High Flux Isotope Reactor в Национальной лаборатории Ок-Ридж производит для НАСА малое количество плутония-238, обогащая нептуний-237
Вялое производство ядерного топлива ставит под угрозу планы НАСА по запуску космических аппаратов на атомных двигателях. Если проблему не решат, то придётся ограничиться солнечной энергией.
Идеальным топливом для атомного двигателя является плутоний-238 (Pu-238). Четырёх килограммов топлива достаточно, чтобы обеспечивать корабль энергией в течение десятилетий. НАСА за свою историю потратило 140 кг плутония, в том числе на эксперименты в рамках программы «Аполло», на миссию «Галилео» к Юпитеру, на отправку аппаратов серий «Пионер» и «Вояджер». Прямо сейчас плутоний даёт тепло и электричество марсоходу Curiosity, орбитальной станции «Кассини» у Сатурна, космическому аппарату «Новые Горизонты», улетевшего к поясу Койпера.
Плутоний был бы весьма кстати для роботизированных зондов, которые могут погрузиться в глубины льдов спутников в Солнечной системе, где есть подземные океаны воды. Для летательных аппаратов, которые будут летать в атмосферах других планет и исследовать новые территории. Для судов, чтобы путешествовать по озёрам и рекам жидкого метана и этана на поверхности Титана. Для множества других миссий. Но плутоний заканчивается, и есть подозрение, что от атомных двигателей придётся отказаться, если не примут волевое политическое решение.
В США производство изотопа плутония-238 остановили в 1988 году. Министерство энергетики США подписало в 1992 году пятилетний договор о покупке изотопа у России в объеме 10 кг и возможностью увеличения поставок не более чем до 40 кг. В рамках договора заключалось несколько контрактов, соглашение продлевалось. В 2009 году поставки были прерваны из-за реструктуризации российской ядерной промышленности, и сейчас НАСА оказалось в затруднительном положении, пишет журнал Scientific American.
Попытки министерства энергетики наладить обогащение Pu-238 в Национальной лаборатории Ок-Ридж не дают приемлемого результата: выработка изотопа из нептуния-237 слишком мала.
Сейчас в запасах НАСА осталось всего 35 килограммов Pu-238, а радиоактивный распад в 18 из 35 кг слишком слаб, чтобы использовать в существующих термоэлектрических генераторах НАСА. По оценке специалистов, 17 кг топлива хватит всего на четыре генератора, один из которых уже зарезервирован для марсохода в рамках миссии «Марс-2020».
В 2013 году после двадцатипятилетнего перерыва министерство энергетики США возобновило выработку плутония-238 в Национальной лаборатории Ок-Ридж, но проект столкнулся с техническими сложностями и уже отстаёт от графика, так что вряд ли сможет выйти на запланированную мощность 1,5 кг плутония в год к 2021 году. Вместо этого, инженеры говорят о производстве 0,5 кг в год к 2019 году.
Проблему неоднократно поднимали в Конгрессе, пытаясь выудить у НАСА информацию о текущем положении дел, о количестве необходимого плутония и возможных способах его раздобыть, но Национальное космическое агентство хранит молчание. Была ещё попытка принять закон Efficient Space Exploration Act для планирования материального обеспечения НАСА, но он тоже застрял в комитетах парламента.
Другими словами, сейчас у НАСА нет плана и чёткого понимания, что делать дальше, пишет Scientific American. Независимые эксперты критикуют позицию НАСА, которое заявляет об отсутствии необходимости в дополнительных запасах плутония. Мол, и текущего запаса хватает для запланированных миссий. Но это классический пример замкнутого круга. Текущего запаса хватает, потому что запланировано мало миссий. Мало миссий запланировано, потому что не хватает плутония. Если бы топлива было больше, то его наверняка нашлось бы куда использовать.
Например, уже несколько десятилетий учёные мечтают отправить зонд к Европе, спутнику Юпитера, где подо льдом теоретически может существовать жизнь. Но эти планы постоянно откладывают из-за слишком большого количества необходимого плутония. Так, последний проект Jupiter Europa Orbiter требовал 17,6 кг Pu-238, то есть больше, чем имеется в запасах НАСА.
Проблема усугубляется ещё и тем, что в 2013 году Конгресс и Белый дом переложили на НАСА расходы на перезапуск производственной линии для плутония и работу научно-исследовательских лабораторий. Сейчас эти расходы составляют $50 млн в год. Поскольку расходы легли на плечи НАСА, то пришлось сократить финансирование некоторых научно-технических программ, в том числе и программ по созданию новых типов генераторов, способных сократить расход плутония. Опять получается замкнутый круг.
Инженеры пробуют решить проблему иначе. Например, есть идея запустить к Европе не зонд на плутонии, а орбитальный аппарат на солнечной энергии, который будет совершать ряд хитроумных маневров, приближаясь к поверхности на близкое расстояние.
В некоторых отношениях солнечные панели даже выигрывают у термоэлектрических генераторов: они меньше весят, разворачиваются на нужную мощность, в зависимости от потребностей аппарата. Так, для миссии к Европе понадобятся солнечные батареи площадью 50 м2. Батареи такого типа будут протестированы на аппарате Juno, который прибудет к Юпитеру в июле 2016 года.
Столкнувшись с дефицитом плутония, инженеры вынуждены полагаться на солнечную энергию и совершенствовать технологии: повышать эффективность фотоэлементов с помощью концентраторов и зеркал, панелей новой конструкции.
Но как бы ни старались инженеры, существуют такие миссии, которые принципиально невозможно обеспечить солнечной энергией. Да и вообще, если подумать, тот же спускаемый аппарат «Филы» сейчас продолжал бы работать на комете 67P/Чурюмова-Герасименко, если бы на нём стоял атомный двигатель, а не солнечные батареи. В общем, придётся или договаривать с Россией, или принимать политическое решение о возобновлении ядерной программы, которую остановили с окончанием Холодной войны.
Автор: alizar
