Nukleartechnik für die Raumfahrt

Vier kg Americium überholen laut der Grafik nach 75 Jahren ein kg Plutonium in der elektrischen Leistung. Solche Zeiträume sind bei interplanetaren Missionen irrelevant. Es muß also wohl der günstigere Materialpreis sein. Wikipedia nennt 1500 $/g für Americium 241, wieviel kostet Plutonium 238?

Es wäre interessant, die Ersparnisse in Relation zu den Startkosten zu setzen. Gerade bei Missionen ins äußere Sonnensystem, die RTGs benötigen, sind die heftig hoch.

Vier kg Americium überholen laut der Grafik nach 75 Jahren ein kg Plutonium in der elektrischen Leistung. Solche Zeiträume sind bei interplanetaren Missionen irrelevant. Es muß also wohl der günstigere Materialpreis sein. Wikipedia nennt 1500 $/g für Americium 241, wieviel kostet Plutonium 238?

Es wäre interessant, die Ersparnisse in Relation zu den Startkosten zu setzen. Gerade bei Missionen ins äußere Sonnensystem, die RTGs benötigen, sind die heftig hoch.

Wieso?
Gerade beiden Voager Sonden wäre jetzt noch eine volle Leistung recht interessant.

Mfg Collins

Eben, man sollte nicht vom heutigen Stand zu schnell auf morgen schließen. Neue Technologien eröffnen neue Möglichkeiten ... wer weiß was für eine Mission man dann in 20 Jahren bastelt.

Zitat von: Major Tom am 27. Juli 2013, 21:15:30

Vier kg Americium überholen laut der Grafik nach 75 Jahren ein kg Plutonium in der elektrischen Leistung. Solche Zeiträume sind bei interplanetaren Missionen irrelevant. Es muß also wohl der günstigere Materialpreis sein. Wikipedia nennt 1500 $/g für Americium 241, wieviel kostet Plutonium 238?

Es wäre interessant, die Ersparnisse in Relation zu den Startkosten zu setzen. Gerade bei Missionen ins äußere Sonnensystem, die RTGs benötigen, sind die heftig hoch.

Wieso?
Gerade beiden Voager Sonden wäre jetzt noch eine volle Leistung recht interessant.

Ist nicht auch ein großes Problem, dass die Thermoelemente an Leistung verlieren?

Gut, da wird man nicht viel dran ändern können, außer neue Materialien suchen...

Aber, welche elektrische Schaltung hält >75 Jahre?

Da müsste man auf Mikrochips verzichten, und stattdessen eine Analoge Schaltung verbauen.  Ist dann auch Strahlungsresistent - aber deutlich mehr Gewicht, und sehr aufwändig.

Ich denke wenn aus dem Programm etwas sinnvolles herauskommen sollte, dann müssen auch ASRGs in Betracht gezogen werden. Diese haben circa die vierfache Effizienz eines RTGs, und somit würde ein 241Am ASRG die Leistung eines 238Pu RTGs, wie wir ihn z. B. von MSL kennen, erbringen.

Zum Glück sind ASRGs auch Teil der Studie. Wollen wir mal hoffen dass es in die Richtung gehen wird!

Was mich interessieren würde: werden auch RHUs auf 241Am Basis untersucht? Ist das möglich? Das würde das mögliche Portfolio von z.B. Mondmissionen vergrößern. Somit müsste auch der Lunar Lander nicht krampfhaft die Anforderungen an die Landegenauigkeit hochschrauben.

Soweit ich mich erinnere, habe ich da von Millionen $ gelesen das die USA an Russland für Plutionium RTGs zahlt.
Ich vermute mal das man zumindest über 500k$/kg kommt, dann rechnet sich auch die höhere Masse

Mal ne ganz verrückte Idee,

was ist, wenn man das Plutonium mit Americium "streckt" ? Das wäre zum Einen billiger, und zum anderen hätte man folgenden Verlauf: Eine Spitze an verfügbarer Energie am Anfang, aber einen langsamereren Abfall danach.

Außerdem, wenn man 50:50 streckt, hat man nur die Hälfte an Gamma-Strahlung vom Americium.

Da es vermutlich so ist, das man eh nicht sehr viel an Masse braucht, spielt die nötige Abschirmung keine große Rolle.
Ach ja, das mit der Gammastrahlung wird wohl eh kein großes Problem werden, siehe hierhttp://de.wikipedia.org/wiki/Americium
Am241 ist fast nur ein Alphastrahler. Außerdem ist Pu238 wohl genauso ein Gammastrahler, beide haben Spontanzerfälle.

Mal ne ganz verrückte Idee,

was ist, wenn man das Plutonium mit Americium "streckt" ? Das wäre zum Einen billiger, und zum anderen hätte man folgenden Verlauf: Eine Spitze an verfügbarer Energie am Anfang, aber einen langsamereren Abfall danach.

Außerdem, wenn man 50:50 streckt, hat man nur die Hälfte an Gamma-Strahlung vom Americium.

Zu teuer. Die hohen Kosten bei der Produktion solcher Isotope sind vor allem durch Fixkosten der Produktion bestimmt. Wenn man also sowohl Am als auch Pu verwende, muss man fuer zwei Produktionsketten bezahlen. Es wird also nicht billiger, sondern teurer.

Da es vermutlich so ist, das man eh nicht sehr viel an Masse braucht, spielt die nötige Abschirmung keine große Rolle.
Ach ja, das mit der Gammastrahlung wird wohl eh kein großes Problem werden, siehe hierhttp://de.wikipedia.org/wiki/Americium
Am241 ist fast nur ein Alphastrahler. Außerdem ist Pu238 wohl genauso ein Gammastrahler, beide haben Spontanzerfälle.

Das wird mir jetzt zu ungenau. Es gibt Alpha- und Beta-Zerfall ebenso wie Spaltung und ein paar exotischere Spielarten, aber meines Wissens nach keinen Gamma-Zerfall. Gammastrahlung tritt also als Begleitstrahlung bei den bekannten Zerfallsarten auf, um entsprechend freiwerdende Energie abzuführen.

Im Fall von ²⁴¹Am sieht das laut Wikipedia so aus: "²⁴¹Am gibt nur mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,35 % die gesamte Zerfallsenergie mit dem α-Teilchen ab, sondern emittiert meistens noch ein oder mehrere Gammaquanten."

Ebenfalls laut Wikipedia geben die Plutonium-Isotope kaum Gammstrahlung ab. Das gilt aber natürlich nicht unbedingt für deren Zerfallsprodukte. Gerade die Spaltprodukte bei der spontanen Spaltung zerfallen bekantlich sehr schnell und geben dadurch hohe Dosen an Strahlung ab, darunter vermutlich Neutronenstrahlung. Fast alles an Strahlung außer Alphastrahlung, die eine Plutoniummasse emittiert, stammt also demzufolge aus der weiteren Zerfallsreihe.

Zitat von: runner02 am 05. August 2013, 09:57:44

Mal ne ganz verrückte Idee,

was ist, wenn man das Plutonium mit Americium "streckt" ? Das wäre zum Einen billiger, und zum anderen hätte man folgenden Verlauf: Eine Spitze an verfügbarer Energie am Anfang, aber einen langsamereren Abfall danach.

Außerdem, wenn man 50:50 streckt, hat man nur die Hälfte an Gamma-Strahlung vom Americium.

Zu teuer. Die hohen Kosten bei der Produktion solcher Isotope sind vor allem durch Fixkosten der Produktion bestimmt. Wenn man also sowohl Am als auch Pu verwende, muss man fuer zwei Produktionsketten bezahlen. Es wird also nicht billiger, sondern teurer.

Ok, das macht Sinn. Und Plutonium bei den Russen kaufen, während man Americium selbst erzeugt ist vermutlich auch nicht billiger?

Ok, das macht Sinn. Und Plutonium bei den Russen kaufen, während man Americium selbst erzeugt ist vermutlich auch nicht billiger?

Das man vorhandenes Pu mit Am streckt, koennte durchaus Sinn machen. Aber hier muesste man die entsprechenden Materialwissenschaftlichen Details kennen, dh ob sich Pu und Am zusammen vertragen (ob man also Pallets aus beiden herstellen kann und man dabei die gewuenschten Anforderungen an Sicherheit, Waermeleitfaehigkeit etc erhaelt). Davon habe ich aber zuwenig Ahnung.

Ob Russland noch 238Pu herstellt bin ich mir gar nicht sicher. Allzuviel Verwendung hat Russland dafuer ja auch nicht. Vielleicht weiss da einer unserer russisch-kundigen Foristen mehr.

Achso: Meine obige Graphik ist falsch, das viel mir jetzt auf. Ich hatte die falsche HWZ fuer 241Am eingesetzt (jene von Am-242m). Die Ausgangzpunkte bleiben gleich, aber sie verlaeuft dann flacher, das heisst mit verstreichender Zeit gewinnt 241Am gegenueber 238Pu schneller. Ich habe aber meine Exceldatei von damals schon geloescht und bin gerade etwas unmotiviert das nochmal zu erstellen.

Ok, das macht Sinn. Und Plutonium bei den Russen kaufen, während man Americium selbst erzeugt ist vermutlich auch nicht billiger?

Das man vorhandenes Pu mit Am streckt, koennte durchaus Sinn machen. Aber hier muesste man die entsprechenden Materialwissenschaftlichen Details kennen, dh ob sich Pu und Am zusammen vertragen (ob man also Pallets aus beiden herstellen kann und man dabei die gewuenschten Anforderungen an Sicherheit, Waermeleitfaehigkeit etc erhaelt). Davon habe ich aber zuwenig Ahnung.

Ob Russland noch 238Pu herstellt bin ich mir gar nicht sicher. Allzuviel Verwendung hat Russland dafuer ja auch nicht. Vielleicht weiss da einer unserer russisch-kundigen Foristen mehr.

PS: Meine obige Graphik ist falsch, das fiel mir jetzt auf. Ich hatte die falsche HWZ fuer 241Am eingesetzt (jene von Am-242m). Die Ausgangzpunkte bleiben gleich, aber sie verlaeuft dann flacher, das heisst mit verstreichender Zeit gewinnt 241Am gegenueber 238Pu schneller. Ich habe aber meine Exceldatei von damals schon geloescht und bin gerade etwas unmotiviert das nochmal zu erstellen - Muss noch schnell ein Curry kochen.
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Ob Russland momentan 238Pu produziert weiß ich auch nciht, aber da der Einsatz davon in einigen Jahren ja wieder geplant ist, geh ich mal davon aus, dass die Kapazitäten dafür bestehen und erhalten bleiben. (Als Beispiel ist 2022 (+x ) Laplas-L zu nennen, die definitiv per RTG versorgt werden soll.

Soweit ich das sehe ist Pu238 erheblich teurer und zwar weil es erst erbrütet werden muss:
http://de.wikipedia.org/wiki/Neptunium
Abschnitt Verwendung. Am241 ist schon im Abfall von Kernreaktoren vorhanden, da er automatisch erbrütet wird.
Alleine der Punkt das Pu238 zweimal durch die Wiederaufarbeitung laufen muss und das wohl auch andere Prozessschritte erforderlich macht, führt dazu das Pu238 wohl so ca. 150.00$/g kostet (stand irgendwo auf Wikipedia).
Falls das mit dem Betrag wirklich stimmt, wundert mich nichts mehr warum man an Am241 entwickelt, selbst wenn man da mehrere kg mehr benötigt, es das wohl selbst für Deep Space Missionen immer noch billiger.
Aber mir stellt sich dabei eine andere Frage, was passiert den wenn man den Kern mit einem Neutronenreflextor umgibt, müssten da nicht neue isotope erbrütet werden welche die Betriebsdauer weiter verlängern?

Dann müßte man den Neutronenreflektor voll in den Wärmehaushalt des Gesamtgebildes einrechnen sowie seine Reflektoreigenschaften steuern/zeitlich anpassen.

Weiterhin ändert sich der Chemismus innerhalb der Elemente - Das Verhältnis der PU-Keramik mit den sicheren mechanischen Eigenschaften wird gestört. Und damit wird das sorgsam erzeugte Bruchverhalten untergraben.

Was will man ueberhaupten brueten und womit? Wo sollen die Neutronen herkommen? Die spontane Spaltung liefert dafuer viel viel viel viel zuwenig.

Ob das so ist hängt ja wohl von der Masse, dem Wirkungsquerschnitt und der Sponanzerfallsrate ab?

Ob das so ist hängt ja wohl von der Masse, dem Wirkungsquerschnitt und der Sponanzerfallsrate ab?

Eben. Und die Spontanzerfallsrate von 241Am liegt bei 4,3 · 10−10 % der Gesamtzerfaelle. Erst ab Cm mit der Ordnungszahl 96 spielt die SF eine relevante Rolle bei Zerfallsprozessen. 252Cm wird daher auch als Neutronenquelle genutzt, aber um irgendetwas zu erbrueten ist das zu wenig.

Hallo, ich habe noch ein paar Informationen zu den Isotopen gefunden. 241Am hat eine Spontanspaltungsrate von 240 Spaltungen/ kg sec. Geht man mal von etwa 2 Neutronen je Spaltung aus, sind dies also rund 500 Neutronen je Sekunde und kg, welche erzeugt werden. Das Oak Ridge National Laboratroy berechnete 1998 798USD/g.
 
238Pu hat eine Spontanspaltungsrate von 1.1 x 10^6 Spaltungen je kg und Sekunde. Nimmt man wieder rund 2 Neutronen je Spaltung an, werden also ueber 2 Millionen Neutronen je Sekunde und Kilogramm erzeugt. Wenn ich richtig gerechnet habe, koennte man damit unter der falschen Annahmen das alle Neutronen genutzt wuerden, 0.0000031g eines Isotopes mit der etwaigen Atommasse von 240 erzeugen - in 100 Jahren.

Oder um es andersrum auszudruecken: Wenn man ein Mol eines Stoffes (entspricht in unserem Beispiel plusminus 240g) in 100 Jahren erzeugen will mit einer 100% effizienten Reaktion, braucht man dafuer 1.4 x 10^14 Neutronen pro Sekunde, also rund 100,000,000 mal mehr als 238Pu pro kg erzeugt.

Durch die hohe Alphastrahlung koennte man noch weit mehr Neutronen erzeugen, wenn man entsprechende Elemente hinzufuegt ueber die (alpha,n) Reaktion (Bsp sind Plutonium-Beryllium Neutronenquellen, die es an einigen Physikinstituten von Unis gibt). Aber auch damit kann man keine neuen Elemente in bedeutenden Massstab erzeugen - ausserdem, wer will schon eine starke Neutronenquelle auf eine Rakete setzen?

Schlechte Nachrichten aus den USA:
http://www.planetary.org/blogs/casey-dreier/2013/20131115-nasa-just-cancelled-its-asrg-program.html

NASA stellt die Arbeiten an den Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG) ein. Ausgehend von einer angemessenen Versorgung an Plutonium 238 und unter den aktuellen Budgetgrenzen gibt man die Beschaffung auf. Die bereits gebaute Hardware soll beim  Glenn Research Center weiter erforscht, getestet, untersucht werden.

Das Problem ist offenbar, dass NASA heute die gesamten Kosten für Erzeugung und Lagerung von Plutonium 238 tragen muss. Mit dem Budget ist es grundsätzlich wichtiger Plutonium 238 zu erzeugen. Daher wurde das darüber hinaus gehende ASRG-Programm gestoppt, um ausreichend Mittel für die Produktion zu haben.

Man produziert jetzt langfristig 1 - 1,5kg pro Jahr. Damit wird es pro Jahrzehnt eine, höchstens zwei Missionen zu den äußeren Planeten geben ...

Hier gibt es noch ein hübsches Video wie die ASRGs funktionieren / funktioniert hätten:

ASRG Pull-apart Animation

Schlechte Nachrichten aus den USA:
http://www.planetary.org/blogs/casey-dreier/2013/20131115-nasa-just-cancelled-its-asrg-program.html

NASA stellt die Arbeiten an den Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG) ein. Ausgehend von einer angemessenen Versorgung an Plutonium 238 und unter den aktuellen Budgetgrenzen gibt man die Beschaffung auf. Die bereits gebaute Hardware soll beim  Glenn Research Center weiter erforscht, getestet, untersucht werden.

Keine Chance, dass noch jemand helfend eingreift?

Deus ex machina?

Hier ein interessanter Artikel zum Thema hier:
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110009914_2011009270.pdf

Hier gibt es ein paar Zahlen, was in ASRG investiert wurde und was jetzt passiert:
http://www.spacenews.com/article/civil-space/39124lockheed-shrinking-asrg-team-as-closeout-work-begins

Lockheed Martin reduziert sein ASRG-Team von 140 auf 25. Der Abschluss wird ca. 2 Millionen USD kosten und 10 Angestellte beschäftigen. Die anderen 15 arbeiten 2014 weiter, um einzelne Arbeitspakete für die NASA zu beenden, was einen einstelligen Millionenbetrag USD kosten soll.
NASA hat zuletzt ca. 55 Millionen USD pro Jahr in ASRG fließen lassen. In den nächsten drei Jahren wären um die 170 Millionen USD fällig gewesen, die man jetzt einspart (bzw. in die beginnende Plutoniumproduktion für weitere MMRTG ab 2012 sichert). Seit 2008 haben sich die Kosten auf 272 Millionen USD summiert.
Als Ergebnis bekommt man jetzt ein fertiges Design und ein teilweise fertiggestelltes Qualifikationsmodell. NASAs Glenn Research Center wird die Hardware übernehmen. Dort soll man an der Stirling-Komponente des Systems weiterarbeiten.