Radioactieve energie; Ruimtevaart kan moeilijk buiten plutonium-batterij

Begin deze week stortte de Russische Mars '96 kort na de lancering jammerlijk in de Stiile Oceaan. Aan boord zaten capsules met het uiterst gevaarlijke plutonium.

OPMERKELIJK HOE weinig verontwaardigd er begin deze week is gereageerd op het terugstorten van de Russische ruimtesonde Mars-96 waarbij vier kleine capsules met plutonium-238 in zee vielen: in totaal 270 gram van een isotoop die gerekend wordt tot de gevaarlijkste elementen op aarde. President Clinton zelf nam de moeite om Australië op het naderend onheil te attenderen. Maar geen woord van verwijt aan de Russen.

Opmerkelijk maar niet onbegrijpelijk. Totdat in 1963 het verbod op bovengrondse kernproeven van kracht werd zijn bij die proeven enige tonnen plutonium tot ontploffing gebracht en een belangrijk deel daarvan kwam ongespleten in de atmosfeer terecht. In dat licht bezien is de recente Russische bijdrage onbetekenend.

Doorslaggevender is misschien dat ook de Amerikanen regelmatig gebruik maakten en maken van plutonium-batterijen als elektriciteitsbron voor satellieten en ruimtesondes. En dat ook aan Amerikaanse zijde regelmatig wat mis ging. In 1964 verbrandde een kilo plutonium-238 toen een Transit-navigatiesatelliet terugviel. In mei 1968 vielen plutonium-batterijen van een Nimbus-weersatelliet bij Californië in zee. In april 1970 werd de 'lunar module' van de ongelukkige Apollo-13 missie in de Stille Oceaan geworpen met een zogenoemde SNAP-27 installatie aan boord die 2,6 kilo plutonium bevatte.

De Amerikanen gebruikten vaak plutonium-batterijen die heel wat zwaarder waren dan de vier Russische 'filmrolletjes' die nu bij Paaseiland liggen. Daar staat tegenover dat de Russen vele jaren lang complete kernreactoren in een baan om de aarde brachten, zoals pijnlijk duidelijk werd toen in januari 1978 de Kosmos-954 in stukken terugviel op het besneeuwde noorden van Canada.

Vijf jaar geleden vroegen Amerikaanse èn Russische onderzoekers in een gezamenlijk opgesteld artikel in Scientific American (juni 1991) aandacht voor de bezwaren van het gebruik van kernenergie in de ruimte. Afgezien van de gezondheidsrisico's storen kernreactoren de detectie-apparatuur voor gammastraling die wetenschappelijke sondes aan boord hebben. De onderzoekers bepleitten een beperking van de inzet van plutonium en uranium tot vluchten in 'deep-space'. Kort na het ongeluk met de Kosmos-954 in 1978 had president Carter al aangedrongen op eenzelfde terughoudendheid en dat heeft aan Amerikaanse zijde een nucleaire pauze van tien jaar tot gevolg gehad. Maar in oktober 1989 werd aan de NASA Galileo-sonde, die naar Jupiter moest, gelijk maar 20 kilo plutonium-238 meegegeven.

BEZWAARLIJK

Veruit de meeste satellieten en ruimtesondes gebruiken zonnepanelen (fotovoltaïsche systemen) als elektriciteitsbron, maar er zijn een aantal situaties waarin toepassing van zonnepanelen bezwaarlijk is. Bij voorbeeld als heel veel elektrisch vermogen nodg is of als een satelliet zo laag rond de aarde vliegt dat zonnepanelen teveel wrijvingsweerstand van de dampkring zouden ondervinden (zoals met Russische spionagesatellieten die op slechts 250 kilometer hoogte vlogen). Ver van de zon is er eenvoudigweg te weinig zonlicht voor de panelen.

In de oertijd van de ruimtevaart werden wel gewone batterijen meeggegeven en voor Apollo-missies zijn ook brandstofcellen (die waterstof met zuurstof verbrandden) als energiebron gebruikt. Maar het was al vroeg duidelijk dat nucleaire energiebronnen een heel gunstige vermogen-gewicht verhouding hebben. Al in de jaren vijftig begon de ontwikkeling van radioactieve energiebronnen en het heeft uiteindelijk twee wezenlijk verschillende concepten opgeleverd. Voor beperkte vermogens zijn er nu de 'plutonium-batterijen' die gewoonlijk met de term 'radioisotope thermoelectric generators' (RTG's) worden aangeduid. Voor hogere vermogens worden geminiaturiseerde kernreactoren gebruikt.

RTG's zijn er in vermogensgrootten van enige watts tot enige honderden watts. Ze maken gebruik van de hitte die bij het spontane verval van de isotoop plutonium-238 vrijkomt. Die hitte kan, afhankelijk van de uitvoering, oplopen tot meer dan 700 graden en wordt overgedragen op de hete lassen van een stel geavanceerde thermokoppels die haar direct, maar met een bescheiden rendement (hooguit 10 procent), omzetten in elektriciteit. Plutonium-238, overigens ongeschikt voor kernwapens, is zo aantrekkelijk omdat het een relatief korte vervaltijd heeft en daardoor lange tijd voldoende warmte produceert. Bovendien is het een alfastraler. Alfastraling heeft, anders dan gammastraling, een zeer gering doordringend vermogen. Het plutonium wordt, als dioxide, gebruikt in de vorm van korrels die in het metaal iridium zijn gevat.

De RTG's die NASA gebruikt worden door het ministerie van energie geproduceerd op de oude Mound Plant in Miamisburg, Ohio. De bron is plutonium dat uit opgebrande splijtstof van gewone of speciale productie-kernreactoren is teruggewonnen. Dat plutonium bevat meestal maar zo'n 1 procent van de isotoop 238 en het Pu-238 moet dus door verrijking worden verzameld. Dat is een zo peperdure kwestie dat men overtollige RTG's van uitgestelde of geannuleerde ruimtevluchten graag overneemt voor andere vluchten. Dat het Pu-238 dan vaak al een paar jaar heeft staan vervallen wordt op de koop toegenomen.

VERRE VLUCHTEN

RTG's worden al toegepast sinds 1961. NASA heeft 23 ruimtevluchten gemaakt waarbij een of meer RTG's werden gebruikt, vooral voor verre vluchten zoals die van de Pioneers 10 en 11, de Voyagers 1 en 2, de Galileo en, met ESA, de Ulysses. De Cassini-ruimtesonde die over een jaar naar Saturnus gaat krijgt drie RTG's mee en tot aan 2009 zou NASA nog 19 plutoniumbatterijen nodig te hebben. Begin 1993 kreeg General Electric-Astro Space opdracht een nieuwe generatie RTG's te ontwerpen.

Het Russische RTG-programma heeft nooit veel aandacht gekregen, maar de Rorsat-reactoren en vooral de nieuwere generatie Topaz-reactoren zijn in het Westen goed bekend. Niet in de laatste plaats doordat de Russen de Topaz-reactoren al omstreeks 1988 te koop aanboden en de Amerikanen er een aanschaften om zich tegen Russiche raketten te beschermen. Reden was dat de ontwikkeling van de zeer kostbare SP-100 reactor, voor een verblijf op Maan of Mars, vertraging had opgelopen. Er wordt nog steeds aan gewerkt.

    • Karel Knip