Pluton-238

Próbka plutonu-238 (w postaci PuO2) rozgrzana do czerwoności pod wpływem własnego promieniowania

Pluton-238 – izotop plutonu o czasie połowicznego rozpadu wynoszącym 87,7 lat. Ulega rozpadowi alfa do 234U. Podczas rozpadu alfa jądra plutonu-238 emitowana jest energia około 5,6 MeV.

Jest używany jako źródło energii w radioizotopowych generatorach termoelektrycznych i w radioizotopowych urządzeniach grzewczych (RUG)[a]. Jeden gram plutonu-238 generuje moc około 0,5 wata.

Pluton-238 jest pierwszym wytworzonym izotopem plutonu. Został otrzymany przez Glenna Seaborga w 1941 roku poprzez bombardowanie uranu-238 atomami deuteru. Produktem pierwotnym reakcji jest neptun-238, który rozpada się do plutonu-238 (t½ 2,1 dnia). Pluton-238 rozpada się do uranu-234 wchodząc do uranowo-radowego szeregu promieniotwórczego kończącego się na ołowiu-206. Ze względu na długi czas połowicznego rozpadu uranu-234 (246 000 lat), praktycznie zachodzi tylko rozpad plutonu.

Pluton pochodzący ze zużytego paliwa jądrowego z reaktorów (tzw. pluton o czystości reaktorowej) zawiera ok. 1–2% plutonu-238, który jednak może odpowiadać za znaczną część ciepła generowanego przez ten materiał (pozostałe izotopy emitują mniej energii ze względu na znacznie dłuższy czas połowicznego rozpadu). Ze względu na trudności techniczne, uzyskiwanie czystego plutonu-238 z takiej mieszaniny izotopów jest nieopłacalne.

Czysty pluton-238 jest wytwarzany przez napromieniowanie neutronami termicznymi neptunu-237 (który można wyizolować ze zużytego paliwa jądrowego podczas jego przetwarzania) lub, w nowszym podejściu, ameryku-241[1]. Po zakończeniu reakcji napromieniowany materiał jest przetwarzany chemicznie w celu wyizolowania plutonu.

Produkcja plutonu-238 związana była z rozwojem broni jądrowej w czasie zimnej wojny. Po jej zakończeniu produkcja plutonu została wstrzymana i korzysta się ze zgromadzonych zapasów[2]. Od 1993 roku cały pluton-238 użyty przez Stany Zjednoczone w sondach kosmicznych (16,5 kg) został zakupiony w Rosji[3], jednak także tamtejsze zapasy wyczerpują się[2]. W roku 2009 Departament Energii Stanów Zjednoczonych złożył wniosek o finansowanie ponownego uruchomienia produkcji pluton-238 w USA[2][4]. W 2013 zapowiedziano produkcję 1,5 kg plutonu-238 rocznie w Oak Ridge National Laboratory na potrzeby NASA[5][6].

Pluton-238 w programie Apollo

W programie Apollo paliwem zasilającym radioizotopowy generator termoelektryczny (RTG) eksperymentu ALSEP był pluton-238. Na powierzchnię Księżyca pluton-238 musiał być przewożony w sposób bezpieczny dla astronautów i całego środowiska. Był on dostarczany w grafitowym pojemniku transportowym paliwa do RTG, umieszczonym w członie zniżania modułu księżycowego. Konstrukcja pojemnika zapewniała, iż pluton-238 nie skazi środowiska nawet w przypadku katastrofy statku kosmicznego na dowolnym etapie misji. Na powierzchni Księżyca pluton-238 był wyjmowany z pojemnika osłonnego i umieszczany w radioizotopowym generatorze termoelektrycznym.

Podczas misji Apollo 13 doszło do awaryjnego wejścia modułu księżycowego w atmosferę ziemską. Moduł księżycowy nie był przystosowany do przejścia przez atmosferę ziemską i spłonął, natomiast grafitowy pojemnik osłonny z plutonem-238 znajdujący się we wnęce z wyposażeniem eksperymentu ALSEP członu zniżania modułu księżycowego, nie uległ spaleniu i zatonął w rowie oceanicznym Tonga znajdującym się w południowej części Pacyfiku. Największa głębia rowu wynosi 10 882 metry. Późniejsze badania nie wykazały zwiększonej radioaktywności w tym regionie.

Uwagi

  1. ↑ Radioizotopowe urządzenia grzewcze są to małe urządzenia dostarczające w sposób ciągły ciepło pochodzące z rozpadu promieniotwórczego pierwiastków. Czas skutecznej pracy RUG może wynosić dziesiątki i setki lat. W statkach kosmicznych RUG są konieczne do ogrzewania komponentów i podsystemów wrażliwych na temperaturę.

Przypisy

  1. ↑ John E. Jones, Jr. „Process for producing ultra-pure plutonium-238”, patent US 6896716.
  2. ↑ a b c Plutonium Shortage Could Stall Space Exploration [dostęp 2011-03-10].
  3. ↑ Commonly asked questions about radioisotope power systems – space batteries – July 2005 [dostęp 2011-03-10].
  4. ↑ Restart of Domestic Plutonium-238 (Pu-238) Production [dostęp 2011-03-10].
  5. ↑ NASA znowu produkuje pluton.
  6. ↑ Nuclear power: Desperately seeking plutonium.

Media użyte na tej stronie

Plutonium pellet.jpg
Plutonium-238 pellet under its own light. Pu-238, with a half-life of 87.7 years, is being used in space applications requiring a power source with a long service life. Pu-238 has a relatively high heat production rate which makes it useful as a power source. As a power and heat source, Pu-238 has also been used to power instruments left on the Moon by Apollo astronauts, navigation and weather satellites, and interplanetary probes. The interplanetary probe Pioneer-10, powered by a Pu-238 source, recently left the solar system. Image ID: 2006407