Začnou se ve vesmíru konečně využívat jaderné reaktory?

Od září do března 2018 proběhly intenzivní testy nového reaktoru pro vesmír Kilopower. Závěrečná série byla věnována provozním testům v letových podmínkách ve vakuové komoře. Vzhledem k obnovenému zájmu o Měsíc a Mars by se tentokrát mohly reaktory opravdu začít ve vesmíru využívat. Podívejme se na současnou situaci i reaktor podrobněji.

V posledních letech se obnovil zájem o návrat člověka na Měsíc a lety na Mars. Znovu se uvažuje o letech automatů k velkým planetám a do vnějších oblastí Sluneční soustavy, případně až za její hranici. O letech k Marsu neuvažují jen státní instituce, ale také soukromníci. Energetické potřeby takových projektů v tomto případě nelze zajistit bez využití jaderných zdrojů založených buď na radionuklidových generátorech, nebo štěpných reaktorech. Podrobně jsou možnosti popsány v článku o jaderných zdrojích pro vesmírnou kolonizaci a v dřívějším článku o jaderných zdrojích.

Současný stav u radionuklidových zdrojů pro vesmír

V zmíněném pozdějším článku je také rozebráno, že v současné době je situace s těmito technologiemi velice špatná. Potenciální aspiranti na let k Marsu nebo budování základny na Měsíci nemají možnost tyto zdroje pro zmiňované projekty zajistit. Vesmírné radionuklidové zdroje byly dominantně založeny na využívání plutonia 238. Takové zásobovaly lunární základny zbudované americkými misemi Apollo, sondy, které studovaly Jupiter, Saturn, Neptun i Pluto, a pohánějí i marsovské vozítko Curiosity. Ovšem Spojené státy ztratily schopnost produkovat plutonium 238. K jeho výrobě z neptunia 237 ozařováním intenzivním tokem neutronů jsou potřeba speciální reaktory. Ty pracovaly v zařízení Savannah River, ale v roce 1988 se produkce plutonia 238 zastavila. Později sice menší množství tohoto radionuklidu koupila NASA z Ruska, přesto má v současné době pouze zhruba 35 kg a to ještě je 18 kg ve špatné kvalitě s nutností vyčištění. Ani ve světě není tento radionuklid v množství větším než několik kilogramů.

Je třeba připomenout, že původní zdroje GPHS-RTG, které byly například na sondách Voyager, Galileo, Cassini nebo New Horizons, potřebovaly zhruba 11 kg plutonia 238 a dokázaly produkovat zhruba 240 W_e elektrického výkonu. A sonda Cassini měla takové zdroje tři. Pokud by se vyčistily všechny současné zásoby, stačilo by to na jednu misi Cassini. Nové zdroje MMRTG, jejichž elektrický výkon je 100 We, potřebují 4,8 kg plutonia 238. Takový využívá vozítko Curiosity. V současnosti je jeden takový připraven pro nové vozítko (biologickou laboratoř) pro Mars.

V posledních letech se objevily snahy znovu obnovit výrobu plutonia 238 s využitím existujících výzkumných reaktorů HFIR a ATR, ovšem roční produkce bude v nejlepším případě 1,5 kg. Což zlepší situaci jen minimálně. Další možností je vývoj úplně nového radionuklidového zdroje, který by využíval americium 241. To má delší poločas rozpadu a tím i menší aktivitu zdroje. Paliva tak bude třeba mít více. Podstatnější problém však je daleko vyšší intenzita emise záření gama, což klade vyšší nároky na stínění. Obrovskou výhodou je naopak to, že je součástí vyhořelého paliva z klasických jaderných reaktorů. Z něho je lze získávat. V jejich vývoji se angažuje Evropa, hlavně Velká Británie, která má závody pro přepracování vyhořelého paliva. Podrobně je problematika okolo paliva pro radionuklidové zdroje popsána zde a zde.

Štěpné reaktory pro vesmír

To je jedním z důvodů, proč se v posledních letech obrátila NASA spolu s laboratoří Los Alamos opět k vývoji jaderných reaktorů. Výhodou štěpných reaktorů oproti radionuklidovým zdrojům je i větší výkon, který mohou poskytnout. Z oblasti stovek wattů se tak lze posunout k jednotkám až desítkám kilowattů i výše. Na vesmírné reaktory pro kosmické aplikace jsou kladeny velmi specifické požadavky. Musí být co nejkompaktnější a nejlehčí. Proto mají velmi vysoké obohacení uranem 235, které dosahuje a překračuje 90 %. I to je důvod, proč pracují při velmi vysokých teplotách. Ty zároveň zvyšují efektivitu konverze tepelné energie na elektrickou. Velmi důležité jsou také nároky na bezpečnost a spolehlivost, většinou nelze spoléhat na možnost opravy či zásahu člověka. Je tak třeba co nejvíce uplatňovat pasivní bezpečnostní prvky. Také je třeba, aby reaktor fungoval co nejdéle bez výměny paliva.

Američané vyvinuli jaderný reaktor pro vesmír v šedesátých letech a jeden jeho kus do vesmíru poslali. Daleko intenzivnější byl v této oblasti vývoj v bývalém Sovětském stavu. Zde se využívaly reaktory pro napájení radaru na vojenských družicích RORSAT, které sledovaly americké vojenské ponorky.

Nejmodernějším modelem vesmírného reaktoru byl TOPAZ, vyvinutý hlavně v sedmdesátých letech, který využíval termionickou přeměnu tepla na elektřinu. Na oběžnou dráhu se dostal v roce 1987. Jednalo se o reaktor chlazený tekutým kovem (slitinou sodíku a draslíku), takže jeho pracovní teplota mohla být 610 °C. Maximální teplota uvnitř aktivní zóny však mohla dosahovat až téměř 1900 °C. Tento velice dobrý reaktor měl také vysoké obohacení o hodnotě 90 %. Uran o hmotnosti 12 kg byl ve formě oxidu uraničitého. Reaktor byl klasický tepelný s moderovanými neutrony, moderátor byl hydrid zirkonu. Celková hmotnost reaktoru byla 320 kg a tepelný výkon 150 kW. Využíval beryliový reflektor, který odrážel neutrony zpět do aktivní zóny. V něm byly umístěny rotující válce částečně z beryllia odrážejícího neutrony a materiálu, který neutrony pohlcují. Ty zajišťovaly bezpečné ovládání i zapnutí a vypnutí reaktoru. V tomto případě se používala termionická přeměna tepelné energie na elektrickou s účinností až okolo 5 %, elektrický výkon byl 5 – 10 kW_e a plánovaná provozní doba 12 měsíců.

Vylepšená varianta reaktoru označená jako TOPAZ II se už do vesmíru nedostala. Ten má hmotnost paliva 27 kg a obohacení až 96 %, celková hmotnost reaktoru je něco přes 1000 kg. Aktivní zóna má výšku 920 mm a průměr 408 mm. Tepelný výkon je 135 kWt a elektrický pak okolo 6 kWe. Větší velikost aktivní zóny vedla k prodloužení aktivní délky činnosti reaktoru na 3 roky.

Odkoupila jej také organizace NASA, aby zrychlila vývoj svých nových reaktorů a jeho další testy i vývoj probíhaly v mezinárodní spolupráci. Ta však byla v roce 1993 z finančních důvodů zakončena. Dominantním důvodem však bylo, že ve výhledu nebyly žádné reálné projekty na Měsíci a Marsu, které by tyto projekty vyžadovaly.

Na začátku tohoto století se opět rozběhl ve spolupráci NASA, DOE a laboratoře Los Alamos projekt vývoje nových vesmírných reaktorů. Byla snaha co nejvíce vycházet z předchozích zkušeností a reaktoru TOPAZ. Z podobných důvodů jako v předchozích případech byl však projekt opět ukončen, aniž by se dostal do stádia intenzivnějších testů.

Projekt Kilopower

V roce 2014 se začal vývoj reaktoru s označením Kilopower. Cílem bylo do tří let připravit prototyp zdroje, který by dodával elektrický výkon 1 až 10 kWe po dobu nejméně deseti let. Projekt navázal na testy systému DUFF (Demonstration Using Flattop Fission), které provedl stejný tým v roce 2012. Šlo o první reálné testování vesmírného reaktoru v USA od šedesátých let minulého století. Teplo z reaktoru pohánělo dvojici Stirlingových motorů. Celkově systém dokázal produkovat elektrický výkon 25 W_e. Úkolem experimentu bylo testovat principy produkce tepla a jeho převodu na elektřinu pro jednoduchý systém určený k vesmírným aplikacím, který by využíval jaderný reaktor a Stirlingovy motory.

Reaktor využívá vysoce obohacený uran v kovové podobě ve slitině s molybdenem a beryliový reflektor. Má jednu kontrolní tyč s příměsí bóru absorbujícího neutrony. Jeho celková hmotnost je srovnatelná s reaktorem TOPAZ II. Teplo se z reaktoru odvádí pomocí teplovodných trubic vyplněných tekutým sodíkem. Ty odevzdávají teplo Stirlingovým motorům. Odpadní teplo se vyzařuje pomocí radiátoru z uhlíkových kompozitů. Plánují se různé konfigurace rozdílné velikosti i výkonu. Největší s výkonem 10 kW by měla mít hmotnost 1800 kg. Tedy měrný výkon zhruba 5,5 W/kg.

Podle plánu se nejdříve provedly zkoušky jednotlivých komponent reaktoru a pak i jeho celku bez paliva. Pracovní teplota systému je u tohoto roku 800 °C. Bylo tak třeba vyzkoušet termomechanické vlastnosti konstrukce a paliva za těchto teplot i celý průběh odvodu tepla z aktivní zóny ke Stirlingovým motorům pomocí pasivního systému teplovodných trubek s tekutým sodíkem. To se podařilo v roce 2015.

V následujícím roce se testoval hlavně převod tepelné energie na elektrickou pomocí Stirlingových motorů. S těmi už má NASA zkušenosti, i když pouze na Zemi. Vyvíjely se pro radionuklidové zdroje. Pro Kilopower bylo vypracováno několik variant, ale základním konceptem bylo využití osmice Stirlingových konvertorů, z nichž každý by poskytoval 125 We výkonu. Celkově by tak zdroj měl 1 kWe. Reálné zkoušky se však z finančních důvodů prováděly se Sirlingovými konvertory o výkonu 70 We, které byly vyrobeny pro pokročilé radionuklidové zdroje ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator). Ty byly pouze dva, takže se sloty pro šest zbývajících při zkouškách osadily maketami.

Reaktor využívá vysoce obohacený uran. Je tak důležité, aby bylo možné naplnit aktivní zónu palivem až těsně před startem a v dobře kontrolovaných podmínkách. Podařilo se vyprojektovat takový systém, který umožňoval zaplnění aktivní zóny již za 12 hodin. S dalšími instalacemi a testy celé sestavy pak předstartovní příprava reaktoru nepřekročí čtyři pracovní dny.

Než se přikročilo ke zkouškám s obohaceným uranem, testovalo se chování sestavy s uranem ochuzeným. Štěpný tepelný zdroj nahradil v tomto případě elektrický ohřev. Taková sestava umožnila vyzkoušet termomechanických vlastností celé konfigurace, průběh zaplňování aktivní zóny palivem i další manipulace s reaktorem.

V roce 2017 se vývoj nového reaktoru dostal do fáze, kdy se mohlo přikročit k testování prototypové jednotky i s obohaceným uranem v rámci experimentu KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY). Součástí bylo několik kritických experimentů s aktivní zónou, které testovaly její neutroniku, reaktivitu a průběh štěpné řetězové reakce v různých podmínkách. Začínalo se při nulovém výkonu, postupně se přešlo k režimům při nízkém výkonu, který se zvyšoval, až se přešlo k testům horkým.

Plán zkoušek byl navržen od listopadu 2017 do konce března 2018. Jeho vrcholem pak byl 28 hodin trvající běh reaktoru při plném výkonu a pracovní teplotě 800 ˚C. Ten se uskutečnil právě na konci března. Při experimentech se využila i vakuová komora, aby se navodily podmínky vesmírného letu. Průběžně se také testovalo chování reaktoru při různých provozních i havarijních situacích. Například při ztrátě funkce některé teplovodné trubky nebo Stirlingova motoru, či dokonce při úplné ztrátě chlazení. V tomto případě vede zvýšení teploty k vyšším radiačním tepelným ztrátám, tepelné záření tak stačí vznikající teplo odvést do vakua. Soubor testů byl ukončen koncem března právě zmíněným více než jednodenním provozem při plném výkonu.

Závěr

Úspěšný experiment KRUSTY je zásadním krokem k cestě k letovému exempláři vesmírného jaderného reaktoru. Tentokrát je velká šance, že se tato cesta dokončí a reaktor Kilopower se do vesmíru dostane. Byl by to zásadní průlom, který by vědcům umožnil začít pracovat na projektech sond do vzdálených oblastí Sluneční soustavy. Například misi k průzkumu Saturnu a jeho měsíce Titanu, k družici okolo Chironu a k sondě, která by zakotvila na oběžné dráze okolo tělesa v Kuiperově pásu. V tomto případě by nenapájel reaktor pouze přístroje sondy, ale také iontové motory. Bez jaderných zdrojů jsou tyto mise nemyslitelné.

Nutné jsou také pro automatické i obydlené základny na Měsíci, hlavně v kráterech na jeho pólech. Tam se sluneční svit téměř nedostane. Využití vesmírné stanice, kterou plánuje NASA budovat, by bez nich bylo velmi omezené. Klíčové jsou zdroje energie i pro cesty a pobyt na Marsu. Bez jaderných zdrojů jsou zde jen velmi omezené možnosti a lidská základna není bez nich myslitelná.

Kilopower by mohl problém se zásobováním energií v těchto případech vyřešit. Jeho modifikace by spolehlivě fungovaly v různých prostředích a modulárně by se mohly sestavovat větší celky, které by zajistily výkony od jednotek až po desítky kilowattů. Základní podmínkou však je, aby tyto výkony byly ve vesmíru potřeba. Současná aktivita v oblasti přípravy misí k Měsíci a Marsu u soukromníků i státních organizací však vzbuzuje optimismus. Je tak velmi pravděpodobné, že se s touto technologií budeme setkávat na Měsíci, Marsu i dále již během několika let.

Doporučená četba:  Marc A. Gibson, Steven R. Oleson, David I. Poston, Patrick McCure  NASA’s Kilopower Reactor Development and the Path to Higher Power Missions, NASA Report

Psáno pro Kosmonautix a Osla.

Úvodní fotografie: Umělecká vize reaktoru Kilopower (Zdroj Los Alamos)