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.

Подробнее: НАСА может исчерпать ядерное топливо для дальних космических полетов в течение десятилетия

Если толчок настанет, Уэм считает, что министерство энергетики могло бы производить около 11 фунтов (5000 граммов) плутония-238 в год — более чем в три раза больше, чем его просили сделать.

«Я думаю, что мы могли бы пойти больше, чтобы удовлетворить более высокий спрос на НАСА, если бы они попросили об этом», добавил Уэм. «Прямо сейчас мы вписываемся в то, что, по их мнению, является их кадром для миссий с ядерным оружием».