Американским космонавтам не хватает плутония-238

Научные программы Соединённых Штатов по исследованию планет Солнечной системы во многом зависят от наличия надёжных источников энергии. Наиболее удобным устройством для энергоснабжения кораблей в дальнем космосе на сегодняшний день являются изотопные генераторы (РИТЭГ), использующие энергию распада ²³⁸Pu. Но запасы данного изотопа в США подходят к концу, что ставит под угрозу космические планы американцев.

Изотопные генераторы как альтернатива солнечным батареям

Национальная академия наук США опубликовала подробный и тревожный доклад под названием "Радиоизотопные энергетические системы - обязательное условие для сохранения лидерства Соединённых Штатов в освоении космоса". В этом документе, подготовленном большой группой известных специалистов, проанализирована текущая ситуация с поставками ²³⁸Pu для космической программы.

Изотопные генераторы, преобразующие тепло радиоактивного распада в электроэнергию, стали для американцев хорошим выходом в условиях отсутствия у США работоспособных проектов космических реакторов. Их преимущества перед солнечными батареями становятся особенно заметными при полётах к Юпитеру и далее.

Существует и другой взгляд на плутониевые РИТЭГ и их недостатки по сравнению с реакторами. Наиболее полно такое сравнение проведено в эксклюзивном интервью Валерия Ярыгина для электронного издания AtomInfo.Ru.

Для сравнения - в окрестностях Юпитера интенсивность солнечного света на 96% меньше, чем на Земле, а если говорить о Плутоне, то у этой экс-планеты интенсивность падает уже на 99,94%.

Помимо естественных геометрических причин, есть и другие резоны для отказа от энергии Солнца - так, в радиационных поясах Юпитера она превращается в ненадёжный энергоисточник, и поэтому в планируемом полёте станции "Juno" с солнечными батареями не предполагается выхода в экваториальную плоскость планеты-гиганта, где располагается большая часть поясов.

Начиная с 1961 года, в Соединённых Штатах было запущено 26 космических кораблей, спутников и межпланетных станций, на которых в общей сложности было установлено 45 изотопных генераторов. Некоторые из них были возвращены на Землю, некоторые продолжают работать на орбитах или поверхностях других планет, а источники на "Пионерах" и "Вояджерах" летят сейчас в сторону далёких звёзд.

Плутоний из России

Все американские генераторы используют в качестве радиоактивного источника ²³⁸PuO₂. Их мощность варьируется от 2,7 до 500 Вт(эл.). У истоков американской космической изотопной программы стоит небезызвестная корпорация RAND, которая начала заниматься этой проблемой в 1946 году. А в 1951 году к этой работе по запросу министерства обороны подключилась комиссия по атомной энергии США.

Выбор ²³⁸Pu в качестве изотопного источника был обусловлен тем, что он единственный из всех претендентов полностью удовлетворял сформированному набору требований и критериев, а именно:

• он имеет относительно большой период полураспада (порядка 88 лет) и способен генерировать энергию в течение длительного срока;
• тип и характеристики излучения ²³⁸Pu дают возможность утилизировать его безопасным образом;
• он обладает высоким удельным энерговыделением - как массовым (Вт/г), так и объёмным (Вт/см³);
• он химически стабилен, имеет хорошие механические характеристики при высоких температурах, не растворяется в воде и не корродирует в рабочих условиях;
• наконец, ²³⁸Pu может производиться в значимых количествах по приемлемой цене.

Во времена ядерной гонки вооружений НАСА не испытывало проблем с приобретением ²³⁸Pu у военного атомного комплекса США. Но в 1988 году американские реакторы-наработчики были закрыты, и страна полностью лишилась возможности производить данный изотоп в промышленных масштабах - на территории Соединённых Штатах сохранились только незначительные лабораторные производства.

Закрытие реакторов было обусловлено, в том числе, и экономическими причинами. Их обслуживание обходилось слишком дорого. После того, как с наработчиков были сняты военные задачи, оказалось невыгодным оставлять их в эксплуатации исключительно для нужд космической программы. Тем более, что на тот момент - конец 80-ых годов - запасы ²³⁸Pu в США казались неистощимыми.

На имевшихся резервах американская космическая отрасль смогла проработать без затруднений до начала 2000-ых годов. Кроме того, США в лице министерства энергетики заключили в 1992 году соглашение с Россией о закупках российского ²³⁸Pu. Точные данные по плутониевым контрактам держатся в тайне, но можно предположить, что в Соединённые Штаты было поставлено до 20 кг этого изотопа, и ещё около 10 кг будет поставлено в обозримом будущем.

Однако российские складские резервы ²³⁸Pu также подходят к концу, и - согласно открытым источникам - российские предприятия на данный момент более не нарабатывают этот изотоп. Таким образом, США более не могут рассчитывать на поставки плутония-238 из России, если только американские государственные ведомства не согласятся сделать крупные инвестиции в российскую атомную отрасль, необходимые для возобновления наработки ²³⁸Pu.

Но даже в том случае, если США примирятся с необходимостью продолжать закупать ²³⁸Pu за рубежом - в России или иной стране - потребуются годы до того момента, когда первые партии этого изотопа будут готовы к отправке в Америку. Так, только на обсуждение контрактов может уйти 2-3 года.

Есть ещё одно принципиальное ограничение - импортный плутоний может быть использован только в исключительно мирных космических миссиях и не может применяться в полётах, связанных с вопросами национальной безопасности США.

Возможности США по производству ²³⁸Pu

Существуют различные оценки потребностей США в ²³⁸Pu на период до 2028 года. Авторы доклада предлагают использовать в качестве консервативной оценки данные из письма НАСА в министерство энергетики от 29 апреля 2008 года. Из них следует, что до 2028 года космическому агентству потребуется 105-110 кг ²³⁸Pu. В реальности запросы космонавтов могут оказаться выше предсказанных.

Наработка ²³⁸Pu осуществляется в реакторах путём облучения таблеток из чистого ²³⁷Np. Очевидно, что сырьевой материал также требует особых усилий для получения. В настоящее время, в США есть два исследовательских реактора, которые могли бы быть пригодными для производства ²³⁸Pu на уровне несколько килограммов в год - ATR в национальной лаборатории Айдахо и HFIR в национальной лаборатории Окриджа.

Возможны и альтернативные варианты - например, наработка ²³⁸Pu в энергетических легководных реакторах. Такой аппарат-тысячник в состоянии выдавать на-гора до 5 кг ²³⁸Pu в год. Но в этом случае потребуется кардинальная переработка существующих технологических процессов.

Например, в исследовательском реакторе облучаемая мишень из ²³⁷Np по принятой технологии находится внутри алюминиевой оболочки, но в энергетическом реакторе использовать Al как конструкционный материал для мишени невозможно из-за более высоких теплофизических параметров.

Авторы доклада считают крайне необходимым как можно быстрее приступить к производству ²³⁸Pu в США на реакторах ATR и HFIR. Причём делать это нужно в буквальном смысле слова безотлагательно, и не исключено, что даже немедленный запуск не избавит Соединённые Штаты от необходимости импорта ²³⁸Pu.

Если американцы не будут предпринимать никаких действий (худший сценарий), то весь закупленный у России объём ²³⁸Pu будет истрачен НАСА к 2020 году, и о межпланетных полётах, намеченных после этого срока, можно будет забыть. Но и в лучшем сценарии развития событий авторы прогнозируют исчерпание запасов ²³⁸Pu к 2025 году.

ИСТОЧНИК: AtomInfo.Ru

ДАТА: 13.05.2009

Темы: США, Космические реакторы, Радиоизотопы, Плутоний, Исследовательские реакторы