Europa rozwija łańcuch dostaw plutonu na potrzeby eksploracji przestrzeni kosmicznej
Badanie przeprowadzone przy wsparciu ESA potwierdziło, że niezależne europejskie zaopatrzenie w pluton-238 (Pu-238) – paliwo uznawane za złoty standard w misjach w przestrzeni kosmicznej – można zapewnić przy użyciu zasobów dostępnych już dzisiaj.
W badaniu tym nakreślono, w jaki sposób przejście od koncepcji do działania mogłoby przekształcić istniejącą w Europie wiedzę specjalistyczną w dziedzinie energetyki jądrowej w strategiczny potencjał kosmiczny.
W ramach projektu Endure, znanego pod nazwą Optimum Pro, realizowanego przez firmę Tractebel Engie przy wsparciu SCK CEN, zbadano naukowe, techniczne, regulacyjne, bezpieczeństwa, ekonomiczne i infrastrukturalne potrzeby związane z utworzeniem europejskiego łańcucha dostaw Pu-238. W raporcie końcowym potwierdzono, że produkcja przez państwa członkowskie ESA jest w większości technicznie i ekonomicznie wykonalna przy wykorzystaniu kluczowej istniejącej infrastruktury, oraz przedstawiono plan działania na okres do 2039 r. mający na celu zwiększenie produkcji.
– Wytwarzanie Pu-238 jest wykonalne, a niezbędne zasoby już istnieją w Europie. Nie jest to kwestia możliwości – dysponujemy surowcem i reaktorami do jego napromieniowania, a także know-how i systemami niezbędnymi do realizacji tego zadania – powiedział Brieuc Spindler, główny inżynier w firmie Tractebel Engie.
Dodał, że badania pozwoliły przekształcić wstępny pomysł w solidny, oszacowany plan działania poparty dowodami naukowymi i ekonomicznymi.
Plan działania pokazuje przekonującą koncepcję, zgodnie z którą Europa dysponuje już wszystkimi elementami niezbędnymi do zbudowania suwerennego potencjału jądrowego w przestrzeni kosmicznej. Od neptunu-237 odzyskiwanego w istniejących cyklach paliwowych, po światowej klasy reaktory badawcze, takie jak belgijski BR2 i planowany francuski reaktor Jules Horowitz, kontynent posiada gotowy ekosystem zdolny do wspierania produkcji Pu-238 od początku do końca.
Jak wytwarza się paliwo do rakiet jądrowych
Produkcja Pu-238 rozpoczyna się od neptunu-237, substancji uzyskiwanej już w procesie ponownego przetwarzania paliwa jądrowego, ale obecnie kierowanej do strumienia odpadów. Substancja ta jest formowana w pastylki tlenku i przygotowywana do napromieniowania. Pastylki te umieszcza się w reaktorze o wysokim strumieniu neutronów, gdzie pochłaniają one neutrony i stopniowo przekształcają się w Pu-238 w wyniku rozpadu promieniotwórczego. Po napromieniowaniu materiał musi schładzać się przez okres do dwóch lat, zanim w wyniku separacji chemicznej powstanie oczyszczony produkt nadający się do wykorzystania w kosmicznych systemach zasilania.
W odróżnieniu od generatorów energii jądrowej są to reaktory badawcze, częściej wykorzystywane do wytwarzania izotopów na potrzeby badań medycznych i terapii.
W badaniu nie zidentyfikowano żadnych poważnych barier technicznych ani związanych z bezpieczeństwem, a nawet złożone etapy, takie jak produkcja tarcz i separacja izotopów, zostały z powodzeniem zademonstrowane w skali laboratoryjnej. Główne wyzwania zidentyfikowane w badaniu miały charakter organizacyjny: koordynacja działań zainteresowanych stron, zabezpieczenie łańcuchów dostaw oraz ujednolicenie procesów regulacyjnych.
W miarę jak ESA realizuje plany eksploracji środowisk o słabym nasłonecznieniu oraz budowania długoterminowej obecności na Księżycu i Marsie, rośnie zapotrzebowanie na systemy zasilania, które nie opierają się wyłącznie na energii słonecznej. Systemy zasilania radioizotopowego są powszechnie uznawane za kluczowe dla powodzenia misji. Każda misja Apollo, każdy łazik marsjański oraz większość misji w przestrzeni kosmicznej opierała się na baterii atomowej zasilanej Pu-238, radioizotopie produkowanym w ograniczonych ilościach w Stanach Zjednoczonych i Rosji.
Dwie strony ENDURE
Program ENDURE agencji ESA powstał właśnie w tym celu. Program „EuropeaN Devices Using Radioisotope Energy” (Europejskie urządzenia wykorzystujące energię radioizotopową) to inicjatywa ESA mająca na celu stworzenie własnego europejskiego potencjału w zakresie zasilania izotopami promieniotwórczymi. Początkowo skupiał się on wyłącznie na opracowywaniu systemów wykorzystujących ameryk 241, uważanego wówczas za jedyną realną opcję ze względu na geopolityczne ograniczenia w dostawach Pu-238.
Pomimo ostatnich przełomów, Pu-238 nadal jest powszechnie uważany za bardziej efektywny izotop w radioizotopowych systemach grzewczych i energetycznych.
– Teoretycznie pluton ma lepszy stosunek mocy do masy w porównaniu z amerykiem, co oznacza, że systemy zasilające mogą być lżejsze i mniej nieporęczne. Ponadto emituje on wyłącznie promieniowanie alfa. Można je zatrzymać kartką papieru, podczas gdy ameryk musi być zamknięty w ołowiu – powiedział Brieuc Spindler, wyjaśniając, dlaczego pluton nadal jest izotopem wzorcowym pod względem wydajności misji.
Jednym z przewidywanych problemów związanych z produkcją plutonu-238 jest to, że osiąga on niezwykle wysokie temperatury, co stwarza wyzwania związane z obsługą.
Aby zaspokoić potrzeby związane z programem misji ESA w przestrzeni kosmicznej, potrzeba co najmniej 300 gramów Pu-238 rocznie. Chociaż są to znaczne koszty, powinny one stanowić jedynie niewielki procent rocznego budżetu ESA – jest to wprawdzie spory wydatek, ale możliwy do pokrycia dzięki strategicznemu, długoterminowemu planowaniu budżetowemu.
Projekt ENDURE był wcześniej finansowany w ramach programu General Support Technology Programme agencji ESA, gdzie właśnie rozpoczęły się te działania. Obecnie projekt ten jest realizowany w ramach programu HRE.
Źródło: ESA
Czytaj też: Łazik ExoMars będzie badał złoża gliny w poszukiwaniu śladów życia
Grafika tytułowa stworzona z wykorzystaniem AI
