High Flux Isotope Reactor в Национальной лаборатории Ок-Ридж производит для НАСА малое количество плутония-238, обогащая нептуний-237
Вялое производство ядерного топлива ставит под угрозу планы НАСА по запуску космических аппаратов на термоэлектрических генераторах. Если проблему не решат, то придётся ограничиться солнечной энергией.
Идеальным топливом является плутоний-238 (Pu-238). Четырёх килограммов топлива достаточно, чтобы обеспечивать корабль энергией в течение десятилетий. НАСА за свою историю потратило 140 кг плутония, в том числе на эксперименты в рамках программы «Аполло», на миссию «Галилео» к Юпитеру, на отправку аппаратов серий «Пионер» и «Вояджер». Прямо сейчас плутоний даёт тепло и электричество марсоходу Curiosity, орбитальной станции «Кассини» у Сатурна, космическому аппарату «Новые Горизонты», улетевшего к поясу Койпера.
Плутоний был бы весьма кстати для роботизированных зондов, которые могут погрузиться в глубины льдов спутников в Солнечной системе, где есть подземные океаны воды. Для летательных аппаратов, которые будут летать в атмосферах других планет и исследовать новые территории. Для судов, чтобы путешествовать по озёрам и рекам жидкого метана и этана на поверхности Титана. Для множества других миссий. Но плутоний заканчивается, и есть подозрение, что от ядерного топлива придётся отказаться, если не примут волевое политическое решение.
В США производство изотопа плутония-238 остановили в 1988 году. Министерство энергетики США подписало в 1992 году пятилетний договор о покупке изотопа у России в объеме 10 кг и возможностью увеличения поставок не более чем до 40 кг. В рамках договора заключалось несколько контрактов, соглашение продлевалось. В 2009 году поставки были прерваны из-за реструктуризации российской ядерной промышленности, и сейчас НАСА оказалось в затруднительном положении, пишет журнал Scientific American.
Попытки министерства энергетики наладить обогащение Pu-238 в Национальной лаборатории Ок-Ридж не дают приемлемого результата: выработка изотопа из нептуния-237 слишком мала.
Сейчас в запасах НАСА осталось всего 35 килограммов Pu-238, а радиоактивный распад в 18 из 35 кг слишком слаб, чтобы использовать в существующих термоэлектрических генераторах НАСА. По оценке специалистов, 17 кг топлива хватит всего на четыре генератора, один из которых уже зарезервирован для марсохода в рамках миссии «Марс-2020».
В 2013 году после двадцатипятилетнего перерыва министерство энергетики США возобновило выработку плутония-238 в Национальной лаборатории Ок-Ридж, но проект столкнулся с техническими сложностями и уже отстаёт от графика, так что вряд ли сможет выйти на запланированную мощность 1,5 кг плутония в год к 2021 году. Вместо этого, инженеры говорят о производстве 0,5 кг в год к 2019 году.
Проблему неоднократно поднимали в Конгрессе, пытаясь выудить у НАСА информацию о текущем положении дел, о количестве необходимого плутония и возможных способах его раздобыть, но Национальное космическое агентство хранит молчание. Была ещё попытка принять закон Efficient Space Exploration Act для планирования материального обеспечения НАСА, но он тоже застрял в комитетах парламента.
Другими словами, сейчас у НАСА нет плана и чёткого понимания, что делать дальше, пишет Scientific American. Независимые эксперты критикуют позицию НАСА, которое заявляет об отсутствии необходимости в дополнительных запасах плутония. Мол, и текущего запаса хватает для запланированных миссий. Но это классический пример замкнутого круга. Текущего запаса хватает, потому что запланировано мало миссий. Мало миссий запланировано, потому что не хватает плутония. Если бы топлива было больше, то его наверняка нашлось бы куда использовать.
Например, уже несколько десятилетий учёные мечтают отправить зонд к Европе, спутнику Юпитера, где подо льдом теоретически может существовать жизнь. Но эти планы постоянно откладывают из-за слишком большого количества необходимого плутония. Так, последний проект Jupiter Europa Orbiter требовал 17,6 кг Pu-238, то есть больше, чем имеется в запасах НАСА.
Проблема усугубляется ещё и тем, что в 2013 году Конгресс и Белый дом переложили на НАСА расходы на перезапуск производственной линии для плутония и работу научно-исследовательских лабораторий. Сейчас эти расходы составляют $50 млн в год. Поскольку расходы легли на плечи НАСА, то пришлось сократить финансирование некоторых научно-технических программ, в том числе и программ по созданию новых типов генераторов, способных сократить расход плутония. Опять получается замкнутый круг.
Инженеры пробуют решить проблему иначе. Например, есть идея запустить к Европе не зонд на плутонии, а орбитальный аппарат на солнечной энергии, который будет совершать ряд хитроумных маневров, приближаясь к поверхности на близкое расстояние.
В некоторых отношениях солнечные панели даже выигрывают у термоэлектрических генераторов: они меньше весят, разворачиваются на нужную мощность, в зависимости от потребностей аппарата. Так, для миссии к Европе понадобятся солнечные батареи площадью 50 м2. Батареи такого типа будут протестированы на аппарате Juno, который прибудет к Юпитеру в июле 2016 года.
Столкнувшись с дефицитом плутония, инженеры вынуждены полагаться на солнечную энергию и совершенствовать технологии: повышать эффективность фотоэлементов с помощью концентраторов и зеркал, панелей новой конструкции.
Но как бы ни старались инженеры, существуют такие миссии, которые принципиально невозможно обеспечить солнечной энергией. Да и вообще, если подумать, тот же спускаемый аппарат «Филы» сейчас продолжал бы работать на комете 67P/Чурюмова-Герасименко, если бы на нём стоял термоэлектрический генератор, а не солнечные батареи. В общем, придётся или договаривать с Россией, или принимать политическое решение о возобновлении ядерной программы, которую остановили с окончанием Холодной войны.
Комментарии (19)
ndlspark
16.09.2015 07:29+11Я ещё понимаю, когда ошибочно связку ядерного реактора и электроракетных двигателей называют ядерным двигателем, но называть радиоизотопные генераторы двигателем — это уже перебор.
aronsky
16.09.2015 10:40Я поперхнулся, когда прочитал — неужели, думаю, возобновили разработки ЯРД — даже обрадовался. Но нет. Жаль :(
Rumlin
16.09.2015 09:17Пока НАСА планирует только одну миссию с использованием плутония — Марс 2020, проект идентичный марсоходу «Curiosity»
geektimes.ru/post/247214
gonzzza
16.09.2015 12:43+4Странная статья. Сами NASA утверждают, что им хватает плутония, но кто-то всеравно поднимает панику.
toxicdream
17.09.2015 15:28Наверно, они не хотят признаваться, что все плохо.
Другими словами, сейчас у НАСА нет плана и чёткого понимания, что делать дальше, пишет Scientific American. Независимые эксперты критикуют позицию НАСА, которое заявляет об отсутствии необходимости в дополнительных запасах плутония. Мол, и текущего запаса хватает для запланированных миссий. Но это классический пример замкнутого круга. Текущего запаса хватает, потому что запланировано мало миссий. Мало миссий запланировано, потому что не хватает плутония. Если бы топлива было больше, то его наверняка нашлось бы куда использовать.
Например, уже несколько десятилетий учёные мечтают отправить зонд к Европе, спутнику Юпитера, где подо льдом теоретически может существовать жизнь. Но эти планы постоянно откладывают из-за слишком большого количества необходимого плутония. Так, последний проект Jupiter Europa Orbiter требовал 17,6 кг Pu-238, то есть больше, чем имеется в запасах НАСА.
Novitsky
18.09.2015 04:42В общем, придётся или договариваться с Россией...
А у России то его сколько? И продолжается ли производство? И не нужен ли он нам самим?
А то уже несколько статей о том, что у США заканчивается, а про то, как обстоят дела в России, нет.Rumlin
18.09.2015 12:38+1Из предыдущей статьи
Договор несколько раз продлевался, пока в середине декабря 2009 года Россия не уведомила США, что не сможет поставлять в ближайшие два года 10 кг плутония-238 для источников питания космических аппаратов. Россия настаивала перезаключить договор о покупке на новых условиях.
Т.е. либо нет, либо по новой цене.Novitsky
18.09.2015 15:02Из этой цитаты следует только то, что Россия не захотела поставлять США по старой цене 10 кг плутония в течение последующих двух лет. Но это совсем не значит, что у России осталось всего 10 кг, просто решили цену повысить. Вряд ли мы бы отдали последнее, даже по более высокой цене.
Я же спрашивал, сколько у России всего осталось плутония? Про США конкретно написано — 35 кг из них 17 кг можно использовать. Про Россию я не видел подобных расчетов с конкретными цифрами.Rumlin
18.09.2015 20:08Скорее всего это у НАСА 35 из которых 17 применимы. А что у «других» в США вопрос. Вполне может использоваться в каких-то устройствах и на этой планете.
Novitsky
18.09.2015 21:25Пусть будет у НАСА. Но меня больше Россия интересует. )
В интернете порылся, но внятной информации не нашел:
К 1988 году, когда железный занавес засиял дырами, США и Советский Союз начали демонтаж военных ядерных объектов. Хэнфорд и Саванна Ривер перестали производить плутоний-238. Но Россия продолжала добывать материал путем обработки ядерного топлива на ядерном промышленном комплексе «Маяк». Россия продала первый пакет плутония, весом в 18 килограмм, Штатам в 1993 году по цене более 1 500 000 долларов за килограмм. Россия стала единственным поставщиком планеты, но вскоре перестала принимать заказы. В 2009 году она отказалась продавать 11 килограмм США.
Осталось ли у России что-нибудь и может ли она сделать еще — неизвестно.
Hi-News.ruRumlin
18.09.2015 22:39Наблюдается исчезновение какой-либо информации с ~2008 года. Причем мне говорили лет 5 назад, что пенсионерам ракетной промышленности рекомендовали не общаться с иностранцами на тему воспоминаний о истории ракетной промышленности. Может это все следы определенных мероприятий по наведению порядка с информацией.
2004 год
Производство оружейного плутония в нашей стране продолжается, действуют три промышленных реактора. Эти реакторы пущены более 30 лет назад, но «заглушить» их пока нельзя, поскольку они двухцелевые и снабжают города, в которых расположены, электроэнергией.
2007 год
Химкомбинат «Маяк».
Что ж это за химкомбинат такой, и чем там люди занимаются. Ну, начнем с того, что там за всё время существования в эксплуатации было шесть реакторов. Которые во времена СССР использовались для получения орудийного плутония, сейчас ситуация получше, все реакторы для производства плутония остановлены, построен реактор для производства гражданских изотопов, реактор на тяжелой воде реконструирован под «гражданские» цели. Сии радиоактивные девайсы производят кроме трития (вспоминаем, что такое водородная бомба) ещё и плутоний-238, который используется в «Ядерных батареях», которые широко используются в освоении космоса, отсюда и их «Гражданские» названия «Руслан» и «Людмила».
2008 год
На сегодняшний день завод РТ-1 является многофункциональным самостоятельным производством, на котором осуществляется переработка большой номенклатуры ОЯТ с высокими технико-экономическими показателями.
Выводимыми из технологического процесса завода РТ-1 продуктами являются:
– диоксид энергетического плутония с содержанием плутония-239 от 65 до 70 % масс. поступает на временное хранение на склад;
– плав гексагидрата нитрата уранила с содержанием урана-235 от 2,4 до 2,6 % масс. направляется на изготовление топлива для реакторов РБМК;
– закись-окись урана среднего и высокого обогащения по урану-235 поступает на склад и частично используется для изготовления топлива для реакторов БН-600 и БН-350;
– диоксид нептуния-237 используется для реакторного получения плутония-238;
– концентраты стронция, цезия, технеция, палладия и др. (периодическая наработка для технического использования и исследовательских целей);
Переработка ОЯТ на заводе РТ-1
Сборки (ТВЭЛы) вместе с оболочкой разрезаются на части в 30 мм, операция грязная и опасная, поэтому поддерживается определенная температура (около 50 градусов), производится охлаждение потоком воздуха. Образующиеся куски ссылаются в аппарат-растворитель периодического действия. Далее всё растворяется в азотной кислоте с концентрацией от 8 до 10 моль/л. Продолжительность растворения составляет приблизительно 2 часа. Существуют компоненты, нерастворимые в азотной кислоте: графит, кремниевая кислота, некоторые продукты коррозии, поэтому содержание взвесей достигает 1 г/л (раствор становится мутным). Твёрдые частицы отделяются различными способами (осаждение во времени; фильтрация).
Следующая стадия – экстракционная. Уран и плутоний извлекаются на первой стадии, разделение и очистка. Экстрагентом является 30% раствор трибутилфосфата (100% — очень густое и вязкое). Экстракцию проводят в два цикла, три подэтапа – сама экстракция, промывка и реэкстракция.
Реэкстракцию урана проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 0,03 на литр. Реэкстракт плутония 6-8 г на литр плутония и реэкстракт урана 90 г/л поступает на аффинажный цикл (цикл доочистки).
Остатки (продукты деления) отправляются на переработку.
Судя по всему плутоний продолжают получать — это часть техпроцесса. Разделяют ли по прежнему изотопы — скорее всего да. Оборудование уже работает.
В новостях есть, что в США с 2013 производят 1-2 кг в год, но может оно не достается НАСА.Novitsky
18.09.2015 23:491–2 кг в год, это мало. Даже для НАСА.
И потом, непонятно, где еще на Земле его могут использовать? Википедия говорит, что раньше использовали еще и в кардиостимуляторах, но с появлением литиевых батарей перестали. Про другие способы применения, кроме как в РИТЭГах, ничего не сказано.
Не понятно еще и то, что, если Россия все таки продолжает производить, то почему не продает американцам? Неужели мы слишком баснословную сумму запросили? В 2009 году, понятно, что США выпендрились, мол не хотите по старой цене, тогда обойдемся без вас. Но сейчас, если они видят, что у них реальные проблемы с нехваткой плутония-238, то уж могли бы и купить.Rumlin
19.09.2015 00:26Конгресс не даст. Какой у них вой по поводу покупки в РФ ракетных двигателей. А с плутонием ситуация хуже т.к. аргументировать политикам, что обойтись нельзя, сложно — производство как бы есть. Необходимость неострая — можно дороже запустить аппарат с массивными солнечными батареями или отказаться в пользу другой миссии.
На Земле применения для Pu-238 не светит, другой вопрос — могут использовать на военных объектах, спутниках, потому узнать сколько плутония и куда применяется невозможно:
Однако использование в ритэгах источников тепла на основе плутония-238 наряду с некоторыми техническими преимуществами требует значительных финансовых затрат, поэтому в последние 10 — 15 лет ВНИИТФА не осуществлял поставку таких ритэгов отечественным потребителям для наземных целей.
EndUser
Ну, могут у Северной Кореи прикупить.
pehat
Они еще и экспресс-доставку сделают на баллистической ракете.
veam
Оружейный плутоний — 239, его навалом в штатах.
Нужен именно редкий 238 изотоп с периодом полураспада в 87.7 лет.