Национальная лаборатория Ок-Ридж решила главную проблему разработчиков космических устройств: дефицит плутония-238



    В 2015 году на Хабре публиковалась статья о том, что малое количество производимого плутония-238 ставит под угрозу планы НАСА по запуску космических аппаратов на термоэлектрических генераторах. Плутоний-238 (Pu-238) — почти идеальное топливо для спутников, роверов и космических скитальцев иных типов, созданных руками человека. Так, всего четырех килограммов топлива вполне хватит для обеспечения энергией корабля.

    За всю историю освоения космического пространства НАСА потратило 140 кг плутония, включая эксперименты в рамках программы «Аполло», миссию «Галилео» и другие. Но производство изотопа плутония-238 было остановлено в США еще в 1988 году. Топливо покупали у России, но его все равно не хватало. Сейчас проблему дефицита, похоже, удалось решить.

    Сделали это специалисты Национальной лаборатории Ок-Ридж. На этой неделе была опубликована информация о том, что «бутылочное горлышко» космических программ США, похоже, расширили.


    НАСА для выполнения своих планов необходимо 1,5 кг плутония в год, именно такие потребности агентство озвучило вплоть до 2025 года. Национальной лаборатории Ок-Ридж удалось наладить производство, сейчас объемы увеличены с 50 граммов в год до 400. Раньше вся эта работа выполнялась вручную, но теперь пеллеты с топливом формируются в автоматическом режиме. Пеллеты включают оксид нептуния и алюминий. После того, как пеллета сформирована, она помещается в реактор, с преобразованием содержимого в плутоний-238.

    Стоит отметить, что у США не было бы проблем с плутонием, если бы не прервались поставки из России в 2009 году. Проблема возникла из-за реструктуризации российской ядерной промышленности. В результате в 2015 году запасы НАСА составляли лишь 35 килограммов плутония.

    В 2012 году НАСА удалось достичь с чиновниками договоренности о возобновлении производства плутония-238, благодаря чему проблему дефицита постепенно удалось решить. В 2013 году Национальная лаборатория Ок-Ридж начала производить плутоний-238, но его было слишком мало. Выработка была небольшой из-за недостатков технического процесса, большую часть манипуляций приходилось выполнять вручную.

    НАСА пришлось самостоятельно решать проблему, поскольку Конгресс и Белый дом сняли с себя всякие обязательства по этому поводу, и предоставили агентству полную самостоятельность в этом вопросе. Ну а поскольку организации пришлось практически с нуля строить производственную линию для плутония и возобновлять работу соответствующих лабораторий, то значительная часть финансирования агентства стала уходить на эти цели. Некоторые научно-технические программы даже пришлось остановить, включая разработку новых генераторов, которые расходовали плутониевое топливо более экономно.

    В качестве решения проблемы предлагалось даже запускать аппараты, работающие исключительно на солнечной энергии. В некоторых случаях это даже более удачный вариант, поскольку фотоэлементы весят меньше, их можно разворачивать, регулируя мощность выработки электричества. К примеру, для запуска миссии к Европе понадобились бы панели площадью в 50 м2. В НАСА стали проводить работу по оптимизации фотоэлементов с целью получения более эффективных солнечных панелей.

    Но все же это лишь частичное решение проблемы, поскольку некоторые миссии невозможно выполнить лишь при помощи энергии Солнца. Ряд аппаратов слишком удалены от Солнца, так что солнечные панели не в состоянии давать столько электричества, сколько необходимо для работы устройства. Кроме того, иногда аппарат просто скрыт от Солнца. В случае с аппаратом, который совершил посадку на комету Чурюмова-Герасименко элемент на плутонии был бы более предпочтительным вариантом, поскольку в этом случае устройство работало бы до сих пор, изучая комету и ее окрестности.

    Таким образом, успехи Национальной лаборатории Ок-Ридж позволят космической программе США развиваться более активно, чем ранее. Теперь все аппараты, разрабатываемые НАСА, для работы которых нужны термоэлектрические элементы, получат их вовремя и в нужном объеме.
    Поделиться публикацией

    Комментарии 43

      –17
      400 грамм в год, вот это достижение! Для запуска следующей станции типа Кассини надо всего 82 года, не считая ухудшения качества уже произведенного!
        +3
        НАСА для выполнения своих планов необходимо 1,5 кг плутония в год, именно такие потребности агентство озвучило вплоть до 2025 года.
          –6
          Какие-то нерадужные у них планы, раз так мало плутония требуется… Не видать нам АМС к дальним планетам…
            0
            так энергопотребление и эффективность солнечных панелей со времен Кассини тоже неплохо улучшили
          +1
          Так уже и Kilopower на подходе )
            0
            возможно теперь этот любопытный проект закроют
              0
              обожечки, вы это вывели из «новости» из поста, де, Pu238 есть, реакторы делать не будут?

              «Новости» про Pu238 уже два года:

              "Мы рассчитываем выйти на промежуточный уровень производства в объёме 400-500 граммов в 2019 году, а затем, если всё пойдёт нормально, довести его до 1,5 кг в 2023 году"

              (2016-й год)

              Демонстрация автоматизации работы с топливными таблетками — 2017-й год.

              «А в это время, в 21-м веке»((с)«Остин Пауэрс»)

              И в этот же период сперва были проведены испытания электротеплового макета Kilopower (2017 год),

              и наконец (2018 год) ядерные испытания:

              1) физпуск реактора без системы охлаждения,
              и, наконец,
              2) комплексное испытания всего реактора:

              были проведены комплексные испытания системы с пуском реактора и преобразовательной системы, выходом на номинал и прогоном на мощности. Весь тест занял 28 часов, из графика разогрева тепловых труб выше можно предположить что опыт выглядел как «старт за 4 часа + 24 часа работы на номинале».

              (Источник).

              И при этом,
              От конкурирующей конструкции РИТЭГов с Pu238 Kilopower отличает заметно бОльшая дешевизна (35 кг высокообогащенного урана стоит около 0,5 млн долларов, против примерно 50 млн долларов за 45 кг Pu238, необходимых для киловаттного РИТЭГ
              ), и сильно меньшие проблемы с обращением при подготовке космического аппарата и его запуске

              (Источник, с подробным описанием изящности технических решений Kilopower)

              Еще раз,

              1)
              Kilopower отличает заметно бОльшая дешевизна
              (35 кг высокообогащенного урана стоит около 0,5 млн долларов, против примерно 50 млн долларов за 45 кг Pu238, необходимых для киловаттного РИТЭГ

              и
              2)
              и сильно меньшие проблемы с обращением при подготовке космического аппарата


              3)
              и сильно меньшие проблемы с обращением при <...> его запуске [речь идет о радиационной _безопасности_(sic!) реактора даже при аварии на этапе вывода на орбиту; напомню, что РИТЭГ c Pu238 рад. опасен всегда — что, к примеру, в своем время было основанием массовых протестов против запуска миссии к Сатурну; Kilopower таким _не страдает_]


              — sic!
              ______

              И вы при всем при этом, говорите «возможно теперь этот любопытный проект закроют» только от того, что прочли новость про Pu238? Не кажется ли вам, что у вас слегка не хватает информации и компетенции для таких заявлений?
                0
                достоинства килопауэра мне известны. так же известно и то, что закрытие отдельных программ в НАСА может происходить по совершенно нетривиальным причинам. меньше всего тут будет играть стоимость — при затратах в миллиард на миссию
                  0
                  то есть вы говорите вещь, изоморфную «мои заявления применимы к любому проекту NASA[== „никак не связаны с содержанием новости“]», я правильно вас понял?

                  Еще раз, то, что Pu238 выйдет на нынешний уровень, было известно и в 2016-м.

                  При этом ПОСЛЕ 2016-го по Kilopower был проведен БОЛЬШОЙ завершающий этап работ — годичные, ЕМНИП, испытания электротеплового макета в 2017-м(1),
                  и ядерные испытания(2), в том числе — полные, комплексные ядерные испытания всего реактора в сборе в 2018-м (3).

                  Каким тут боком подача «если (запуск производства Pu238 в 2019-м [в объемах, известных еще в 2016-м])=>то (остановят проект Kilopower)» (какой выглядело и продолжает, если честно, выглядеть то, что вы говорите), мне решительно непонятно.
                    0
                    объем проведенных работ никогда НАСА не останавливал. вон они вообще хотели RS-25 на помойку выкинуть, пока сенат их не заставил делать SLS

                    «Еще раз, то, что Pu238 выйдет на нынешний уровень, было известно и в 2016-м» — есть такая штука — риск менеджмент.
                      0
                      расцениваю это как ваше подтверждение того, что вы говорите вещь, изоморфную «мои заявления применимы к любому проекту NASA[== „никак не связаны с содержанием новости“]»?
                        0
                        К сведению: вы злоупотребляете странными оформительскими изысками в своих сообщениях. Этот визуальный мусор из каких-то скобочек, подчеркиваний и полужирного текста сильно мешает чтению.
                          –1
                          держите нас в курсе!
                        0
                        не надо делать многозначительных намеков на ровном месте.

                        Реальное положение дел такое:

                        США еще в 2005-м году заявило (см. например) о тридцатилетней(на 30 лет, Карл!) программе по возобновлению производства Pu238 (150 кг за 30 лет), т.к. закупки из России «угрожают национальной безопасности».

                        Причин несколько: — во-первых, они считали, что в РФ нет ни производства, ни запасов Pu238 для удовлетворения нужд США (например, в отчете "Radioisotope Power Systems An Imperative for Maintaining U.S. Leadership in Space Exploration" 2009-го это прямым текстом говорится*).
                        ________
                        * —
                        * — (там даже жестче: говорится, что _насколько известно комиссии_, в России нет ни невыкупленных NASA запасов, ни производства Pu238, хотя НЯП, это верно лишь про производство на «Маяке»; впрочем, не суть важно в данном контексте)


                        Во-вторых (по порядку, но не по значению!), по договору российских поставок, российский Pu238 нельзя было использовать в военных целях (а такой спрос есть, как минимум, для РИТЭГ на подводные устройства большого периода автономности (разведка etc)).

                        Что можно в этой связи сказать о всей ситуации в целом:

                        Во-первых, это вообще ни разу не «вероятностный процесс» (в тех смыслах, в которых в которых возникает необходимость risk managment вводить), на момент описываемых мной испытаний Kilopower был.

                        Во-вторых, ни о каком «Risk managment» тут речи идти не может банально потому, что для военных целей (для которых нужен Pu238) Kilopower не годится, т.е. Kilopower не мог быть способом «разложить яйца в разные корзины».

                        И да, кстати, Kilopower — это веточка в отдельной большой ветви, — "NASA’s Game Changing Development program" (GCD) (оно же). «Яйца по разным корзинам» в US в подобных случаях раскладывают _иначе_.
                        __________

                        Итого, опять не выходит по-вашему.

                        Нет тут ни угрозы проекту Kilopower от данных новостей про исполнению _планов_ по производству Pu238, ни ваша гипотеза про то, что Kilopower, де — акт risk managment'а (по отношению к возобновлению производства Pu238, очевидно), не выглядит адекватной.
              +3
              А почему не достижение? Это ощутимо больше, чем было, и, похоже, разработки в этом направлении ведутся довольно успешно. Некоторое время назад мне попадались статьи в духе «НАСА в тупике из-за недостатка плутония, но почему-то не подаёт виду». Теперь понятно почему не подавало виду. Работа велась, и всё не было насктолько безнадёжно, как видилось некоторым со стороны.
              Хочется, чтобы Наши как-то пришли в тонус. А-то с одной стороны Маск и Безос со своим «баловством нерентабельным» наступают. С другой вот с Плутонием налаживается картина…

              Нужно подавлять позывы к патриотически страусиной политике борьбы с западными достижениями методом уничижительных высказываний. Поджать сфинктеры и фигачить. Иначе можно скатиться к «а не очень-то и хотелось, зато скрепы у нас, и церквей надувных в каждой военной части по две штуки с пятиминутным боевым развёртыванием»
                0
                Нужно подавлять позывы к переоценке достижений. Реально, с таким темпом производства плутония следующие «Новые горизонты» полетят очень не скоро и это не может не разочаровывать
                  0
                  полетят новые килопаверы ?
                    0
                    Будет здорово, если этот реактор доведут до ума и он действительно станет применяться в новых АМС. Но пока имеем только тестовый образец и неизвестно сколько еще времени на его доведение до серийности. И РИТЕГи все-равно будут нужны — 226кг это норм для АМС, но многовато для ровера
                      0
                      Но пока имеем только тестовый образец и неизвестно сколько еще времени на его доведение до серийности.

                      — строго говоря нам не известно ничего про _любое_ будущее (в смысле «про будущее чего угодно»), кроме того, что какое-то будущее будет, «но это не точно», ага, — вдруг мы и про Вселенную что-то не знаем.

                      Что подводит к простой мысли — имеет смысл говорить о вероятностных оценках.

                      Вот для Kilopower — 1) какие планы, и 2) какие оценки рискам из осуществления?
                      — Вот это — содержательный разговор.

                      226кг это норм для АМС, но многовато для ровера

                      — это да.

                      Впрочем, некоторые из первых роверов и без РИТЭГ как-то обходились, что, кстати, им рекорд долгожительства поставить помогло.
                0
                Похоже, НАСА очень рассчитывает на то, что к середине или концу 2020-х годов появятся готовые к промышленному использованию радиоизотопные генераторы Стирлинга.
                Такие установки, используя всего около 1.5 кг плутония-238, должны позволять получать электрические мощности, превышающие возможности современных РИТЭГов (где плутония используется минимум 4-5 килограммов). Радиоизотопные генераторы Стирлинга позволяют надеяться на КПД около 25%, в отличие от 5-6% КПД классических РИТЭГов.

                Многострадальный проект ASRG уже много раз хоронили, но, судя по всему работы по нему все еще ведутся частными компаниями.
                +9
                Так, всего четырех килограммов топлива вполне хватит для обеспечения энергией корабля.
                Сферического? В вакууме?
                Раньше вся эта работа выполнялась вручную, но теперь пеллеты с топливом формируются в автоматическом режиме.
                А можно поподробнее про формирование «таблеток» с ядерным топливом вручную?
                  +1
                  там на видео на 3ей секунде видно — как (статья в вики)
                    0
                    а в связи с чем вопрос? Вас что-то смущает? Если да — напрасно, необлученное ядерное топливо (как и сырье для производства Pu238, про которое, собственно, речь в статье) радиационно безопасны.
                      +2
                      А можно поподробнее про формирование «таблеток» с ядерным топливом вручную?

                      Я знаю один неплохой блог на эту тему ;)


                      Сферического? В вакууме?

                      Речь идет про РИТЭГ MMRTG, который ставится на Curiosity и Mars2020. Описание конструкции источника тепла здесь.

                      +17
                      Мастерство marks-а в подаче информации определённо выросло.
                      Раздуть минутное слайдшоу до размеров статьи это, несомненно, талант. И этот талант теперь даже на гиктаймс изгнать не получится.</offtopic>

                        0
                        Встречал я незакрытые тэги. Но чтобы не открытые…
                        +3
                        Тут ни слова о том, что они сделали для его получения. И в каком количестве в год?

                        Запасы малополезны т.к. как только он произведен, он начинает распадаться и этот процесс не остановить.
                          0
                          Было 50 грамм в год, стало 400.
                          Каким образом?
                          Creating plutonium-238 is a painstaking and laborious process. One of the most difficult tasks is creating pellets of neptunium and aluminum that are shaped into a rod that is blasted inside a nuclear reactor. Previously, researchers at Oak Ridge had to mix and shape the pencil-eraser-sized pellets by hand.

                          Now this part of the process is automated, which the lab expects to increase its output from 80 pellets per week to about 275 pellets per week. This development alone will allow the lab to progress from producing 50 grams of plutonium-238 annually to about 400 grams annually.
                            0
                            400 г мало, в Горизонтах 11 кг было, а в Вояджерах в два раза больше. Если копить 27,5 лет, то от первой партии почти ничего не останется.
                          +3
                          Национальная лаборатория Ок-Ридж решила главную проблему разработчиков космических устройств: дефицит плутония-238

                          заголовок «желтит» в части
                          Национальная лаборатория Ок-Ридж решила главную проблему разработчиков космических устройств

                          — дефицит плутония-238 не является «главной проблемой разработчиков» для огромного объема что классов космических устройств(1), что классов разработчиков космических устройств(2).

                          P.S. и это мы еще не касаемся того, что даже проблема дефицита Pu238 решена лишь менее, чем на треть!
                            +1

                            Надо заметить, что автоматизация производства нептуниевых таблеток все же довольно несложна на фоне следующих бутылочных горлышек на пути к 1,5 килограмма в год: необходимости расширения линии радиохимической переработки и задействования второго из двух главных исследовательских реакторов в облучении мишеней с нептунием. 400 грамм в год, думается, надолго теперь останутся достигнутым уровнем производства, как минимум до 2024 года.

                              +1
                              т.е. росатом пролюбил клиента… просто «потому что»? =( Зато ндс повысить — милое дело, да.
                                –2
                                Просто потому-что самим надо. У нас на двадцатые запланированы несколько запусков к Луне.
                                  0
                                  Повод расширять производство. Но, видимо, не всё так просто.
                                    0
                                    О, там всё весьма сложно, начиная с невысоких концентраций и фонящего «сырья».
                                      0
                                      Повод расширять производство.

                                      Существует устойчивое и распространённое мнение, на тот счет, что примерно с 2009 года в России Pu-238 не производится.
                                        0
                                        … что странно, потому-что все технологии для его производства у нас имеются, и ранее он производился в Челябинске-40…
                                        0

                                        Под реструктуризацией всегда понимают сокращение издержек. Так что, как бы всё производство не похерили.

                                        +2
                                        Можно запланировать хоть 200 запусков на Луну, толку то…
                                        В 2021 году мы отправляем первый аппарат на Луну. Это будет «Луна-25». «Луна-26» и «Луна-27» полетят, соответственно, в 2023 и 2024 годах», — сказал глава Роскосмоса.

                                        Первоначально запуск Луны-25 был запланирован на 2014 год, а сейчас он сместился на 7 лет вперед.

                                        Так что модно смело планировать 200 запусков на 20-е года и можно даже выполнить все из них к 2129 году
                                      +1
                                      Всё-таки хотелось бы понять, что сделали в лаборатории такого, что это позволило увеличить добычу, решить проблему недопоставки нужного количества плутония-238.
                                      Без этого всю статью можно сократить до:
                                      Увеличили производство плутония-238.
                                        +4
                                        Для того, чтобы получить Pu-238 берут гранулы из прессованного с алюминиевой пудрой оксида нептуния, помещают их в реактор и длительное время облучают нейтронами. При этом 10-15% нептуния-237 в гранулах превращаются в плутоний-238. Гранулы извлекают, разделяют химически плутоний и нептуний. Плутоний бережно окладывают, а нептуний можно очистить и запустить в этот цикл снова.

                                        Судя по источнику из которого склёпана статья, учёным из Национальной лаборатории Oak Ridge удалось автоматизировать процесс производства топливных гранул, что позволяет получать 275 гранул в неделю (вместо 80 при ручном производстве).

                                        Все эти достижения позволяют оптимистично оценивать планы выхода на производство полутора килограмм плутония-238 к 2025 году.

                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                    Самое читаемое