Efter sin långa resa till Mars som började i somras, NASA:s Perseverance-rover kommer att drivas över planetens yta delvis av plutonium som produceras vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

"Mars 2020 kommer att vara det första NASA-uppdraget som använder ORNL-producerat plutonium-238, " sa Alan Icenhour, biträdande laboratoriechef för kärnvetenskap och teknik vid ORNL. "Denna prestation representerar otaliga timmars arbete av engagerad ORNL-personal, och det är givande att se detta arbete bli verklighet. Att hjälpa NASA i dess uppdrag till Mars är ett viktigt ögonblick i labbets historia."

Liksom andra rovers på djupa rymduppdrag, Perseverances reskraft på Mars kommer från termoelektriska generatorer som skapar elektricitet från värme som genereras från sönderfallet av plutonium-238 i form av oxidkeramiska pellets. Pu-238 producerar värme när den sönderfaller, och roverns multi-mission radioisotop termoelektriska generator omvandlar den värmen till elektricitet för att ladda litiumjonbatterierna som flyttar rovern och driver instrumenten den kommer att använda på ytan av den röda planeten.

Pu-238 är idealisk för rymdresor på grund av sin långa halveringstid på nästan 88 år, men det har varit en bristvara. Tidigare, USA:s lager bestod främst av Pu-238 producerad vid kärnkraftverket Savannah River i slutet av 1980-talet, som sedan dess har förfallit. Men den amerikanska produktionen av Pu-238 upphörde för mer än 30 år sedan.

Det är därför 2015 var en milstolpe för ORNL:den första nya produktionen av Pu-238 på nästan tre decennier. Sedan den första framgången, labbet har konsekvent ökat sin Pu-238 produktionskapacitet, siktar på att producera 1,5 kg per år till 2026.

"Vi har en 50-årig historia av att bestråla mål och producera radioisotoper, " sa ORNLs Robert Wham, Pu-238 Supply Programansvarig. "Att ha de resurser vi har just här gör ORNL väl lämpad att producera landets utbud av Pu-238. Vi har många forskare och ingenjörer över hela labbet som är involverade i detta arbete, och det är väldigt spännande för dem att bidra till rymdutforskning."

Det är ingen lätt process, och ORNL, DOE:s kontor för kärnenergi och NASA har investerat tid, pengar, forskning och smarta sinnen för att förbättra det. ORNL tar emot neptunium-237 råmaterial från Idaho National Laboratory, som lagrar landets inventarier. Väl på ORNL, neptuniumoxiden blandas med aluminium och pressas till pellets. Nästa, pelletsen placeras i rör och bestrålas i ORNLs högflödesisotopreaktor, vilket får neptunium att omvandlas till Pu-238.

Pelletsen flyttas till avskärmade heta celler i ORNL:s Radiochemical Engineering Development Center. Där, Pu-238 separeras från neptunium genom en rad kemiska processer, omvandlas till ett oxidpulver, och skickades sedan till Los Alamos National Laboratory för tillverkning till keramiska pellets för den termoelektriska generatorn. Överbliven neptunium återvinns för att göra mer Pu-238.

HFIR kan bestråla upp till 6, 800 gram neptunium per år i omgångar som stannar i reaktorn i två till tre månader. INL:s Advanced Test Reactor bestrålar också små mängder neptunium på en begränsad basis och är planerad för en makeover nästa år som kommer att öka dess förmåga att producera Pu-238 också.

Programmet har installerat automatiserade system för att pressa och mäta Np-237 målpellets. Wham sa att automatisering av hela processen har gjort det möjligt för labbet att öka produktionen av pellets avsevärt, hjälper till att mer än tredubbla effekten av Pu-238. Forskare tittar på sätt att använda övervakning på linjen för att testa och utvärdera kemiska bearbetningssteg i de heta cellerna, sparar tid och material med att ta prover ur de heta cellerna för analys.

Dessutom, ny utrustning görs för att förbättra tillverkningen av målen som bestrålas i HFIR. ORNL bemannar verksamheten så att processen kan fortsätta 24 timmar om dygnet.

Några av ORNL:s Pu-238 kombinerades med Los Alamos befintliga leverans för Mars 2020-uppdraget. ORNL har bidragit med ytterligare element till Perseverance, inklusive tillverkning av roverns iridiumlegeringsklädda ventilationssatser, som är praktiskt taget oförstörbara metallkoppar som innehåller Pu-238-bränslet, och den kolbundna kolfiberisoleringen som omger bränslekapslingen.