Společným úsilím vědců z Národní jaderné laboratoře NNL (National Nuclear Laboratory) a University v Leicesteru se podařil významný krok k funkčnímu modelu radionuklidového zdroje elektřiny pro vesmírné aplikace.

Dosavadní radionuklidové zdroje jsou založené na plutoniu ²³⁸Pu

V doposud využívaných radionuklidových generátorech se používá izotop plutonia ²³⁸Pu. Využívaly se u sond k Jupiteru a Saturnu, jako byly například Galileo nebo Cassini, i marsovském vozítku Curiosity. Toto plutonium se produkuje ozařováním neptunia ²³⁷Np ve speciálních reaktorech. Izotop neptunia ²³⁷Np je ve velkém množství ve vyhořelém jaderném palivu. Je tam izotopově čistý. Dalšími dlouhodobými izotopy neptunia jsou ²³⁶Np a ²³⁵Np s poločasy rozpadu 150 tisíc let a 396 dní, všechny ostatní izotopy mají poločas rozpadu nejvýše v řádu jednotek dní a rychle se přemění. Izotopy uranu 235 a 236 se však rozpadají samovolným štěpením a rozpadem alfa, které nevedou na neptunium 235 a 236. Po chemické separaci neptunia tak lze získat velké zásoby poměrně velmi izotopicky čistého neptunia 237.

Sonda New Horizons mohla prozkoumat zatím nejvzdálenější podrobně studovaný objekt ve Sluneční soustavě Ultima Thule pouze díky využití radionuklidových zdrojů elektřiny (zdroj NASA).

K ozařování neptunia ²³⁷Np a produkci plutonia ²³⁸Pu se využívaly reaktory s vysokým tokem neutronů vybudované pro výrobu zbraňového plutonia. Ty byly v osmdesátých a devadesátých letech všechny uzavřeny. Od té doby se zásoby plutonia ²³⁸Pu dramaticky zmenšily. V posledních letech se sice NASA snaží o obnovu výroby s využitím výzkumných reaktorů. Zde se však dá vyprodukovat jen velmi malé nedostačující množství. Podrobně je problematika s nedostatkem plutonia 238 popsána zde a zde. O cestě za jadernými zdroji pak podrobněji zde.

Radionuklidové zdroje využívající americium ²⁴¹Am

To je důvod, proč se evropská vesmírná agentura ESA rozhodla pro možnost využití americia ²⁴¹Am. To lze získat z vyhořelého jaderného paliva. Pokud z něj separujeme plutonium a necháme ho delší dobu „uležet“, hromadí se v něm čisté americium ²⁴¹Am. Jediné plutonium ²⁴¹Pu se totiž přeměňuje přeměnou beta na americium. Všechny ostatní izotopy plutonia se přeměňují jinými typy rozpadu a nemohou vést k produkci americia. Chemicky pak lze vydělit čisté americium ²⁴¹Am. Takto separované zásoby starého plutonia jsou ve velkém množství v britském přepracovacím závodu Sellafield. To byl i důvod, proč vývoj evropského radionuklidového zdroje probíhá ve Velké Británii. Oba izotopy mají své výhody a nevýhody. Hlavní výhodou plutonia ²³⁸Pu je, že poločas rozpadu je sice dostatečně dlouhý pro většinu plánovaných misí, ovšem je zhruba pětkrát kratší než americia ²⁴¹Am. Pro stejnou aktivitu a tedy i tepelný výkon stačí pětkrát menší množství radionuklidu. Další výhodou je, že plutonium ²³⁸Pu nemá téměř žádnou aktivitu gama a nemusí se řešit problém se stíněním záření gama. Hlavní výhodou americia ²⁴¹Am je pak jednodušší získání z vyhořelého jaderného paliva bez nutnosti ozařování ve speciálním reaktoru. Podrobnější rozbor vlastností obou radionuklidů a jejich srovnání je zde.

Způsob produkce americia 241Am z vyhořelého jaderného paliva.

Dosažené úspěchy a první testovací prototypy

V laboratořích NNL se podařilo vyřešit chemickou separaci americia ze starého plutonia a vyrobení tablet, které se hodí pro využití v radionuklidovém zdroji. Připravují se tři typy zdrojů. Malý tepelný zdroj o výkonu 3 Wt, malý termoelektrický zdroj s výkonem 5 – 20 We a nakonec větší elektrický generátor využívající Stirlingův motor s výkonem 100 We. V současné době se testuje prototyp termoelektrického generátoru s výkonem 10 W, který dokáže rozsvítit žárovku. Omezení je zatím dáno hlavně množstvím vyprodukovaného americia a také nutnosti dokončit vývoj a přípravu jednotlivých komponent.

Splnění dalšího postupového cíle ukazuje, že je vše na dobré cestě, aby už brzy měla Evropa potřebné jaderné zdroje pro své vesmírné výboje. Je to velmi důležité pro návrat na Měsíc, kdy je třeba zajistit teplo a elektřinu i během čtrnáctidenní měsíční noci, pro intenzivnější aktivity na Marsu a hlavně pro studium vnějších částí Sluneční soustavy. Pro zájemce je starší podrobnější článek o jaderných zdrojích pro vesmír zde.

Video: Populární přednáška prezentovaná na hvězdárně v Brně

Psáno pro servery Osel, oenergetice a kosmonautix.