Plutonium-238 for at hjælpe med at styrke Perseverance på Mars

Efter sin lange rejse til Mars, der begyndte denne sommer, NASA's Perseverance rover vil blive drevet på tværs af planetens overflade delvist af plutonium produceret ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

"Mars 2020 bliver den første NASA-mission, der bruger ORNL-produceret plutonium-238, " sagde Alan Icenhour, associeret laboratoriedirektør for nuklear videnskab og teknik hos ORNL. "Denne præstation repræsenterer utallige timers arbejde af dedikeret ORNL-personale, og det er givende at se dette arbejde blive til virkelighed. At hjælpe NASA i sin mission til Mars er et vigtigt øjeblik i laboratoriets historie."

Ligesom andre rovere på deep-space missioner, Perseverances rejsekraft på Mars kommer fra termoelektriske generatorer, der skaber elektricitet fra varme genereret fra henfaldet af plutonium-238 i form af oxidkeramiske pellets. Pu-238 producerer varme, når den henfalder, og roverens multi-mission radioisotop termoelektriske generator omdanner denne varme til elektricitet for at oplade lithium-ion batterierne, der flytter roveren og driver de instrumenter, den vil bruge på overfladen af ​​den røde planet.

Pu-238 er ideel til dybe rumrejser på grund af dens lange halveringstid på næsten 88 år, men det har været en mangelvare. Tidligere, det amerikanske lager bestod primært af Pu-238 produceret på Savannah River atomkraftværket i slutningen af ​​1980'erne, som siden har været ved at forfalde. Men den amerikanske produktion af Pu-238 sluttede for mere end 30 år siden.

Derfor var 2015 en milepæl for ORNL:den første nye statssideproduktion af Pu-238 i næsten tre årtier. Siden den første succes, laboratoriet har konsekvent øget sine Pu-238 produktionskapaciteter, sigter mod at producere 1,5 kg om året i 2026.

"Vi har en 50-årig historie med at bestråle mål og producere radioisotoper, " sagde ORNLs Robert Wham, Pu-238 Supply Program manager. "At have de ressourcer, vi har lige her, gør ORNL velegnet til at producere landets forsyning af Pu-238. Vi har en masse videnskabsmænd og ingeniører på tværs af laboratoriet involveret i denne indsats, og det er meget spændende for dem at bidrage til rumudforskning."

Det er ikke en nem proces, og ORNL, DOE's Office of Nuclear Energy og NASA har investeret tid, penge, forskning og kloge hoveder til at forbedre det. ORNL modtager neptunium-237 råmateriale fra Idaho National Laboratory, som opbevarer nationens inventar. En gang på ORNL, neptuniumoxidet blandes med aluminium og presses til pellets. Næste, pillerne sættes i rør og bestråles i ORNL's High Flux Isotope Reactor, hvilket får neptunium til at transmutere til Pu-238.

Pellets flyttes til afskærmede varme celler i ORNL's Radiochemical Engineering Development Center. der, Pu-238 er adskilt fra neptunium gennem en række kemiske processer, omdannet til et oxidpulver, og derefter sendt til Los Alamos National Laboratory for fremstilling til keramiske pellets til den termoelektriske generator. Tilbageværende neptunium genbruges for at lave mere Pu-238.

HFIR kan bestråle op til 6, 800 gram neptunium om året i partier, der bliver i reaktoren i to til tre måneder. INL's avancerede testreaktor bestråler også små mængder neptunium på begrænset basis og er planlagt til en makeover næste år, der vil øge dens evne til også at producere Pu-238.

Programmet har installeret automatiserede systemer til at presse og måle Np-237 målpillerne. Wham sagde, at automatisering af hele processen har gjort det muligt for laboratoriet at øge produktionen af ​​pellets betydeligt, hjælper med at mere end tredoble outputtet af Pu-238. Forskere ser på måder at bruge overvågning på linjen til at teste og evaluere kemiske behandlingstrin i de varme celler, sparer tid og materialer involveret i at tage prøver ud af de varme celler til analyse.

Derudover nyt udstyr bliver lavet for at forbedre fremstillingen af ​​de mål, der bestråles i HFIR. ORNL bemander driften, så processen kan fortsætte 24 timer i døgnet.

Nogle af ORNL's Pu-238 blev kombineret med Los Alamos' eksisterende forsyning til Mars 2020-missionen. ORNL har bidraget med yderligere elementer til Perseverance, inklusive produktion af roverens iridiumlegering beklædte udluftningssæt, som er praktisk talt uforgængelige metalkopper, der indeholder Pu-238 brændstof, og den kulstofbundne kulfiberisolering, der omgiver brændstofbeklædningen.