У Британии есть уникальная проблема - крупнейший в мире склад гражданского плутония.
Созданные за семь десятилетий, почти 140 тонн радиоактивного металла находятся в безопасном хранилище в Селлафилде и официально классифицируются как ядерные отходы.
Однако это потенциальное топливо для атомных электростанций страны, но не в его нынешнем виде. Вопрос в том, что делать с плутонием в Великобритании, преследовал сменяющие друг друга правительства.
Трофей победителя в аэрокосмической категории этого года достался Ричарду Амбрози из Университета Лестера, который руководил сотрудничеством с Национальной ядерной лабораторией Великобритании (NNL) по извлечению топлива из накопленного плутония, которое могло бы стимулировать исследование человечеством далекой солнечной системы.
Большинство космических зондов питаются от фотоэлектрических элементов, но солнечная энергия подходит не для всех исследовательских миссий. Глубоко в солнечной системе расстояние от Солнца настолько велико, что его лучи слишком слабы, чтобы обеспечить достаточное количество энергии. Сложные системы охлаждения, необходимые для поддержания работоспособности космического корабля, требуют больше энергии, чем могут обеспечить солнечные батареи. На планетах и лунах с плотным облачным покровом солнце может вообще не проникать на поверхность.
В этих случаях инженеры используют ядерную энергетику.
Устройство, называемое радиоизотопным термоэлектрическим генератором (RTG), состоящим из фрагмента радиоактивного материала, который нагревается в результате ядерного разложения. Один конец термопары прикреплен к горячему материалу, а другой поддерживается при гораздо более низкой температуре окружающей среды космического корабля. Разница температур заставляет ток течь от горячего к холодному.
RTG чрезвычайно надежны: они приводят в действие датчики Voyager на протяжении десятилетий, а в марсоходе Curiosity НАСА имеется такой,что позволяет машине работать в марсианскую ночь. Обычно они используют плутоний 238 (238Pu) в горячем компоненте. Но этого изотопа в дефиците, и он производится только в специализированных ядерных реакторах. Европейское космическое агентство (ESA), которое в настоящее время не эксплуатирует ни одного космического корабля, работающего на RTG, в 2009 году решило, что оно будет развивать свои собственные идеи, в частности миссии по исследованию дальнего космоса, и в рамках этого NNL связался с командой Амбрози в Лестере, которые являются специалистами в технологии RTG.
Амбрози объяснил Инженеру, что запас плутония, полученный в результате переработки ядерного топлива, является очевидным выбором источника топлива RTG.
«Изотоп плутония, который он содержит, сам по себе не подходит, но при хранении его естественное разложение загрязняет его америцием 241 (241 am). Если вы хотите затем использовать плутоний на атомной электростанции, вам все равно придется извлекать америций, чтобы очистить плутоний».
«Был какой-то брак, спровоцированный программой, финансируемой ЕКА», - продолжил Амбрози, - «В Лестере мы сосредоточены в основном на том, как вы берете тепло и превращаете его в электроэнергию. И сейчас мы сосредоточены на разработке фактического источника тепла. Для нас было очень разумно работать совместно, потому что мы оба были вовлечены в общую цель программы ESA по разработке новой технологии производства электроэнергии для космических применений. Космический проект стал важным катализатором в развитии процесса химического разделения, который позволяет затем извлекать америций из плутония».
«Это относительно простой химический процесс», - объяснил коллега Амбрози Крис Бикнелл. «Плутоний растворяется, и Национальная ядерная лаборатория разработала запатентованный процесс, который позволяет выделять америций из этого раствора. И тогда вы сможете собрать этот америций, а из этого получится керамический порошок, который затем можно превратить в таблетку ». Эта консолидированная керамическая таблетка становится горячей стороной RTG в космическом корабле.
241Am подходит для использования в RTG, но не является прямой заменой 238Pu. Хотя период его полураспада составляет более 400 лет, его удельная мощность составляет всего четверть от 238Pu, и он требует большего экранирования.
Специально для этого проекта команда Лестера разработала технологию термоэлектрического преобразования со специальной геометрией для термоэлектрических модулей, разработанной для максимизации разницы температур между таблеткой 241Am и внешней средой. Элементом, который преобразовывал разницу температур в электрический ток, был полупроводник на основе теллурида висмута, и в начале этого года команда продемонстрировала, что он может производить достаточно тока для работы электрического света.
Команда Лестера разработала новую технологию спарк-плазменного спекания для синтеза теллурида висмута и подключила конденсаторную систему накопления электроэнергии к генератору, который служил источником света.
Читайте «Куб Земекиса», ставьте «Палец вверх» и подписывайтесь на канал. Пока.