الولايات المتحدة لإعادة تشغيل إنتاج البلوتونيوم لاستكشاف الفضاء العميق

قد تكون نهاية نقص البلوتونيوم في وكالة ناسا في الأفق. يوم الاثنين 18 مارس^العاشرأعلن جيم غرين ، رئيس قسم علوم الكواكب في وكالة ناسا ، أن إنتاج بلوتونيوم 238 (Pu-238) من قبل وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) يمر حاليًا بمراحل اختبار تؤدي إلى استئناف الإنتاج على نطاق كامل.

"بحلول نهاية السنة التقويمية ، سيكون لدينا خطة كاملة من وزارة الطاقة حول الكيفية التي سيتمكنون بها من تلبية متطلباتنا من 1.5 إلى 2 كيلوغرام في السنة". قال غرين في الـ44^العاشر عقد مؤتمر علوم القمر والكواكب في وودلاندز ، تكساس يوم الاثنين الماضي.

هذا الخبر لا يأتي قريباً لقد كتبنا سابقًا عن نقص البلوتونيوم الوشيك والعواقب المترتبة عليه لاستكشاف الفضاء العميق في المستقبل. الطاقة الشمسية كافية في معظم الحالات عندما تستكشف النظام الشمسي الداخلي ، ولكن عندما تخرج خارج حزام الكويكبات ، فأنت بحاجة إلى الطاقة النووية للقيام بذلك.

كان إنتاج النظير Pu-238 نتيجة محظوظة للحرب الباردة. أنتج جلين سيبورج لأول مرة في عام 1940 ، ويتم إنتاج نظائر الصف من الأسلحة من البلوتونيوم (-239) عن طريق قصف النبتونيوم (وهو في حد ذاته نتاج اضمحلال اليورانيوم -238) بالنيوترونات. استخدم نفس نظير الهدف من Neptunium-237 في مفاعل سريع ، والنتيجة هي Pu-238. تنتج Pu-238 280 مرة من حرارة الاضمحلال عند 560 واط لكل كيلوغرام مقابل درجة الأسلحة Pu-239 وهي مثالية كمصدر مضغوط للطاقة لاستكشاف الفضاء العميق.

منذ عام 1961 ، تم إطلاق أكثر من 26 مركبة فضائية أمريكية تحمل مولدات كهربائية حرارية للنظائر المشعة متعددة المهام (MMRTG ، أو ببساطة RTGs) كمصادر للطاقة واستكشفت كل كوكب باستثناء كوكب عطارد. تم استخدام RTGs من قبل الأحمال العلمية لمجموعة تجارب أبولو القمرية (ALSEP) التي تركها رواد الفضاء على القمر ، و كاسيني و مارس كيريوسيتي و نيو هورايزونز لاستكشاف بلوتو في يوليو 2015 كلها تعمل بالطاقة النووية.

بلوتونيوم RTGs بالطاقة هي فقط التكنولوجيا التي نستخدمها حاليًا والتي يمكنها القيام باستكشاف الفضاء البعيد. ستكون المركبة الفضائية جونو التابعة لوكالة ناسا أول من يصل إلى المشتري في عام 2016 دون استخدام RTG بالطاقة النووية ، لكنها ستحتاج إلى استخدام 3 ألواح شمسية ضخمة 2.7 × 8.9 متر للقيام بذلك.

المشكلة هي أن إنتاج البلوتونيوم في الولايات المتحدة توقف في عام 1988 مع نهاية الحرب الباردة. يتم تصنيف كمية مخزون Plutonium-238 NASA و DOE ، ولكن تم التكهن بأنه يحتوي على ما يكفي على الأكثر لمهمة واحدة أكبر من فئة سفينة العلم وربما مهمة فئة Scout صغيرة. بالإضافة إلى ذلك ، بمجرد تصنيع درجة البلوتونيوم 239 للأسلحة ، لن تكون هناك إعادة معالجة لها نظير Pu-238 المطلوب. تم شراء البلوتونيوم الذي يعمل حاليًا على تشغيل Curiosity عبر سطح المريخ من الروس ، وانتهى هذا المصدر في عام 2010. تم تجهيز New Horizons مع MMRTG احتياطي تم بناؤه لـ Cassini ، والذي تم إطلاقه في عام 1999.

كمكافأة إضافية ، غالبًا ما تتجاوز المهام التي تعمل بالبلوتونيوم التوقعات أيضًا. على سبيل المثال ، كان للمركبة الفضائية فوييجر 1 و 2 مدة مهمة أصلية تبلغ خمس سنوات ومن المتوقع الآن أن تستمر حتى العقد الخامس من عملها. لا يعاني الفضول في كوكب المريخ من مشاكل "الألواح الشمسية المغبرة" التي ابتليت بها الروح والفرصة ويمكن أن تعمل خلال فصل الشتاء المريخي الطويل. بالمناسبة ، في حين أن المركبات الروحية والفرصة لم تكن تعمل بالطاقة النووية ، هم فعل استخدام حبيبات صغيرة من أكسيد البلوتونيوم في مفاصلها لتبقى دافئة ، بالإضافة إلى الكوريوم المشع لتوفير مصادر نيوترونية في مطيافها. من المحتمل جدًا أن تتعثر أي ذكاء فضائي على المركبة الفضائية الخمسة التي تهرب من نظامنا الشمسي (Pioneer 10 & 11 و Voyagers 1 & 2 و New Horizons) يمكن تصور تاريخ رحيلهم عن الأرض من خلال قياس انحلال مصدر طاقة البلوتونيوم. (يبلغ عمر النصف Pu-238 عمر 87.7 سنة ويتحلل في النهاية بعد الانتقال من خلال سلسلة طويلة من نظائر الابنة إلى الرصاص 206).

سيتم تنفيذ الإنتاج الحالي من Pu-238 في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) باستخدام مفاعل نظيره عالي التدفق (HFIR). يمكن أيضًا إحياء Pu-238 "القديم" بإضافة Pu-238 المصنوع حديثًا إليه.

وقال غرين في حديث لتخطيط استكشاف المريخ: "مقابل كل 1 كيلوغرام ، نعيد إحياء كيلوغرامين من البلوتونيوم الأقدم من خلال مزجه ... إنه جزء مهم من عمليتنا لنكون قادرين على الاستفادة من إمدادنا الحالي بكثافة الطاقة التي نريدها". لجنة.

ومع ذلك ، فإن الإنتاج المستهدف الكامل البالغ 1.5 كيلوجرامًا في السنة قد يستغرق بعض الوقت. للسياق ، يستخدم المسبار المريخ Curiosity 4.8 كيلوغرامًا من Pu-238 ، وتحتوي New Horizons على 11 كيلوغرامًا. لم تغادر أي بعثات إلى الكواكب الخارجية الأرض منذ إطلاق Curiosity في نوفمبر 2011 ، والمهمة التالية التي من المرجح أن تستخدم RTG هي سيارة Mars 2020 rover المقترحة. ستكون الأفكار على لوحة الرسم مثل مركبة هبوط بحيرة تيتان ومهمة المشتري الجليدية تعمل بالطاقة النووية.

جنبا إلى جنب مع إنتاج البلوتونيوم الجديد ، تخطط وكالة ناسا للحصول على اثنين من RTGs الجديدة التي يطلق عليها مولدات النظائر المشعة المتقدمة Stirling (ASRGs) بحلول عام 2016. في حين أنها أكثر كفاءة ، قد لا يكون ASRG دائما يكون الجهاز المفضل. على سبيل المثال ، تستخدم كيريوسيتي حرارة النفايات MMRTG للحفاظ على دفء الأدوات من خلال تداول الفريون. كان على الفضول أيضًا التنفيس عن الحرارة المهدرة التي ينتجها المولد 110 وات أثناء حبسه في غلافه الهوائي إلى المريخ.

وبالطبع ، هناك الاحتياطات الإضافية التي تأتي مع إطلاق حمولة نووية. كان على رئيس الولايات المتحدة التوقيع على إطلاق الفضول من ساحل فلوريدا الفضائي. أثار إطلاق كاسيني ونيو هورايزونز وكوريوسيتي جميعًا تبعثرًا من المتظاهرين ، كما يفعل أي شيء متعلق بالنووية. ناهيك عن أن محطات الطاقة التي تعمل بالفحم تنتج البولونيوم المشع والرادون والثوريوم كمنتج ثانوي غير مرغوب فيه يوميًا.

إن عمليات الإطلاق المذكورة لا تخلو من المخاطر ، وإن كانت تنطوي على مخاطر يمكن تخفيفها وإدارتها. وقع أحد أبشع الحوادث النووية ذات الصلة بالفضاء في وقت مبكر من برنامج الفضاء الأمريكي مع فقدان قمر صناعي Transit-5BN-3 المجهز بـ RTG قبالة ساحل مدغشقر بعد وقت قصير من إطلاقه في عام 1964. وعندما اضطر Apollo 13 إلى الإجهاض والعودة إلى الأرض ، تم توجيه رواد الفضاء للتخلص من الدلو وحدة الهبوط مع تجاربها العلمية التي تعمل بالطاقة النووية مخصصة لسطح القمر في المحيط الهادئ بالقرب من جزيرة فيجي. (إنهم لا يقولون لك ذلك في الفيلم) يتساءل المرء عما إذا كان "إحياء" هذا RTG من قاع المحيط من أجل مهمة فضائية مستقبلية فعالة من حيث التكلفة. في عمليات الإطلاق السابقة المجهزة نوويًا مثل New Horizons ، وضعت وكالة ناسا فرصة "حادث إطلاق يمكن أن يطلق البلوتونيوم" عند 350 إلى 1 ضد حتى ذلك الحين ، فإن RTG المحمي "مفرط في الهندسة" من أجل النجاة من الانفجار والتأثير بالماء.

لكن المخاطر تستحق الربح من حيث اكتشافات النظام الشمسي الجديدة. في مستقبل جديد شجاع لاستكشاف الفضاء ، تعطينا إعادة بدء إنتاج البلوتونيوم للأغراض السلمية الأمل. لإعادة صياغة كارل ساجان ، يعد السفر إلى الفضاء أحد أفضل استخدامات الانشطار النووي التي يمكننا التفكير فيها!