miscellaneous/Pu-238-USEnergyDepartment.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/46/New_Horizons_1.jpg/1013px-New_Horizons_1.jpg
http://atominfo.cz/wp-content/uploads/2012/08/plutonium_peletka.jpg

Znovuzrození jaderného paliva pro vesmírné sondy, 2.5 out of 5 based on 16 ratings
Pin It
(Visited 996 times, 1 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (16 votes cast)
(Visited 996 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


3 komentáře ke článku “Znovuzrození jaderného paliva pro vesmírné sondy”

  1. Benny napsal:

    Hele, Dušane, mohl bys, prosím, opravit v té rovnici D na H? Jinak zajímavý článek.

    • Dušan Majer napsal:

      Jelikož se jedná o deuterium a ne klasický vodík, tak si myslím, že to D je tam správně. 😉

      Respektive – úplně nejsprávněji by samozřejmě bylo H jako vodík, ale u D je jasnější, že se jedná o deuterium.

  2. indian22 napsal:

    Formálně je to úplně jedno takže to tak může zůstat.
    http://cs.wikipedia.org/wiki/Deuterium

    Ačkoli, kdyby se mě někdo ptal na můj soukromý názor, tak upřednostňuji označení s horním indexem u H, ale to je můj osobní problém.

Zanechte komentář