Reaktory míří ke hvězdám. Znovu a dál (I. část)

Až se jednou lidé vydají na Mars, co bude zdrojem energie pro jejich přístroje a zařízení? Nemluvíme teď o samotné raketě, nýbrž přehršli elektronického i mechanického vybavení, které s sebou ponese.

První kandidátem by se mohla zdát, že nejvhodnějším kandidátem je energie Slunce. Fotovoltaické panely se ve výzkumu vesmíru používají běžně a v řadě aplikací se velmi osvědčily. Samy o sobě ovšem nestačí.

Solární energie potřebuje zálohu. Nejen střídání dne a noci, ale i mnohadenní písečné bouře, jsou překážky, se kterými si solární energetika neví rady. Problém by vyřešily baterie, ovšem dopravit kilogram nákladu na Mars stojí dnes v nejlepším případě řádově miliony korun.

Pokud to tedy skutečně v dohledné době bude lidstvo myslet s „dobýváním“ Rudé planety vážně, mělo by zvažovat i další alternativy. Jednou takovou by mohly být jaderné reaktory. Částečně i proto, že se – byť se to o nich málo ví – ve vesmíru již osvědčily.

Snímek z testu reaktoru Kilopower připravovaného NASA. Konkrétně záběr pochází ze zkoušky přenosu tepla pomocí pasivního systému teplovodných trubek s tekutým sodíkem při pracovní teplotě více než 800 ˚C. (foto NASA Glenn)
Snímek z testu reaktor Kilopower připravovaného NASA. Konkrétně záběr pochází ze zkoušky přenosu tepla pomocí pasivního systému teplovodných trubek s tekutým sodíkem při pracovní teplotě více než 800 ˚C. (foto NASA Glenn)

Slabá generace

Na oběžných drahách kolem Země se totiž v současné době pohybují zhruba tři desítky vyloužilých jaderných reaktorů. A skutečně nemluvíme o radioizotopových zdrojích, jaké mají třeba sondy Voyager (o nich více v boxíku na stránce), ale o reaktorech, ve kterých probíhala štěpná reakce. Všechny reaktory nad našimi hlavami byly postaveny za studené války. Většinu z nich tvoří reaktory typu známého jako BES-5 (či „Buk“) na palubách dnes již vysloužilých sovětských špionážních družic.

Palivem pro jejich reaktory byl vysoce obohacený uran (90 procent tvořil aktivní izotop 235U), kterého bylo na zhruba od 30 do 45 kilogramů. Při hmotnosti 900 kilogramů reaktor vyráběl 100 kilowattů tepelné energie. Elektřina se z tepla vyráběla velmi neúčinně: využila se necelá dvě procenta. Na Zemi v reaktorech používáme turbíny, které mají účinnosti kolem 40 procent.

Ovšem ve vesmíru je zapotřebí něco jednoduššího než turbína. První, co konstruktéři mohli reálně použít, byla přímá přeměna tepla na elektřinu pomocí termoelektrického jevu. Ten využívá speciální polovodičový okruh, jehož jedna část je v teple (u jádra reaktoru) a druhá v chladu (chlazena s pomocí radiátoru, který vyzařuje teplo z okruhu do vesmíru). Čím větší je rozdíl v teplotách mezi oběma stranami, tím větší se vytváří napětí.

V případě Buku byl elektrický výkon Buku zhruba od 1,3 do 4 kW. V provozu mohl vydržet maximálně půl půl roku, v praxi to častěji bylo něco mezi čtyřmi až pěti měsíci – i z toho je patrné, že šlo o ryze vojenské zařízení, u kterého byly náklady a efektivita druhotné.

Dnes jsou reaktory odstaveny na tzv. parkovacích drahách zhruba necelých tisíc kilometrů nad povrchem, kde by měly zůstat ještě nejméně tisíce let – a v té době již jejich náklad nebude prakticky aktivní.

Trosky Kosmosu 954
Jedna ze sovětských špionážních družic s jaderným pohonem Kosmosu 954 se v lednu 1978 zřítila na území Kanady. Byl z toho menší diplomatický incident, který nakonec vyřešila alespoň částečně sovětská platba za práce spojené s vyhledáváním a likvidací materiálu. Na snímku je největší nalazený kus Kosmosu 954, který dostal přezdívku „paroží“. Šlo o součást řídícího systému reaktoru – trubkami se do něj spouštěly řídící tyče, které zpomalily štěpení. „Parohy“ nebyly nijak výrazně radioaktivní. Snímky jsou tak dramaticky barevné, protože díl obsahoval původně zhruba 50 kilogramů nápadně zbarvaného hydroxidu lithného, který zřejmě chránil elektroniku na palubě satelitu před radiací z reaktoru. (foto zpráva GEOSCAN)

Zlepšíme se!

Vývoj Bukem neskončil. SSSR do vesmíru v roce 1987 dostal i pokročilejší typ označovaný jako TOPAZ. Šlo o reaktor chlazený tekutým kovem (konkrétně slitinou sodíku a draslíku) s pracovní teplotou zhruba 610 °C (maximální teplota v aktivní zóně mohla být až třikrát vyšší). Vysoká teplota se využila při výrobě elektřiny, pomocí tzv. termionické přeměny.

Tento jev byl v roce 1893 objeven v Edisonových laboratořích, když jeho spolupracovníci zjistili, že některé materiály při velmi vysokých teplotách uvolňují elektrony, a de facto tedy přímo vyrábí z tepla elektřinu. Účinnost je o něco vyšší než u termoelektrických článků, ovšem pouze pokud jsou teploty dostatečně vysoké. Vyvinout materiály, které splní všechny nároky včetně odolnosti proti radiaci, není triviální a Sověti v tom ve své době velmi zajímavě pokročili.

Maketa jaderného reaktoru TOPAZ
Maketa jaderného reaktoru TOPAZ, který se do vesmíru dostal ve dvou exemplářích v druhé polovině 80. let. Maketa je umístěna v Polytechnickém muzeu v Moskvě. (foto собственная работа)

Díky zvýšení účinnosti výroby elektřiny na zhruba pět procent se snížila hmotnost celého reaktoru i paliva na palubě. TOPAZ s pouze 12 kilogramy uranového paliva dodával 5-10 kW údajně až po dobu jednoho roku při celkové hmotnosti 320 kilogramů.

Existovala již zmíněná vylepšená varianta TOPAZ-II, kterou pohřbil kolaps SSSR. Šlo o větší zařízení s 27 kilogramy paliva a celkovou hmotností kolem jedné tuny, které mělo zhruba stejné výkony (vyrábělo 135 kW tepla, 6 kW elektrických), ale mohlo pracovat až tři roky. V 90. letech krátce žila naděje, že by mohly letět ve spolupráci s cizinou, dokonce se několik zařízení na Západě intenzivně testovalo, údajně úspěšně. Let se ovšem žádný nekonal.

Inspirace ovšem ani v západních zemí nezapadla. Praktické pokroky v posledních letech nakonec učinily týmy v USA pod kuratelou NASA. O tom více v další části článku.

Související články

Vložit komentář...