В феврале 2019 года в Ричланде (США) прошла конференция американского ядерного общества, посвящённая различным вопросам применения ядерных технологий в космосе.
В одном из докладов (авторы - Д.Крамер и др.) был рассмотрен вопрос о выборе изотопов для РИТЭГов, которые могут применяться в программах по исследованию ледяных спутников Солнечной системы.
Поверхность ледяных спутников состоит, в основном, из водяного льда. Есть гипотезы, что под этой поверхностью может находиться океан, пригодный для некоторых форм жизни. Один из наиболее известных ледяных спутников - Европа, спутник Юпитера, открытый Галилеем.
В планах НАСА на далёкую перспективу - отправить на Европу зонд, способный пробурить километры льда и добраться до подлёдного океана.
Решение этой задачи станет весьма энергоёмким для космоса. Предварительные расчёты показывают, что для бурения льда понадобится тепловая мощность порядка 7,5 кВт(т). Если по-прежнему ориентироваться на РИТЭГи из плутония-238, то загрузка по 238PuO2 составит 17-18 кг, что очень много.
Авторы доклада на конференции в Ричланде рассмотрели альтернативные варианты источников для РИТЭГов для миссий, подобных бурению на Европе.
Изотопные генераторы в таких миссиях должны сохранять работоспособность и обеспечивать выдачу энергии в требуемых объёмах на протяжении многих лет. Так, для миссии на Европе в статье было принято, что бурение начнётся спустя 10 лет после запуска космического аппарата с Земли и продлится пять лет.
Теоретически подобным условиям работы отвечают сотни радиоизотопов. Но есть набор требований, который резко сокращает список претендентов, и требование по периоду полураспада - лишь одно из них. Изотоп должен быть доступен, должна быть отработана технология получения образцов с нужными удельными активностями, а также технология производства изотопа в неметаллической форме. Кроме того, желательно, чтобы изотоп был альфа- или бета-излучателем с низкими энергиями гамма-квантов.
Авторы доклада выбрали для более детального анализа семь возможных кандидатов. В их числе как освоенный в космосе плутоний-238, так и более экзотические варианты - например, кюрий-244.
У функции, связывающей для требуемой мощности массу изотопа с его периодом полураспада, есть минимум, соответствующий оптимальному выбору изотопа как источника для РИТЭГов.
Ниже приводится график для мощности 7,5 кВт(т) для 15-летней миссии - правда, рассчитанный авторами с большим количеством приближений. Если взять график за основу, то очевидно, что один из лучших выборов изотопа - кюрий-244.
Изотоп 244Cm рассматривался в 60-70-ые годы как изотоп для космических РИТЭГов, но проиграл тогда конкуренцию плутонию-238. Наиболее вероятно, что его отвергли по причине малого периода полураспада. Но для проекта по бурению на Европе данный фактор работает в плюс - кюрия-244 потребуется в четыре раза меньше по массе, чем плутония-238 (4,5 кг против 18 кг).
В Окридже выполнен комплекс работ по изучению свойств 244Cm с точки зрения его применения в изотопных генераторах. В частности, изучались возможности получения кюрия-244 из ОЯТ, долговременная совместимость оксида 244Cm2O3 с различными материалами при высоких температурах, вопросы производства таблеток из 244Cm2O3, а также вопросы, касающиеся выхода гелия из 244Cm2O3. Полученные результаты позволяют рассуждать о кюрии-244 как о привлекательном кандидате для использования в полёте на Европу.
Ещё лучше с точки зрения требования по массе выглядит уран-232. Сам по себе, данный изотоп обладает достаточно большим периодом полураспада (по данным из чарта МАГАТЭ, это 68,9 лет). Но продуктом распада является торий-228 (1,9 лет), и такая комбинация позволит сократить требуемую массу начальной загрузки урана-232 до 2 кг - если, конечно, будут решены все связанные технические проблемы.
А кандидатом, требующим минимальной массы, оказался полоний-208. Между прочим, он был одним из первых изотопов, на которые обратили внимание в космической отрасли. В 50-ые годы в США стартовала программа по наработке 208Po на ускорителях по реакции 209Bi(p,2n)208Po. Ускорительная техника той эпохи оставляла желать лучшего, и программа была свёрнута из-за малых объёмов наработки. Сегодня возможности ускорителей, несомненно, стали выше.
Преимущество полония-208 состоит в том, что он практически чистый альфа-излучатель с минимальным гамма-излучением. Основной недостаток, по мнению докладчиков - недостаточно изученная химия оксидов 208Po. Если химики дадут добро, то для миссии по бурению на Европе может понадобиться всего 1,6 кг этого изотопа.