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Autor Thema: Plutonium für RTG  (Gelesen 14560 mal)

Offline Martin

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #25 am: 15. Juni 2010, 09:01:25 »
Soweit ich mal gelesen habe machen die Amerikaner aus dem Plutonium abgerüsteter Atomwaffen Brennstoff für AKWs.
Es sollte doch möglich sein auch was für die Raumfahrt abzuzwacken...

Gruß
Michael

Etwas OT, aber die USA verwenden derzeit kein Plutonium aus Waffen fuer Kernkraftwerke. Die etwa 14.000 Plutoniumkerne aus alten Waffen lagern in der PANTEX Anlage bei Amarillo, Texas. Hochangereichertes Uran wird allerdings zivil wiederverwendet.

Die Herstellung von 238Pu fuer RTG ist weiter vorn im Thread beschrieben, sie ist wesentlich komplizierter als fuer 239Pu.

Martin
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Offline Starboard

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #26 am: 15. Juni 2010, 09:07:57 »
Hallo Martin,

in Wikipedia scheint dann ein Fehler zu sein:

Zitat
In der PANTEX-Anlage werden nicht nur Kernwaffen produziert, sondern auch amerikanische und russische Kernwaffen demontiert und zu Brennelementen für Atomkraftwerke umgewandelt.

http://de.wikipedia.org/wiki/Amarillo

Offline Martin

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Offline Martin

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #28 am: 19. Juni 2010, 11:37:28 »
Ist zwar wieder OT, aber um das nicht falsch stehen zu lassen: ein Teil des US 239-Plutonium scheint doch zu MOX verarbeitet bzw. es ist geplant, dies zu tun.

http://de.wikipedia.org/wiki/Pantex
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Offline Pirx

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #29 am: 19. Juni 2010, 12:32:20 »
Lt. http://usgovinfo.about.com/od/defenseandsecurity/a/nukesapart.htm soll Pu aus Atomwaffen in MOX-Brennstoff verwendet werden, der in einer Fabrik in Savannah River, die 2007 in Bau war, erzeugt wird. Bei Pantex werden zuvor die Pu-Kerne aus den Waffen entnommen.

Lt. http://www.moxproject.com/files/MOX%20The%20future%20of%20SRS.pdf soll die MOX-Anlage in Savannah River 2015 fertiggestellt und bereit für den Testbetrieb sein. 2018 könnten die Brennstofflieferungen an die Kunden beginnen.

Gruß   Pirx

Offline Rücksturz

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #30 am: 28. Dezember 2015, 19:12:47 »
"USA: Plutonium-238-Probe für NASA produziert
Das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) gab am 22. Dezember 2015 bekannt, dass man eine Probe von rund 50 Gramm Plutonium-238 produziert habe. Die Herstellung des Materials erfolgte im Rahmen eines maßgeblich von der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtagentur (NASA) finanzierten Programms zur Herstellung des Materials für Raumfahrtanwendungen."

Weiter im Portal mit einem Artikel von Thomas Weyrauch:
http://www.raumfahrer.net/news/raumfahrt/28122015122433.shtml

LG
Rücksturz
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Offline Lumpi

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #31 am: 10. Oktober 2017, 14:28:43 »
Laut GAO (Government Accountability Office) Bericht befindet sich das DOE (Department of Energy) mit der Pu-238-Produktion noch immer im Versuchsstadium. Bisher wurden nur etwa 100 Gramm neu produziert und weitere 100 Gramm sollen in den nächsten Monaten dazu kommen. Für 2019 wird erwartet, dass jährlich etwa 300 - 450 Gramm produziert werden können. Das Ziel von 1,5 kg Pu-238 pro Jahr wird wohl erst 2025 erreicht. Derzeit gibt es nur noch genügend Plutonium für den 2020 Mars-Rover und für eine weitere Mission jenseits von Jupiter.
https://www.businessinsider.com.au/nasa-nuclear-battery-plutonium-238-production-shortage-2017-8?r=US&IR=T
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Offline Dominic

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #32 am: 10. Oktober 2017, 16:31:36 »
Nochmal zum allgemeinen Verständnis: Warum ist die Herstellung von Plutonium für RTG so schwierig und was unterscheidet es von "normalem" Plutonium das in Bomben verwendet oder in Kernkraftwerken verwertet werden kann?

Natürliches Uran besteht zu etwa 99,3% aus dem Isotop 238U und zu etwa 0,7% aus dem Isotop 235U. Nur letzteres ist durch thermische Neutronen in einem Kernreaktor spaltbar.

Trifft ein Neutron auf das Isotop 238U kann es von diesem eingefangen werden, es bildet sich das kurzlebige Isotop 239U. Nach einer Halbwertszeit von etwa 24 Minuten zerfällt dieses per Betazerfall zu Neptunium, 239Np, dieses wiederum zerfällt ebenfalls per Betazerfall mit einer Halbwertszeit von etwa zwei Tagen zu Plutonium, 239Pu.

Dieses 239Pu ist gut thermisch spaltbar, es ist das "normale" Plutoniumisotop das wir aus Kernreaktoren und Bomben kennen. Für RTG ist es aber kaum brauchbar. Seine Halbwertszeit von 24110 Jahren bedingt eine sehr kleine Zerfallswärmeleistungsdichte. Denkbar wäre allenfalls ein "geboosteter" RTG -eine Erklärung würde wohl zu weit führen- oder eben ein Reaktor mit 239Pu als Brennstoff; in beiden Fällen wäre aber eine schwere Abschirmung erforderlich was vor allem im Leistungsbereich unter etwa 1kW problematisch ist, bei größeren Leistungen zunehmend weniger (es gibt eine logarithmische Abhängigkeit zwischen Reaktorleistung und Abschirmaufwand).

Wesentlich geeigneter ist das Plutoniumisotop 238Pu mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren und einer im Vergleich zu 239Pu etwa 300 mal so großen Zerfallswärmeleistungsdichte. Aber wie bekommt man das?

Für die Herstellung von 238Pu muss man zunächst das Neptuniumisotop 237Np mit Neutronen bestrahlen. Das ist nicht ganz unproblematisch. Bestrahlt man das 237Np mit Neutronen entsteht zunächst 237Np welches nach etwa 2 Tagen wiederum durch Betazerfall zu 238Pu wird- aber bestrahlt man die Probe zu lange wandelt sich das 238Pu seinerseits zu 239Pu um was man natürlich nicht möchte. Man muss das Neptunium daher regelmäßig aufbereiten also das bereits gebildete 238Pu chemisch abtrennen und das 237Np wieder in den Reaktor einsetzen. Weil das Pu-238 hochgradig radiotoxisch ist müssen alle Arbeiten in speziellen Handschuhkästen ausgeführt werden.

Um genügend Neutronen zu bekommen und in einer gegebenen Zeit eine makroskopische Menge zu produzieren braucht man auch einen ziemlich leistungsstarken Reaktor.

Um das alles machen zu können braucht man natürlich auch erstmal 237Np. Dieses entsteht in seltenen Fällen beim Einfang eines schnellen Neutrons im 238U in einem Kernreaktor. Es kommt dann zu einer sogenannten n-2n Reaktion bei der der Einfang des Neutrons zur Emission zweier Neutronen führt. Es entsteht zunächst das kurzlebige 237U das anschließend per Betazerfall zu 237Np wird. Dank dieser Reaktion entstehen einige hundert Gramm 237Np pro Jahr im Brennstoff normaler Kernkraftwerke- man kann es anschließend bei der Wiederaufbereitung abtrennen. In kommerziellen Wiederaufbereitungsanlagen wird allerdings auf die Abtrennung des 237Np verzichtet weil diese unökonomisch ist, das 237Np landet zusammen mit den Spaltprodukten im verglasten Abfall bzw. im Endlager.

In der Vergangenheit, also bis in die 1990er Jahre, erfolgte die Herstellung von 238Pu quasi als Nebenprodukt der militärischen Produktion von 239Pu für Kernwaffen. In militärischen Wiederaufbereitungsanlagen wurde das 237Np aus dem abgebrannten Brennstoff militärischer Plutonium-Brutreaktoren abgetrennt und anschließend zur Erzeugung von 238Pu wieder in die selben Reaktoren eingeführt. Die chemische Abtrennung des 238Pu erfolgte in den radiometallurgischen Laboratorien dieser Anlagen.

Allerdings: Diese Anlagen gibt es heute nicht mehr. Es gibt keine militärischen Wiederaufbereitungsanlagen mehr die 237Np abtrennen, es gibt keine militärischen Plutonium-Brutreaktoren mehr in die man einfach im laufenden Betrieb 237Np Proben zur Bestrahlung einführen und entnehmen kann, es gibt die angeschlossenen radiometallurgischen Laboratorien nicht mehr, die ganze milliardenteure Infrastruktur die man bei der 238Pu Produktion mitbenutzen konnte existiert nicht mehr. Jedenfalls nicht in den USA.

Man muss daher quasi das Rad neu erfinden. 237Np hat man -vorerst- wohl wenigstens noch genug. Leistungsstarke Forschungsreaktoren für die Bestrahlung des 237Np gibt es nur wenige und sie werden auch für andere Anwendungen gebraucht. Die Bestrahlung in Kernkraftwerken ist prinzipiell möglich aber nicht ganz unproblematisch, jedenfalls in normalen Durck- und Siedewasserreaktoren. Zur Zeit wird wohl erwogen Bestrahlungen in kanadischen Kernkraftwerken mit CANDU Reaktoren durchzuführen. Für die Abtrennung des 238Pu vom 237Np braucht man auch neue Laboratorien bzw. muss vorhandene adaptieren, natürlich verbunden mit aufwendigen Genehmigungen.


Daher ist die 238Pu Produktion heute weit teurer und aufwendiger als noch vor ein paar Jahrzehnten und daher sind die Produktionskapazitäten vergleichsweise bescheiden. Will man wesentlich mehr als die angestrebten 1,5kg pro Jahr produzieren wird es noch wesentlich teurer und aufwendiger, auch weil dann irgendwann auch das 237Np knapp wird. 1,5kg/Jahr bedeuten auch kein Ende der Knappheit, man bedenke das Cassini 30kg beispielsweise an Board gehabt hat und bei Raumsonden mit modernen elektrischen Antrieben wäre der Leistungsbedarf und damit der Plutoniumbedarf fallweise noch deutlich höher.

Ich halte es daher fast für unumgänglich mittelfristig den Einsatz von Plutonium-RTGs auf Missionen zu konzentrieren die es unbedingt brauchen, etwa Rover. Ansonsten sollte/muss soweit wie möglich auf Photovoltaik oder auf Kernreaktoren zurückgegriffen werden. Die NASA scheint das erkannt zu haben Europa Clipper hätte man etwa vor ein paar Jahren sicher noch mit RTG umgesetzt, mit "Kilopower" sind auch kleine Kernreaktoren für die Versorgung von Raumsonden in Entwicklung.

Die Russen leiden übrigens unter ähnlichen Problemen. Soweit ich weiß haben sie zwar noch gewisse Produktionskapazitäten erhalten aber auch sie können im Vergleich zu den 1980ern wahrscheinlich nur einen Bruchteil produzieren. Gleichzeitig ist ihr Eigenbedarf vermutlich gestiegen, insgesamt bleibt wohl nicht viel für den Export, die schlechten politischen Beziehungen mit den USA sind für den Plutoniumexport sicher auch nicht förderlich. Insgesamt haben die Russan aber mehr Infrastruktur die sie entsprechend adaptieren könnten sodass die Prodkution relativ leicht, schnell und billig gesteigert werden könnte. Sie haben mehr als genug gut geeignete Reaktoren, eine große Wiederaufbereitungsanlage die fähig ist 237Np abzutrennen und große radiochemische Laboratorien zum Teil in räumlicher Nähe zu den entsprechenden Reaktoren.

Offline pilotace

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #33 am: 12. Oktober 2017, 12:54:30 »
Dominic, ein dickes DANKE für diese überaus interessante Zusammenfassung, klasse! :)
Das Copyright aller meiner Fotos liegt ausschließlich bei mir. Die Fotos dürfen ausschließlich zu privaten Zwecken verwendet werden, eine Veröffentlichung in jeglicher Form bedarf meiner vorherigen Zustimmung.

Offline R2-D2

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #34 am: 12. Oktober 2017, 16:51:51 »
Danke auch von mir für die Beschreibung.

Eine kleine Korrektur:
[..]
Für die Herstellung von 238Pu muss man zunächst das Neptuniumisotop 237Np mit Neutronen bestrahlen. Das ist nicht ganz unproblematisch. Bestrahlt man das 237Np mit Neutronen entsteht zunächst 237Np welches nach etwa 2 Tagen wiederum durch Betazerfall zu 238Pu wird [..]
Nach dem Beschuss von 237Np mit einen Neutron sollte allerdings 238Np entstehen...
« Letzte Änderung: 12. Oktober 2017, 20:42:03 von R2-D2 »

Offline MpunktApunkt

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #35 am: 12. Oktober 2017, 18:48:33 »
Hallo,

auch von mir vielen Dank für die interessante Erklärung zum Plutonium für einen RTG. Nuklearchemische Prozesse finde ich als Chemiker schon immer sehr interessant, wenn ich auch nie damit in Kontakt gekommen bin.

Das Neptunium mit Neutronen bestrahlen und dann das Plutonium abtrennen muss wohl einer der giftigsten Arbeitsplätze auf der Welt sein.

Viele sehr dankbare Grüße

Mario
Wenn Du heute morgen schon sechs unmögliche Dinge getan hast, warum dann nicht als siebentes zum Frühstück ins Milliways, das Restaurant am Ende des Universums?

Offline Doc Hoschi

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #36 am: 12. Oktober 2017, 19:44:31 »
Derzeit gibt es nur noch genügend Plutonium für den 2020 Mars-Rover und für eine weitere Mission jenseits von Jupiter.

Ich wundere mich etwas woher der Business Insider diese Info hat, da das DoE hier im Jahr 2015 noch von drei MMRTGs gesprochen hat (eines für den Mars Rover und zwei (!) für fiktive 2024-Missionen).

Um den Inhalt der DoE-Präsentation hinsichtlich der NASA-Vorräte mal noch in Zahlen zusammenzufassen:

Gegenwärtiger Vorrat: 35 kg 238Pu
Davon erfüllen wohl nur noch 17 kg die thermischen NASA-Spezifikationen zur Verwendung innerhalb eines RTGs.
Nach den oben genannten drei Missionen werden insgesamt nur noch 21 kg vorrätig sein, davon 4 kg innerhalb der NASA-Spezifikationen. Das könnte u.U. gerade noch für ein weiteres MMRTG reichen.

Was auch möglich erscheint, wäre die noch übrigen 17 kg, die dann außerhalb der NASA-Spezifikationen liegen, mit frisch erzeugtem 238Pu zu vermischen (blending), sodass diese Mischung dann die NASA-Spezifikationen erfüllt. Laut dem GAO werden Strategien hierfür untersucht. Das würde auch etwas den Druck von der Nachproduktion nehmen.

Was auch noch interessant zu erwähnen ist, ist dass der Business Insider schreibt, dass das DoD einen eigenen Vorrat an 238Pu besitzt und die NASA ihren Vorrat an 238Pu im Bedarfsfall sogar umgehend an das DoD abgeben müsste... ???

@Dominic: Auch von mir ein danke. Sehr interessant zu lesen.

Douglas Adams: "In an infinite universe, the one thing sentient life cannot afford to have is a sense of proportion."

Offline Lumpi

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #37 am: 13. Oktober 2017, 12:49:41 »
Ich wundere mich etwas woher der Business Insider diese Info hat, da das DoE hier im Jahr 2015 noch von drei MMRTGs gesprochen hat (eines für den Mars Rover und zwei (!) für fiktive 2024-Missionen).

Für manche Missionen nach "jwd" sind halt mehrere Radioisotopenelemente notwendig. Cassini benutzte z.B. 3 GPHS-RTG's, Galileo 2 GPHS-RTG's, Voyager 1+2 haben je 3 MHW-RTG's...
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Offline Dominic

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Re: Plutonium für RTG
« Antwort #38 am: 16. Oktober 2017, 01:25:20 »
Zitat
Was auch noch interessant zu erwähnen ist, ist dass der Business Insider schreibt, dass das DoD einen eigenen Vorrat an 238Pu besitzt und die NASA ihren Vorrat an 238Pu im Bedarfsfall sogar umgehend an das DoD abgeben müsste... ???

Ja, das 238Pu wird auch für militärische Anwendungen benötigt. Damit lassen sich etwa kleine passiv-Sonarstationen mit Energie versorgen. In den 1960er Jahren setzte die CIA 238Pu betriebene autonome Beobachtungsstationen ein um chinesische Raketen- und Nuklearaktivitäten zu überwachen; das ähnliche Anwendungen in jüngerer Vergangenheit nicht bekannt wurden heißt natürlich nicht das es sie nicht gibt.

Der 238Pu Bedarf des Verteidigungsministeriums ist insgesamt vermutlich unstetig und stark schwankend. Vermutlich liegt er nur in der Größenordnung von einigen hundert Gramm pro Jahr, vielleicht sogar darunter aber bei der derzeitigen Versorgungslage ist das auch nicht wenig.

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