atw - International Journal for Nuclear Power | 04.2022

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atw Vol. 67 (2022) | Ausgabe 4 ı JuliFEATURE | OTHER APPLICATIONS 14| Abb. 10Selfie der Geologiestation InSight bedeckt mit Marsstaub (Bild: NASA)Uran-238 mit Deuterium Neptunium-238 und zweifreie Neutronen erzeugt wurden. Nach anschließendemBeta-Minus-Zerfall des Neptuniumsentsteht Plutonium-238. Als Ausgangsnuklid fürdie Pu-238-Produktion lässt sich auch Neptinium-237verwenden, das mit Neutronen bestrahltwird, wodurch wieder Neptunium-238 entsteht.Neptunium-237 entsteht im nuklearen Brennstoffkreislaufund kann durch Wiederaufarbeitunggewonnen werden. Der Großteil des genutzten undnoch verfügbaren Bestands an Plutinium-238 fürRadionuklidbatterien in den Vereinigten Staatenist allerdings ein Nebenprodukt der Produktionwaffenfähigen Plutoniums in der Savannah RiverSite bis 1988 14 . Nachdem zunächst Plutonium-238von Russland gekauft worden war, wurde ab 2015im Hochflussreaktor des Oak Rich National Laboratorysowie im Advanced Test Reactor des IdahoNational Laboratory (INL) die Produktion fürzukünftige NASA-Missionen aus Neptunium-237wieder aufgenommen. Diese soll bis 2025 auf 1,5Kilogramm pro Jahr ausgebaut werden 15 . DasNeptunium wird am INL gelagert, wo es nochumfangreiche Bestände gibt. In Europa wird seitvergangenem Jahr von einem belgischen Unternehmenim Auftrag der ESA und in Kooperationmit dem belgischen NuklearforschungszentrumSCK CEN und einem Unternehmen des Kernbrennstoffkreislaufsdas Projekt der Herstellung vonPlutonium-238 im belgischen ForschungsreaktorBR2 aus Neptunium-237 aus der Wiederaufarbeitungsanlagein La Hague verfolgt, um erstmalseine europäische Radionuklidbatterie herzustellen16 . Das Projekt steht im Zusammenhang mitdem Lunar Gateway Programm der NASA, einerOrbitalstation um den Mond. Zum europäischenBeitrag gehört das Modul European Large LogisticLander (EL3), ein Infrastrukturmodul, dasForschungsinstrumente oder Versorgungsgüter fürAstronauten einer bemannten Mondbodenmissionliefern kann. Dabei spielt die Strom- und Wärmeversorgungin der 14-tägigen lunaren Nacht einewichtige Rolle, in der die Mondoberfläche bis aufMinus 140 °C abkühlt 17 . Radioisoptopenbatterienwerden auch bei Anwendungen auf der Erdegenutzt, für die Energieversorgung entlegenerautomatischer Wetterstationen, Leuchttürme oderfür Tracking- und Monitoring-Module zum Studiumdes Verhaltens von Wildtieren. Neben Pu-238 wirdauch Strontium-90 als radioaktive Wärmequellegenutzt. Aktuell werden federführend von derfranzösischen nationalen Agentur für radioaktiveAbfälle, Andra, erstmals Radioisotopengeneratorenentwickelt, die Americium-241 als Energiequellenutzen sollen. Entwicklungziel sind dabeiautonom operierende Sensoren zur Überwachungeines Endlagers für hoch radioaktive und langlebigeradioaktive Abfälle 18 .Kerntechnische AntriebssystemeAktuell werden von der NASA, der Defense InnovationUnit (DIU) und der Defense AdvancedResearch Projects Agency (DARPA) sowie finanziertvom US-Energieministerium und demUS-Verteidigungsministerium auch verschiedeneVarianten von nuklearen Weltraumantriebssystemenin Zusammenarbeit mit privaten Unternehmenentwickelt 19 . NASA und DARPA arbeitenan der Nuclear Thermal Propulsion (NTP), bei derein Kernspaltungsreaktor die Wärme liefert um einAntriebsmedium auf hohe Geschwindigkeiten ineiner Düse zu beschleunigen, ähnlich dem klassischenchemischen Raketenantrieb. Der Vorteilsolcher Systeme liegt in einem doppelt so hohenspezifischen Impuls verglichen mit den leistungsfähigstenchemischen Systemen verbunden miteiner nur halb so hohen Treibstoffmenge bzw.halbiertem Verbrauch 20 . Diese Forschung kann aufdie Erfahrung von Programmen der fünfziger undsechziger Jahre zurückgreifen, die damals fortgeschrittenwaren, aber nicht angeschlossen wurden.Die DIU arbeitet an Antriebssystemen auf Basiseiner neuen Generation isotopenbasierter nuklearthermischerSysteme mit missionsspezifisch14 https://en.wikipedia.org/wiki/Plutonium-23815 https://www.energy.gov/ne/articles/idaho-national-lab-starts-second-plutonium-target-campaign-nasa-space-missions16 https://www.neimagazine.com/news/newstractebel-to-evaluate-plutonium-238-as-fuel-for-space-exploration-905164317 https://www.sfen.org/rgn/larmee-americaine-sinteresse-a-la-propulsion-nucleaire/https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/European_Large_Logistics_Lander18 https://meusehautemarne.andra.fr/sites/meuse/files/2020-10/Fiche%20projet%20RTG%20VF.pdf19 https://www.darpa.mil/news-events/2022-05-0420 https://www.space.com/nasa-doe-fund-nuclear-thermal-space-propulsion-conceptsFeature | Other ApplicationsJenseits der Stromerzeugung – vielfältiger Nutzen der Kerntechnik ı Nicolas Wendler
atw Vol. 67 (2022) | Ausgabe 4 ı Juli| Abb. 11Künstlerische Illustration eines Raumschiffkonzepts auf der Grundlage eines nuklearthermischen Antriebs (Bild: NASA)FEATURE | OTHER APPLICATIONS 15aktivierten Isotopen, die die 10-fache Leistungsfähigkeitvon plutonium- oder strontiumbasiertenSystemen haben sollen. Das zweite DIU-Projekt istein ungewöhnliches kleines Fusionsreaktorkonzept21 . Nach Aussagen des Entwicklers AvalancheEnergy Designs sieht das Konzept des Orbitron vor,hochenergetische Ionen elektrostatisch in präzedierendenelliptischen Umlaufbahnen um einenegativ geladene Kathode herum einzuschließen.Die Ionendichte soll dabei durch den gemeinsamenEinschluss von Hochtemperaturelektronen erhöhtwerden, die durch ein externes schwaches Magnetfeldsenkrecht zum elektrostatischen Feld in einer„Kreuzfeld“-Konfiguration ähnlich einem Magnetron-Mikrowellengeräteingefangen werden. Sichkreuzende elliptische Pfade von Ionen bietenMillionen von Möglichkeiten für fusionsrelevanteKollisionen, bevor das Ion Energie verliert und ausdem Wechselwirkungsraum bewegt wird, wenn esin die Kathode fällt und aus der Kammer entferntwird. Es sollen modifizierte kommerziell verfügbareKomponenten verwendet werden, um rund 5kW elektrische Leistung aus einer Einheit in derGröße eines Feuerlöschers zu gewinnen 22 . Allegenannten Projekte sollen auch als stationäre EnergieerzeugerVerwendung finden, wobei das Orbitronprinzipiell für Anwendungen auf der Erdeentwickelt wird.Kerntechnische Analyse- undDatierungsmethodenBei der naturwissenschaftlichen Analyse etwa vonKunstwerken zur Echtheitsprüfung, in der Attributionsforschungoder zur Ermittlung von Arbeitsmethodenvergangener Epochen kommen verschiedenekerntechnische Verfahren wie diePrompte-Gamma-Aktivierungsanalyse (PGAA) zurAnwendung. Auch zur Datierung in sowohl archäologischenals auch geologischen Zeiträumenwerden kerntechnische Methoden angewendet,etwa die C-14-Datierung oder die Uran-Blei-Datierung.Prompte-Gamma-AktivierungsanalyseDie Prompte Gamma-Aktivierungsanalyse (PGAA)wurde bereits 1963 als Methode von Heinz Maier-Leibnitz vorgeschlagen, die ersten PGAA-Experimentewurden 1968 von Henkelmann und Born amForschungsreaktor München (FRM) und demInstitut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble durchgeführt.Im FRM II besteht ebenfalls eine PGAA-Anlage, die Elementanalyse für unterschiedlicheWissenschaftsgebiete ermöglicht.Neutronen- und Gammastrahlen haben eine großeDurchdringungstiefe, wodurch Proben mit Dickenbis zu mehreren Zentimetern untersucht werdenkönnen. Proben können in verschiedenen Aggregatszuständenvorliegen, als Feststoffe/-körper21 https://www.diu.mil/latest/powering-the-future-of-space-exploration-diu-launching-next-generation22 https://www.avalanche.energy/Feature | Other ApplicationsJenseits der Stromerzeugung – vielfältiger Nutzen der Kerntechnik ı Nicolas Wendler
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