Правительство США заявляет, что новый робот готов помочь ему создать надежную и долговременную цепочку поставок плутония-238 (Pu-238): радиоактивного материала, необходимого NASA для исследования дальнего космоса.
NASA использует Pu-238 для питания своих самых эпических космических миссий — среди них «Новые горизонты» (теперь за Плутоном ), «Вояджеры» (теперь в межзвездном пространстве ) и «Кассини» (теперь часть «Сатурна» ).
Поскольку Pu-238 радиоактивно распадается и генерирует тепло, устройства, называемые радиоизотопными источниками энергии, преобразуют часть этой энергии в электричество. Поскольку Pu-238 требуются века, чтобы остыть, хитроумные разработки могут держать робота на протяжении десятилетий.
Но Pu-238 создан человеком и является одним из самых редких и ценных материалов на Земле. Фактически, последний раз, когда кто-либо производил его всерьез, во время производства ядерного оружия времен холодной войны. Сегодня у НАСА, возможно, осталось всего три задания до того, как закончится запас .
НАСА пыталось решить проблему сокращения поставок в 1990-х годах, но агентство и его партнеры не обеспечили финансирование для создания нового трубопровода для Pu-238 до 2012 года.
Эта работа, которая получает около 20 миллионов долларов в год, наконец, начинает переходить от этапа исследований к полномасштабному производству. К 2025 году Министерство энергетики надеется удовлетворить потребность НАСА в 3,3 фунта (1500 граммов) в год.
Национальная лаборатория Ок-Риджа, которая находится в штате Теннесси и возглавляет эту работу, говорит, что недавно она доказала, что благодаря новому автоматизированному роботу появился способ производства Pu-238 в восемь раз больше, чем всего пару лет назад.
«Вы не можете пойти в Wal-Mart и купить что-то, что будет делать это», — сказал Business Insider Боб Уэм, менеджер программы поставок Pu-238 в Ок-Ридж.
Ок-Ридж сделал первый плутоний для NASA за десятилетия в декабре 2015 года. Это было небольшое количество — всего 1,8 унции (50 граммов) — но это было реальным доказательством того, что лаборатория создала рецепт и инструменты для выполнения работы.
«Это было огромное достижение, но это только первый большой шаг», — заявил Джейсон Эллис, представитель Oak Ridge.
На этой неделе лаборатория заявила в пресс-релизе, что готова довести годовой объем производства до более чем 14 унций (400 грамм) в год, что в 8 раз больше.
«Это еще одно большое достижение и огромный шаг, потому что мы идем в производство», — сказал Эллис. «Это более эффективный процесс».
Старый рецепт для плутония-238 больше не работает, говорит Ухам, потому что «никто не имеет огромных производственных реакторов, которые использовались во время холодной войны». Поэтому ему и его коллегам пришлось придумать более современный и безопасный рецепт.
Он сказал, что для изготовления партии плутония-238 требуется от 28 до 36 месяцев, и для этого процесса требуется исходный материал, называемый нептуний-237.
Нептуний-237 спрессовывается в маленькие шарики, помещается внутрь алюминиевого рукава и помещается в специальный ядерный реактор в Оук-Ридже, называемый изотопным реактором с высоким потоком. После нескольких месяцев купания в потоке нейтронов из активной зоны реактора часть нептуния-237 превращается в плутоний-238. (Плутоний-238 не используется в ядрах ядерного оружия , хотя его родственный радиоизотоп плутоний-239 используется.)
После того, как мишени охладятся в луже воды в течение многих месяцев, рабочие растворяют их в кислоте, химически разделяют плутоний и нептуний и очищают оба материала. Очищенный плутоний откладывается для NASA, а очищенный нептуний возвращается к большему количеству мишеней.
Однако нептуний представляет опасность для людей: небольшая фракция распадается на очень радиоактивное вещество, называемое протактиний-233. Половина этого радиоизотопа распадается каждые 27 дней, выделяя при этом мощные гамма-лучи.
«Небольшое количество этого протактиния может иметь большое значение для доставки большого количества дозы для работников», — сказал Уэм.
Это радиоактивное облучение ограничивает время, в течение которого обученный работник может сделать мишени для нептуния-237 для реакторов, а у Уэма есть только несколько рабочих.
Более того, для полномасштабного производства плутония-238 для НАСА потребуется около 20–25 000 пеллет в год. Wham также сказал, что утомительный и повторяющийся процесс должен быть выполнен через защитную рабочую единицу, названную горячей камерой.
«Это свело бы меня с ума от необходимости прессовать 20 000 гранул в год», — сказал он. «Это свело бы меня с ума.»
Разогрев производства для НАСA
Чтобы создавать более пары унций в год, Уэм и его команда работали с другими сотрудниками Департамента энергетики над созданием автоматизированной машины, которая встраивалась бы в горячую камеру.
Они сделали два на всякий случай.
«Нам это не обязательно нужно, но это хорошая идея для резервирования», — сказал Уэм. «Если у нас возникнут проблемы или что-то выйдет из строя с основной машиной, это не займет вечность, чтобы наверстать упущенное».
Робот имеет многоцелевую руку, которая может выполнять повторяющуюся работу быстрее и безопаснее, чем работники-люди. Он поднимает воронку, переносит ее в матрицу, наливает предварительно отмеренное количество нептуния-237 и алюминия, прессует таблетку и загружает ее в лоток. Затем рабочие упаковывают гранулы в трубки, которые вставляются в реактор.
Команде Уэма придется увеличить производство примерно в четыре раза, чтобы выполнить поставленную перед НАСА задачу. Но он сказал, что уверен, что проект находится на правильном пути, и добавил, что конвейер не работает с максимальной скоростью — он хочет убедиться, что каждый шаг процесса понятен, прежде чем расширять его.
«Существует множество требований к обращению с радиоактивными материалами и к безопасному обращению», — сказал Уэм.
Как только Оук-Ридж будет готов увеличить производство, ему будет помогать Национальная лаборатория штата Айдахо по всей стране. Там в лаборатории есть установка, которая называется Advanced Test Reactor, которая также способна выковывать нептуний-237 в плутоний-238.
