Een Engelse atoombatterij voor de Europese ruimtevaart

Het Engelse kernenergieonderzoekcentrum NNL˚) gaat in samenwerking met de Engelse ruimtevaartorganisatie UK Space een atoombatterij bouwen. Bijzonder is, dat de vermogensproductie plaatsvindt door het radioactieve verval van americium-241 (Am-241), een dochterkern van plutonium (Pu). Gebruikelijk is Pu-238. Ongeveer tweeëneenhalf jaar geleden maakte NNL bekend deze americiumbatterij te hebben ontwikkeld. De bouw ervan geschiedt nu in het nieuwe laboratorium van NNL in Sellafield, Cumbria in noordwest Engeland. Dat is de vestigingsplaats van de opwerkingsfabriek, die op 17 juli 2022 is stilgelegd. De Engelse regering gaf een subsidie van £ 19 miljoen (€ 16 mln) voor dit laboratorium van NNL. Ontwikkeling en demonstratie van de atoombatterij maken deel uit van het speciaal voor dat doel opgerichte programma ENDURE˚˚) van het Europese Ruimte Agentschap ESA˚), waaraan de Engelse regering voor £ 22 miljoen (€ 18,5 mln) bijdroeg. Over vier jaar moet de atoombatterij klaar zijn.

Door neutronenvangst en transmutatie van uranium ontstaat plutonium in een kernreactor. Civiel plutonium, ofwel reactorplutonium, komt vrij na het opwerken van bestraalde splijtstofelementen van lichtwaterreactoren. Het bestaat voor 60% uit Pu-239, 25% Pu-240, 10% Pu-241 en 3% Pu-242. De percentages zijn globaal, omdat met een toenemende opbrand het percentage van Pu-239 kleiner en dat van de andere isotopen groter wordt. De isotoop americium-241 ontstaat door het betaverval van plutonium-241 met de halfwaardetijd van ongeveer 15 jaar. Am-241 is een alfastraler en heeft een halfwaardetijd 458 jaar.

Door reactorplutonium op te slaan vindt in toenemende mate ingroei van americium plaats. De eerste stap in de ontwikkeling van de Engelse atoombatterij is dan ook om americium af te scheiden uit het jarenlang opgeslagen plutonium. De alfadeeltjes, die bij het verval van americium ontstaan, hebben zo’n hoge energie, dat warmteproductie plaatsvindt. Thermo-elektrische elementen zetten deze warmte om in een elektrisch vermogen. De officiële benaming van een atoombatterij is dan ook Radio-isotoop Thermo-elektrische Generator, ofwel RTG.

Atoombatterijen vinden  toepassing in ruimtesondes, die diep in de ruimte onderzoek doen. Een voorbeeld is de marsverkenner Perseverance, alsook de ruimtesonde Cassini-Huygens, die de planeet Saturnus en zijn maan Titan heeft bestudeerd. Deze sondes hadden atoombatterijen, die plutonium-238 gebruikten. Pu-238 heeft een halfwaardetijd van 88 jaar en is eveneens een alfastraler. Pu-238 is zelfs in kleine hoeveelheden moeilijk te maken, terwijl Am-241 in Engeland ruim voorradig is. Uitgaande van eenzelfde vermogen is voor een RTG met Am-241 ongeveer vijfmaal meer radio-isotoop nodig dan voor een met Pu-238. De Engelse atoombatterij zal de toekomstige Europese ruimtevaartprojecten van zowel elektriciteit als warmte voorzien. Dat betreft bijvoorbeeld missies naar de maan en naar mars, alsook onderzoek van de verre ruimte.

Meer informatie:
https://www.gov.uk/government/news/uk-space-agency-and-nnl-work-on-worlds-first-space-battery

˚) NNL: National Nuclear Laboratory
ESA: European Space Agency

˚˚) ENDURE: European Devices Using Radioisotope Energy