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

V předchozí části našeho textu jsme popsali poměrně málou známou historii jaderných zdrojů pro vesmírné projekty zhruba do konce studené války. V této části se budeme věnovat současným snahám, kterým dominuje tentokrát výzkum pro americkou agenturu NASA.

Americká naděje

Vzhledem ke známým problémům Ruska a celkové relativní slabosti jeho ekonomiky asi není překvapení, že v zemi konstruktérů Sputniku jaderný kosmický program de facto skončil. I přesto, že ruská kosmická agentura Roskomos čas od času vyšle do světa zprávu, že se chystá pokračování vývoje jádra pro použití v kosmu, reálných nových výsledků jsme se od něj od 90. let nedočkali.

To dlouho platilo i pro tradičního rivala Ruska v kosmickém výzkumu, Spojených státech. Američané vyslali do vesmíru pouze jeden jediný pokusný reaktor, který fungoval zhruba měsíc a půl. USA měly i program vývoje jaderných kosmických pohonů, který v 60. a částečně i 70. letech spolykal 100 milion dolarů z veřejného rozpočtu, ale neměl žádný praktický výsledek.

NASA tak měla s jadernou technologií špatné zkušenosti a nové projekty v tomto oboru neměly prakticky žádnou šanci na úspěch. „Měl jsem chuť odejít jinam, i když jsem tomuto oboru věnoval celý svůj život,“ vzpomínal v minulém roce na nedávnou minulost jaderný fyzik David Poston z laboratoří v Los Alamos.

Práce na přípravě prototypu reaktoru Kilowpower o výkonu 10 kW (kredit NASA)
Práce na přípravě prototypu reaktoru Kilowpower o výkonu 10 kW (kredit NASA)

Právě jeho týmu se nakonec podařilo odpor NASA ovšem zlomit – a to především spořivostí. Poston a spol. si vybrali u kolegů z laboratoře a jiných pracovišť všechny „protislužby“, na které si vzpomněli, nadělali spoustu nových podobných „dluhů“. Díky tomu se jim s téměř zanedbatelnými náklady (řádově za miliony korun) podařilo sestavit experiment, ve kterém v roce 2012 ukázali hlavní součástky jaderného reaktoru nové generace.

Na základě tohoto výsledku pak dostali již zajímavějších 25 milionů dolarů (tj. půl miliardy korun), postavili první americký reaktor pro využití ve vesmíru za posledních několik desetiletí. Doslova tak zvzkřísili z mrtvých americký jaderný kosmický program.

Díky, mistře Stirlingu

Jejich zařízení nese název Kilopower. Tak jako starší sovětské kosmické reaktory je konstrukčně velmi jednoduché, ale v řadě důležitých ohledů však u něho došlo k doslova revolučním vylepšením. Klíčovým rozdílem je výrazně vyšší účinnost při výrobě elektřiny, která se pohybuje o řád výše než v případě předchozích sovětských reaktorů: okolo 20 procent.

Hlavní roli v tom hraje nový systém přeměny tepla v elektřinu. Teplo z reaktoru vyvádí tepelná trubice, jež ho předává do systému na výrobu elektřiny, který nikdy předtím v reaktoru nebyl využitý, do tzv. Stirlingova motoru.

To je velmi jednoduchý uzavřený motor, který si s okolím vyměňuje pouze teplo. Píst se v něm pohybuje díky změnám teploty plynu, který je pevně uzavřen v motoru. Stirlingův motor má různé podoby, ale můžete si ho představit jako pístový motor, který má „teplou“ a „studenou“ část. Rozdíly teplot způsobují změnu objemu plynu v motoru, to rozpohybuje píst, a tak se teplo mění na mechanický pohyb.

Ukázka Stirlingova motoru v chodu (kredit Paul U. Ehmer, CC 3.0)
Ukázka Stirlingova motoru v chodu (kredit Paul U. Ehmer)

Stirlingovy stroje se z různých důvodů nedočkaly takového rozšíření jako parní stroje, které vznikly zhruba ve stejné době. Ovšem na rozdíl od parních strojů zájem o jejich využití přetrvává dodnes. Teoreticky může být jejich účinnost poměrně vysoká, navíc se mohou využít i tam, kde se jiné motory s otevřeným cyklem využít nedají, například právě ve vesmíru. Nová generace Stirlingových motorů nevznikala primárně pro Kilopower, ten – a samozřejmě také jiné kosmické jaderné reaktory – z tohoto pokroku ovšem může velmi výrazně profitovat.

Přestože se v poslední době zdá, že první zkoušky proběhnou s vysoce obohaceným palivem, původní návrhy počítaly s nízko i vysoce obohaceným palivem (samozřejmě reaktor musí být konstruovaný v každém případě trochu jinak, ale oba návrhy jsou připravené). Využití nízko obohaceného paliva zvýší hmotnost, na druhou stranu například s takovým palivem mohou nakládat i běžné komerční subjekty a nepodléhá stejné kontrole jako „zbraňový“ uran, který využívá verze s obohaceným palivem.

Reaktor má snadno regulovatelný výkon, je pasivně bezpečný (tedy měl by se chladit bez potřeby dodávek energie) a jeho výkon se „přirozeně“ reguluje podle odběru. Reaktory je možné stavět v různých velikostech, ve hře jsou varianty s výkonem od 1 do 10 kW.

V reálném provozu by měl dodávat stálý výkon více než 10 let, prakticky bez ohledu na okolní podmínky. Největší problém pro něj představuje asi zvýšená teplota. Systém se musí zbavovat přebytečného tepla, což se děje s pomocí radiátoru, který na přímém slunečním záření samozřejmě funguje hůře než ve stínu. V oblastech blízko Slunce je takový systém nepraktický, v extrémních případech by mohl být zcela nepoužitelný.

Konec druhé, závěrečné části textu. První část najdete na této stránce.

Související články

Vložit komentář...