Dopo il suo lungo viaggio su Marte iniziato quest'estate, Il rover Perseverance della NASA sarà alimentato su tutta la superficie del pianeta in parte dal plutonio prodotto presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia.

"Mars 2020 sarà la prima missione della NASA che utilizza il plutonio-238 prodotto dall'ORNL, " ha detto Alan Icenhour, direttore associato di laboratorio per la scienza e l'ingegneria nucleare presso l'ORNL. "Questo risultato rappresenta innumerevoli ore di lavoro da parte del personale ORNL dedicato, ed è gratificante vedere questo lavoro giungere a buon fine. Aiutare la NASA nella sua missione su Marte è un momento significativo nella storia del laboratorio".

Come altri rover in missioni nello spazio profondo, Il potere viaggiante di Perseverance su Marte proviene da generatori termoelettrici che creano elettricità dal calore generato dal decadimento del plutonio-238 sotto forma di palline di ceramica di ossido. Pu-238 produce calore mentre decade, e il generatore termoelettrico a radioisotopi multi-missione del rover converte quel calore in elettricità per caricare le batterie agli ioni di litio che muovono il rover e alimentano gli strumenti che utilizzerà sulla superficie del Pianeta Rosso.

Pu-238 è ideale per i viaggi nello spazio profondo a causa della sua lunga emivita di quasi 88 anni, ma è stato scarso. In precedenza, le scorte statunitensi consistevano principalmente di Pu-238 prodotto presso l'impianto nucleare di Savannah River alla fine degli anni '80, che da allora è andato in decomposizione. Ma la produzione statunitense di Pu-238 è terminata più di 30 anni fa.

Ecco perché il 2015 è stata una pietra miliare per ORNL:la prima nuova produzione negli Stati Uniti di Pu-238 in quasi tre decenni. Da quel primo successo, il laboratorio ha costantemente aumentato le sue capacità di produzione di Pu-238, con l'obiettivo di produrre 1,5 chilogrammi all'anno entro il 2026.

"Abbiamo una storia di 50 anni di irradiazione di bersagli e produzione di radioisotopi, " ha detto Robert Wham di ORNL, Responsabile del programma di approvvigionamento Pu-238. "Avere le risorse che abbiamo proprio qui rende l'ORNL adatto a produrre la fornitura nazionale di Pu-238. Abbiamo molti scienziati e ingegneri in tutto il laboratorio coinvolti in questo sforzo, ed è molto eccitante per loro contribuire all'esplorazione dello spazio".

Non è un processo facile, e ORNL, L'ufficio dell'energia nucleare del DOE e la NASA hanno investito tempo, soldi, ricerca e menti brillanti per migliorarlo. L'ORNL riceve la materia prima di nettunio-237 dall'Idaho National Laboratory, che immagazzina l'inventario della nazione. Una volta all'ORNL, l'ossido di nettunio viene miscelato con alluminio e pressato in pellet. Prossimo, i pellet vengono messi in tubi e irradiati nel reattore isotopico ad alto flusso di ORNL, che provoca la trasmutazione del nettunio in Pu-238.

I pellet vengono spostati in celle calde schermate nel Centro di sviluppo dell'ingegneria radiochimica dell'ORNL. Là, il Pu-238 viene separato dal nettunio attraverso una serie di processi chimici, convertito in polvere di ossido, e poi spedito al Los Alamos National Laboratory per la fabbricazione in pellet di ceramica per il generatore termoelettrico. Il nettunio rimanente viene riciclato per produrre più Pu-238.

HFIR può irradiare fino a 6, 800 grammi di nettunio all'anno in lotti che rimangono nel reattore per due o tre mesi. Anche l'Advanced Test Reactor dell'INL sta irradiando piccole quantità di nettunio su base limitata ed è previsto un restyling il prossimo anno che aumenterà la sua capacità di produrre anche Pu-238.

Il programma ha installato sistemi automatizzati per premere e misurare i pellet target Np-237. Wham ha affermato che l'automazione dell'intero processo ha consentito al laboratorio di aumentare significativamente la produzione di pellet, contribuendo a più che triplicare la produzione di Pu-238. I ricercatori stanno cercando modi per utilizzare il monitoraggio sulla linea per testare e valutare le fasi di elaborazione chimica nelle celle calde, risparmio di tempo e materiali necessari per prelevare campioni dalle celle calde per l'analisi.

Inoltre, è in corso la realizzazione di nuove apparecchiature per migliorare la fabbricazione dei bersagli irradiati in HFIR. L'ORNL sta assumendo personale in modo che il processo possa continuare 24 ore al giorno.

Alcuni dei Pu-238 di ORNL sono stati combinati con la fornitura esistente di Los Alamos per la missione Mars 2020. ORNL ha contribuito con elementi aggiuntivi a Perseverance, inclusa la produzione dei set di ventilazione rivestiti in lega di iridio del rover, che sono tazze di metallo praticamente indistruttibili che contengono il carburante Pu-238, e l'isolamento in fibra di carbonio legato al carbonio che circonda il rivestimento del carburante.