Štefan Čerba

Ako si iste spomínate, v mojom predošlom blogu sme otvorili problematiku využitia jadrovej energie vo vesmíre. Povedali sme si o výhodách rádioizotopových zdrojov, ale aj o tom, že pri dosahovaní vyšších výkonových úrovní majú isté obmedzenia. Pri takýchto výkonoch prichádzajú do hry štiepne systémy. Ide o jadrové reaktory ako ich poznáme z klasických jadrových elektrárniach, avšak s úplne inými nárokmi na prevádzku, bezpečnosť a použité materiály. Pozemné jadrové elektrárne sú spravidla obrovské stavby, spolupracujúce s početným množstvom podporných zariadení, vyžadujúce ročnú výmenu paliva a špeciálnu infrakštruktúru. Naopak, vesmírny reaktor musí byť kompaktné zariadenie, ľahko a bezpečne transportovateľné, nevyžadujúce reguláciu a umožňujúce prevádzku niekoľko (aj desiatok) rokov bez možnosti ľudského zásahu a výmeny paliva.

Z hľadiska bezpečnosti je najdôležitejší jeho transport, nakoľko prípadný pád vesmírného reaktora obsahujúci prípadne aj nemalé množstvá chemicky toxického plutónia späť na zemský povrch by mohol mať fatálne následky. Ak sa však takéto zariadenie dostane mimo zemskej tiaže, nepredstavuje výraznejšie bezpečnostné riziko.

Prvé lastovičky

Špionážna družica

Kým v prípade rádioizotopových zdrojov dosiahlo najväčšie úspechy USA, Ruská federácia využívala vo veľkej miere štiepne systémy. Aj keď prvým vesmírnym reaktorom bol americký systém SNAP-10A (1965), v Sovietskom zväze boli na napájanie špionážnych satelitov využívané štiepne systémy s označením US-A (Upravlyaemy Sputnik Aktivnyj). Podobnosť skratky s ekonomicko-vojenským konkurentom Sovietskeho zväzu počas studenej vojny zrejme nebude náhodná. Na západe boli tieto systém často označované aj ako systémy RORSAT (Radar Ocean Reconnaissance Satellite). Načo slúžili? Zabezpečovali kontinuálne monitorovanie aktivít Severoatlantickej aliancie, kde jadrový reaktor napájal aktívny radar pracujúci v nepretržitej prevádzke. V období medzi rokmi 1966 a 1988 spustili celkovo 33 systémov US-A, z čoho 31 bolo napájaných jadrovým reaktorom typu BES-5. Išlo o štiepny reaktor využívajúci jadrové palivo s vysokým obsahom izotópu 235U.

Princípom činnosti tohto reaktora pripomína kontrolovanú jadrovú bombu. Za odstaveného stavu obsahuje len podkritické množstvo uránu (kritické množstvo materiálu je také, ktoré je potrebné na zabezpečenie udržateľnej štiepnej reťazovej reakcie) a do prevádzky sa uvádza zavedením zvýšného množstva paliva, takzvanej zápalky. Takýto reaktor môže nečinne stáť desiatky rokov a môže byť ľubovonlne uvedený do prevádzky a následne odstavený. Je to výhoda oproti rádioizotopovým zdrojom, ktoré v dôsledku rádioaktívneho rozpadu plutónia časom degradujú. Aj keď zásoba štiepného materiálu (približne 2-3 kg) by umožnila tepelný výkon na úrovni desiatok kilowatov, reaktory BES-5 nedosahovali väčšie výkony ako 1-2 kW. Výnimkou boli len 2 systémy použíté v satelitoch KOZMOS, ktoré boli napájane reaktormi TOPAZ a dokázali dodat o niečo viac tepelnej energie. Išlo o reaktory chladené kvapalným kovom s vysoko obohateným uránovým palivom.

Likvidácia použitého „vesmírneho“ paliva

Všetky z uvedených systémov boli dizajované na prevádzku 6 až 12 mesiacov. Asi každého zaujíma čo s reaktorom a rádioaktívnym materiálom udialo po naplnení jeho misie. Sovietski dizajnéri reaktorov sa venovali aj týmto otazkam, aj keď riešenia ku ktorým dospeli, možno nepatrili vždy k najšastnejšim. Po skončení doby prevádzky, na ktorú bol reaktor predurčený, bol systém uvedený do takzvaného „nuclear-safe storage orbit” operačného módu. Tento mód spočíval v uložení ožiareného jadrového paliva do špeciálneho sarkofágu a jeho následnom vypustení na vzdialenejšiu orbitu. Väčšinou systém odloženia použitého jadrového paliva na vzdialenú orbitu aj spoľahlivo fungoval.

Trosky družice Cosmos-954

Udialo sa však aj pár neštastných výnimiek ako napríklad prípad reaktora Cosmos-954, ktorý nastal 24. januára 1978. Tento reaktor v dôsledku neštastných náhod nebol uvedený na bezpečnú orbitu a pristál na území Kanady, kde bolo zamorených 124 000 štvorových kilometrov územia. Po odstránení zvyšného rádioaktívneho materiálu zo severozápadu Kanady boli zvyšky reaktora „predané“ do USA ako kovošrot.

Ďalšie 2 reaktory skončili v Tichom resp. Atlantickom oceáne, niektoré sa dostali na vyššie ako plánované orbity. O zvyšných systémoch neboli hlásene žiadne udalosti, napriek tomu sú reaktory v programe US-A považované za hlavný zdroj vesmírnej trosky na blízkej orbite. Podla odhadov sa z týchto reaktorov pri vypuštaní sarkofágu uvolnilo priblížne 120 kg NaK chladiva, ktoré obsahuje nezanedbateľné množstvá rádioaktívneho argónu. Tento rádioaktívny plyn má dobu polpremeny 239 rokov a viaže sa na kvapky kovového chladiva. V prípade návratu kvapôčok uvolneného chladiva do zemskej atmosféry by mohli nastať vážne problémy, ale existujú obavy aj z kolízie zvyšných reaktorových komponentov s vyradenými družicami, ktoré neopustili orbitu. Tento fakt neunikol pozornosti ani Hollywoodskym filmárom, ktorí to prednedávnom použili ako námet úspešného sci-fi.

Rastúci záujem o vesmírny výskum a nové technológie

Vráťme sa ale k reaktorom. Keďže iniciátorom tohto vesmírneho jadrového programu bola studená vojna, po jej skončení bola z finančných dôvodov väčšina výskumných projektov zameraných na vesmírne reaktory pozastavená tak v Rusku ako aj v USA. V poslednom období však vidíme rastúci záujem svetových veľmocí o výskum vesmírnych reaktorov. K Ruskej federácii a USA sa pridala aj Čína, India, Japonsko a Južná Kórea.

Koncepcia vesmírnej stanice napájanej reaktorom

V Los Alamos National Laboratory v USA sa pracuje na návrhu reaktora s označeným FPS (fission power system) s tepelným výkonom 13 kW. Úlohou tohto reaktora bude napájanie vesmírnej stanice počas 15 rokov prevádzky a mal by byť dostupný do roku 2020. Po uvedení reaktora na obežnú dráhu, nebude potrebný žiadny zásah človeka, avšak rizikom môže byť štart zo zeme, keďže ide o systém s vysoko obohateným uránovým palivom. Kórejská republika pracuje na vývoji reaktora KSPR, ktorý by mal mať podobné parametre ako reaktor FPS, ale mal by využívať „bezpečnejšie“ nízko obohatené palivo.

Od jednotiek wattov pri izotopových zdrojoch sme sa pomocou štiepnych systémov posunuli k stovkám kilowattov, ale ako sme si ukázali, pri premene energie reaktora na elektrickú energiu dochádza k obrovským stratám. Čo keby sme sa tepelnú energiu zo štiepenia nesnažili premeniť na elektrickú energiu, ale použili ju na ohrev plynu? Ak by náš reaktor mal dostatočný výkon a zvolili by sme si vhodný hnací plyn dokázali by sme vytvoriť jadrovú raketu. Princíp činnosti takejto rakety je založený na ohreve vhodného plynu (napríklad vodíka) na vysoké teploty a prechodu cez trisky rakety, čím sa vytvára dostatočná vztlakovú sila na opustenie zemskej gravitácie.

Nie je pohon ako pohon

Teraz sa skúsme pozrieť na to, v čom sa takéto systémy líšia od klasických raketových pohonov. Ukážeme si to na príklade cesty na Mars. Koľko si myslíte, že taká cesta môže trvať? Keby sme túto otázku položili skalnému fanúšikovi filmov Star Trek, odpovedal by nám, že pomocou pohonov Warp by to netrvalo viac ako niekoľko sekúnd.

Koncepcia jadrovej rakety

Ja osobne tiež verím, že za 100 či 200 rokov by mohla byť táto technológia dostupná, ale súčasná úroveň poznania raketovej techniky nám umožňuje dostať sa na Mars za 500 dní. Sú to skoro 2 roky, hotová večnosť, a to hovoríme len o ceste tam. Našťastie pomocou jadrovej rakety, by tento čas bolo možné skrátiť na 30 dní. Ušetrili by sme tým zásoby kyslíka, pitnej vody a potravín na palube raketoplánu. Znížili by sme dávky ktoré by personál obdŕžal dôsledkom kozmického žiarenia a naviac by sme predišli psychologickým efektom spojeným s 500 dňovou cestou v uzavretom raketopláne.

Výskum tejto technológie sa robí v USA, v Ruskej federácii ale aj v Kórejskej republike. Dostupnosť prvých exemplárov sa odhaduje na desiatky rokov. Pozítívou informáciou pre nás je, že cesta na Mars za 30 dní bude čoskoro dostupná aj bez technológie z dielne sci-fi už onedlho. Touto pozitívnou správou sa končí môj dnešný blog. Teším sa na vas pri ďalšej epizóde, kde si niečo povieme o medicínskych aplikáciách jadrovej energie.