米航空宇宙局（NASA）の新しい火星探査機「Perseverance（パーセヴェランス）」は、火星で太古の生命の痕跡を探すミッションに乗り出すことになる。パーセヴェランスは火星探査機としては最大級で、自律性が最も高い。そして米国産プルトニウムだけで動く初の火星探査機でもある。
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パーセヴェランスの心臓部にはビール樽ほどの大きさの小さな原子力電池があり、これは放射性同位体熱電気転換器（RTG）とも呼ばれる。RTGは地球上で電気をつくる原子炉とは異なり、発電のために核分裂反応を起こしたり持続させたりする必要がない。そして可動部品もない。
代わりにプルトニウム238の崩壊によって発生する自然の熱を受動的に採取し、電気に変換する。エネルギーと熱を宇宙船に確実に数十年は供給できることから、NASAの20以上ある深宇宙ミッションに欠かせない動力源となっている。実際に2つの原子力電池を搭載して1970年代後半に打ち上げられた探査機「ヴォイジャー」は、いまでも星間空間から通信を続けている。
「プルトニウム238は主にアルファ線によって崩壊し、その際に熱を多く産生するプルトニウム固有の同位体です」と、NASAへのプルトニウムの供給を担うオークリッジ国立研究所のプルトニウム供給プログラムマネージャー、ロバート・ワムは言う。「パーセヴェランスのような小型宇宙船に必要なものは核分裂エネルギーではなく、崩壊熱だけで十分なのです」
動力源を原子力に切り替えた理由
パーセヴェランスは、原子力発電を電気エネルギーの主要な供給源として利用する火星探査機としては2番目にすぎない。NASAの最初の3つの探査機である「ソジャーナ」「スピリット」「オポチュニティ」は、いずれも太陽光発電を採用していた。しかし、パネルにある程度のほこりがたまると、電力を完全に失う危険性がある。
このためNASAは、12年に火星に到着したキュリオシティを皮切りに、探査機の主要なエネルギー源を原子力発電に切り替えた。当時の米国では宇宙ミッション用の核燃料の備蓄が減少しており、それ以上の核燃料を生産できる施設が米国内にひとつもなかったことを考えると、これは大胆な選択だった。
ちなみに、プルトニウム238は核兵器には使われていない。核兵器に使われるのはプルトニウム239だ。しかし、1980年代後半に冷戦が終結すると、米国は軍縮協定に従ってあらゆる種類のプルトニウムの生産を停止した。
「プルトニウム238の大部分は、当時は国立研究所というよりも国防施設だったサヴァンナ・リヴァー・サイトで生産されたものでした」と、ワムは言う。かつて米国の核兵器の大半を生産していたサウスカロライナ州にある施設のことだ。サヴァンナ・リヴァー・サイトは現在、当時の活動によって敷地内に埋められた核廃棄物の影響で、地球上で最も汚染された場所のひとつとなっている。
供給不足に陥ったプルトニウム
米国がプルトニウムの事業から手を引いたとき、NASAは将来的なミッションのすべてに供給できるように、数十キログラムのプルトニウム238を残してあった。しかし、その量は大した量ではなかった。パーセヴェランスだけでも5kg近くのプルトニウムを使っているのだ。
2009年の米国科学アカデミーの報告書によると、米国のプルトニウムは深宇宙でのミッションをあと数回実施できるだけの量しかないと予測されていた。このため米国には残されていた選択肢は、太陽系外惑星の探査を放棄するか、海外からプルトニウムを購入するか、国内で再びプルトニウムの生産を始めるか、という悲観的なものだった。
キュリオシティが11年に打ち上げられたとき、原子力電池にはロシアから調達したプルトニウムが入っていた。米国の主要な宇宙ミッションでロシアの燃料を使うことは、ばつが悪いことだろう。しかし、それ以上に重要なことは、NASAが地政学的な問題に直面したという事実である。
ロシア政府は数年前、プルトニウムの購入契約が再交渉になるまで、NASAにプルトニウムを供給する契約を破棄していた。一方、米国内の核燃料の生産を統括するエネルギー省は数年にわたり、国内でのプルトニウム生産を再開する予算の配分を議会に働きかけていた。NASAとエネルギー省とでコストを均等に負担する案だったが、そのつど議員たちは要求を拒否していた。
自前で生産するという決断
プルトニウム不足への懸念が高まり続けるなか、ロシアでもプルトニウムが不足していた。このためNASAの政策立案担当は、NASA自身がコストを負担すると決定し、11年以降はテネシー州にあるエネルギー省のオークリッジ国立研究所でプルトニウムを生産している。
生産コストのほぼ全額をNASAが負担しているが、この投資はすぐに実を結んだ。オークリッジの化学者たちは、15年までに約30年ぶりに米国でプルトニウム238の見本を生産したのだ。この研究所は同時に、NASAの将来のニーズを満たす十分な量のプルトニウムを生産できる自動生産システムに多額を投資した。しかし、ロボットを使ってもプルトニウム238の生産には手間がかかり、オークリッジのほかにも2カ所の国立研究所が関与している。
生産プロセスは次のように進められる。まず、アイダホ国立研究所の研究者が、放射性金属酸化物であるネプツニウム237をテネシー州に送る。そして自動化された機械で、鉛筆の消しゴムほどの大きさのペレットにプレスするところから始まる。
次に、このペレットのうち52個を「ターゲット」と呼ばれる金属製の棒に積み上げ、オークリッジかアイダホ国立研究所の原子炉に入れる。そして中性子を照射し、プルトニウムを生成する。
このプルトニウムは数カ月の冷却期間を経て、ニューメキシコ州のロスアラモス国立研究所に出荷される。そこでは別の機械が小さなプルトニウムペレットをプレスし、マシュマロ大の大きなものを形成する。そして、実質的に破壊不能とされるイリジウムでつくられたケースに入れられる。そしてアイダホ国立研究所に輸送された32個のペレットが原子力電池に装填され、探査機に搭載される。
原子力ルネッサンスの幕開けに
現時点でオークリッジのプルトニウム生産量は、目標としている3.5ポンド（約1.6kg）の約半分にすぎない。これをワムらは、2020年代半ばまでに目標まで増やしていく予定だ。「わたしたちの仕事は、NASAが今後10年から20年の間に必要とするだけの十分な量を確実に供給することなのです」と、ワムは言う。
パーセヴェランスはNASAにとって、国立研究所で生産された新しいプルトニウム238を使った最初のミッションになる。しかし、これで最後というわけではない。土星最大の月である「タイタン」の地表で生命体を探すミッション「ドラゴンフライ」のような深宇宙ミッションも、この新しい生産ラインを使うことになるだろう。
NASAは原子力ロケットや月面発電所のために、小型原子炉の開発に取り組んでいる。こうしたなかでのパーセヴェランスの打ち上げは、宇宙空間における米国の原子力ルネッサンスの幕開けになるかもしれない。
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