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).

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).

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).

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.