Overslaan en naar de inhoud gaan

Van afval naar energieopwekker in de ruimte

02 december '22

Lancering van het PULSAR-project

ESA, het Europese ruimtevaartprogramma, toont interesse in het ontwikkelen van Radionuclide Thermo-electric Generators (RTG's): kostenefficiënte primaire energiebronnen voor missies buiten de lage omloopbanen. Die willen ze o.a. gebruiken in de Europese Large Logistic Lander-missie (EL3). Om dat te realiseren, lanceerden we samen met onze partners het PULSAR-project (acroniem: PU-238-coupLed dynamic power system for SpAce exploRation and beyond). Gefinancierd door de Europese Unie.

20221201_PULSAR_Logo
20221201_PULSAR_Plutonium238-01

RTGs: Radionuclide Thermo-electric Generators

Het wordt wel eens over het hoofd gezien, maar energievoorziening is het hart van elke ruimtemissie. Voor missies in een lage omloopbaan, communicatiesatellieten, ... worden zonnepanelen in combinatie met oplaadbare batterijen gebruikt. Voor verkenning van de buitenste delen van ons planetenstelsel, zoals de baan rond Jupiter en verder, zijn zonnepanelen geen haalbare optie. Daarvoor worden de zogenaamde Radionuclide Thermo-electric Generators (RTG's) gebruikt. Die gebruiken de vervalwarmte van een radioactieve nuclide (voornamelijk plutonium-238) als primaire bron om elektriciteit op te wekken.

Plutonium-238 als voorkeursisotoop

Het isotoop Plutonium-238 (Pu-238) krijgt de voorkeur voor dergelijke RTG’s. Het heeft namelijk  heel wat troeven. Het is een bijna zuivere alfastraler, een hoge vermogensdichtheid en een halveringstijd van 87.7 jaar. Daardoor vormt het tientallen jaren een stabiele bron van stroom. PU-238 verkrijg je door Neptunium-237 (Np-237) te bestralen met een hoge neutronenflux. “Neptunium-237 is een radioactief nuclide dat aanwezig is in verbruikte splijtstof van onze kernreactoren. Vervalproducten van Np-237 dragen gedurende vele millennia bij tot de hoge radiotoxiciteit van verbruikte splijtstof. Het omzetten van dit ‘afval’ naar een waardevolle grondstof is erg nobel, maar niet zo vanzelfsprekend.

Hinderpalen uit de weg ruimen

Om dat waar te maken, lanceerden we PULSAR. Het doel is om de hinderpalen voor de ontwikkeling van Radioisotope Power Systems (RPS) uit de weg te ruimen. RPS zijn een sleuteltechnologie voor de verkenning van waar de zon niet voldoende stroom kan leveren aan ruimtetuigen. RPS zijn het enige bestaande alternatief voor fotovoltaïsche cellen voor stroomopwekking op lange termijn in de ruimte, maar ze blijven tot op vandaag een nichetechnologie. Europa beschikt momenteel niet over een eigen RPS-ontwerp en produceert geen plutonium-238 (Pu-238), het isotoop waaraan de voorkeur wordt gegeven om ruimtemissies van brandstof te voorzien.

Om de technologische tekortkomingen en externe afhankelijkheden aan te pakken, zal PULSAR de basis leggen voor de volledige productie van Pu-238 in Europa en een Stirling-motor gebruiken om een Europese, dynamische RPS te ontwerpen die tot vijf keer efficiënter is dan de huidige systemen. Naar verwachting zullen beide resultaten aan het eind van het project een technology readiness level (TRL) van 4 bereiken.

SCK CEN - Infrastructuur BR2 (2019)

SCK CEN, een onmisbare schakel

SCK CEN, TRACTEBEL en Orano voerden onlangs al een haalbaarheidsstudie uit, met de steun van ESA. Het PULSAR-project kan daar nu van profiteren. Tijdens deze studie evalueerde men alle middelen en activa (binnen Europa) die nodig zijn om Pu-238 te produceren d.m.v. bestraling van Np-237.

Uit deze evaluatie kwam SCK CEN met zijn unieke infrastructuur als een onmisbare schakel. Onze BR2 is erg geschikt is voor een demonstratieproductie van Pu-238. Ook onze actinidelaboratoria en partitioneringslaboratoria zijn goed uitgerust het nodige front-end onderzoek (targetproductie) en het back-end onderzoek (scheiding en zuivering van Plutonium (Pu) en Neptunium (Np)).

Het PULSAR-consortium

Het PULSAR-consortium - geleid door TRACTEBEL, een in Brussel gevestigd internationaal adviesbureau voor nucleaire engineering dat deel uitmaakt van de ENGIE-groep - verenigt belangrijke Europese actoren uit de nucleaire en ruimtevaartsector (Belgisch nucleair onderzoekscentrum SCK CEN, de Franse Commissie voor Alternatieve Energie en Atoomenergie - Commissariat a l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives, European Commission Joint Research Centre, Airbus Defence and SpaceArianeGroup); een wereldleider op het gebied van onderzoek naar Stirling-motoren (UBFC - Université Bourgogne-Franche-Comté); en de daarmee verbonden entiteit Université de Franche-Comté); en twee adviesbureaus met deskundigheid op het gebied van innovatie en technologieoverdracht INCOTEC - Innovación Eficiente) en beheer van collaboratief onderzoek (ARTTIC). Het onderzoek zal worden uitgevoerd tussen september 2022 en augustus 2024.

Deel dit artikel