Na zijn lange reis naar Mars die deze zomer begon, NASA's Perseverance-rover zal gedeeltelijk over het aardoppervlak worden aangedreven door plutonium dat wordt geproduceerd in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.

"Mars 2020 zal de eerste NASA-missie zijn die door ORNL geproduceerd plutonium-238 gebruikt, " zei Alan Iceenhour, associate laboratoriumdirecteur voor nucleaire wetenschap en techniek bij ORNL. "Deze prestatie vertegenwoordigt talloze uren werk door toegewijde ORNL-medewerkers, en het is de moeite waard om dit werk tot wasdom te zien komen. NASA helpen bij zijn missie naar Mars is een belangrijk moment in de geschiedenis van het lab."

Net als andere rovers op deep-space missies, De reiskracht van Perseverance op Mars komt van thermo-elektrische generatoren die elektriciteit opwekken uit warmte die wordt gegenereerd door het verval van plutonium-238 in de vorm van oxide-keramische pellets. Pu-238 produceert warmte als het vergaat, en de multi-missie radio-isotoop thermo-elektrische generator van de rover zet die warmte om in elektriciteit om de lithium-ionbatterijen op te laden die de rover bewegen en de instrumenten aan te drijven die hij zal gebruiken op het oppervlak van de Rode Planeet.

Pu-238 is ideaal voor reizen door de ruimte vanwege de lange halfwaardetijd van bijna 88 jaar, maar het was schaars. Eerder, de Amerikaanse voorraad bestond voornamelijk uit Pu-238 geproduceerd in de Savannah River kerncentrale in de late jaren 1980, die sindsdien aan het vergaan is. Maar de Amerikaanse productie van Pu-238 eindigde meer dan 30 jaar geleden.

Daarom was 2015 een mijlpaal voor ORNL:de eerste nieuwe productie van Pu-238 in de Verenigde Staten in bijna drie decennia. Sinds dat eerste succes, het lab heeft zijn productiemogelijkheden voor Pu-238 consequent verhoogd, streven naar een productie van 1,5 kilogram per jaar in 2026.

"We hebben een geschiedenis van 50 jaar in het bestralen van doelen en het produceren van radio-isotopen, " zei Robert Wham van ORNL, Pu-238 Supply Programmamanager. "Met de middelen die we hier hebben, is ORNL zeer geschikt om de voorraad Pu-238 van het land te produceren. We hebben veel wetenschappers en ingenieurs in het hele laboratorium die bij deze inspanning betrokken zijn, en het is heel opwindend voor hen om bij te dragen aan de verkenning van de ruimte."

Het is geen gemakkelijk proces, en ORNL, DOE's Office of Nuclear Energy en NASA hebben tijd geïnvesteerd, geld, onderzoek en slimme koppen om het te verbeteren. ORNL ontvangt neptunium-237 grondstof van Idaho National Laboratory, die de inventaris van de natie opslaat. Eenmaal bij ORNL, het neptuniumoxide wordt gemengd met aluminium en tot pellets geperst. Volgende, de korrels worden in buizen gedaan en bestraald in ORNL's Hoge Flux Isotopen Reactor, waardoor het neptunium transmuteert in Pu-238.

De pellets worden verplaatst naar afgeschermde hete cellen in het Radiochemical Engineering Development Center van ORNL. Daar, de Pu-238 wordt door een reeks chemische processen van het neptunium gescheiden, omgezet in een oxidepoeder, en vervolgens verscheept naar Los Alamos National Laboratory voor fabricage tot keramische pellets voor de thermo-elektrische generator. Overgebleven neptunium wordt gerecycled om meer Pu-238 te maken.

HFIR kan tot 6 bestralen, 800 gram neptunium per jaar in batches die twee tot drie maanden in de reactor blijven. INL's geavanceerde testreactor bestraalt ook op beperkte basis kleine hoeveelheden neptunium en staat gepland voor een make-over volgend jaar, waardoor de capaciteit om ook Pu-238 te produceren zal toenemen.

Het programma heeft geautomatiseerde systemen geïnstalleerd om de Np-237-doelpellets te persen en te meten. Wham zei dat het automatiseren van het hele proces het laboratorium in staat heeft gesteld de productie van pellets aanzienlijk te verhogen, helpen om de output van Pu-238 meer dan te verdrievoudigen. Onderzoekers kijken naar manieren om monitoring op de lijn te gebruiken om chemische verwerkingsstappen in de hete cellen te testen en te evalueren. tijdwinst en materiaalbesparing bij het nemen van monsters uit de hete cellen voor analyse.

Aanvullend, er wordt nieuwe apparatuur gemaakt om de fabricage van de doelen die in HFIR worden bestraald, te verbeteren. ORNL bemant de operaties zodat het proces 24 uur per dag kan doorgaan.

Een deel van ORNL's Pu-238 werd gecombineerd met de bestaande voorraad van Los Alamos voor de Mars 2020-missie. ORNL heeft extra elementen bijgedragen aan Perseverance, inclusief het produceren van de met iridiumlegering beklede ventilatiesets van de rover, die vrijwel onverwoestbare metalen bekers zijn die de Pu-238-brandstof bevatten, en de koolstofgebonden koolstofvezelisolatie die de brandstofbekleding omringt.