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钚-238为火星上的毅力提供动力

在今年夏天开始的漫长火星之旅之后,美国国家航空航天局(NASA)的“毅力号”(Perseverance)漫游者将在火星表面使用能源部(Department of Energy)的橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)生产的钚作为部分动力。

“火星2020将是NASA第一个使用NASA制造的钚-238的任务,”NASA核科学与工程实验室副主任艾伦·伊肯霍尔(Alan Icenhour)说。“这项成就代表了专业的ORNL员工花了无数时间的努力,看到这项工作取得成果是很值得的。”帮助NASA完成火星任务是该实验室历史上的重要时刻。”

和其他执行深太空任务的漫游者一样,“毅力”号在火星上的旅行动力来自热电发电机,这种发电机通过氧化陶瓷球形式的钚-238衰变产生的热量来发电。238在衰变时会产生热量,探测器的多任务放射性同位素热电发电机将热量转化为电能,为锂离子电池充电,推动探测器移动,并为探测器在火星表面使用的仪器提供动力。

由于Pu-238的半衰期很长,接近88年,因此它是深太空旅行的理想选择,但它一直供不应求。此前,美国储备的主要是上世纪80年代末萨凡纳河核电站生产的Pu-238,此后一直在衰变。但是,美国在30多年前就停止了Pu-238的生产。

这就是为什么2015年对ORNL来说是一个里程碑:这是近30年来首次在美国生产新的Pu-238。从最初的成功开始,实验室一直在不断提高其Pu-238的生产能力,目标是到2026年每年生产1.5公斤。

“我们有50年的辐射目标和生产放射性同位素的历史,”ORNL的Robert Wham说,他是Pu-238供应项目经理。他说:“我们在这里拥有的资源使ORNL非常适合生产这个国家供应的Pu-238。我们实验室有很多科学家和工程师参与这项工作,他们为太空探索做出贡献非常令人兴奋。”

这不是一个简单的过程,ORNL,能源部的核能办公室和NASA已经投入了时间,金钱,研究和聪明的头脑来改善它。ORNL从储存全国库存的爱达荷国家实验室获得neptum -237原料。一旦进入ORNL,将氧化镎与铝混合并压成球团。接下来,这些微丸被放入试管,在ORNL的高通量同位素反应堆中进行辐射,从而使镎转化为pul -238。

球团被移动到ORNL的放射化学工程开发中心的屏蔽热电池中。在那里,通过一系列的化学过程,将Pu-238从镎中分离出来,转化为氧化物粉末,然后运到洛斯阿拉莫斯国家实验室,将其加工成用于热电发电机的陶瓷球。剩下的镎被循环利用来制造更多的Pu-238。

HFIR每年可照射多达6800克的镎,分批分批地在反应堆中停留两到三个月。INL的先进测试反应堆也在有限的基础上放射少量的镎,并计划在明年进行改造,以提高其生产Pu-238的能力。

该项目安装了自动系统来压下和测量Np-237靶丸。威猛表示,整个过程的自动化使实验室能够显著提高颗粒的产量,帮助将Pu-238的产量提高了两倍以上。研究人员正在寻找利用在线监测的方法来测试和评估热电池中的化学处理步骤,节省时间和从热电池中提取样品进行分析所需的材料。

此外,正在制造新设备以改进HFIR辐射目标的制造。ORNL是人员配置操作,这样流程可以一天24小时持续。

ORNL的一些Pu-238与洛斯阿拉莫斯现有的火星2020任务补给相结合。ORNL公司为火星车的坚持不懈贡献了更多的元素,包括制造了铱合金包层的排气口装置,它实际上是坚不可摧的金属杯,里面装有Pu-238燃料,以及包裹燃料包层的碳粘结碳纤维绝缘材料。

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