Než se pustíme do našeho (naštěstí jen na pohled) velmi „explozivního“ tématu, dovolme jedno upřesnění. Budeme se věnovat opravdu jen „jaderným reaktorům“. Tedy zařízením, ve kterých se velmi zjednodušeně řečeno nějakým způsobem uměle rozběhne rychlejší štěpení vhodného materiálu.
Pro výzkum kosmu se častěji používají tzv. radioizotopové termoelektrické generátory, zkráceně RTG. V těch se přirozeným tempem rozkládají prvky, které v přírodě nenajdete (třeba plutonium). Nenajdete je přirozeně právě proto, že se tak ochotně rozkládají.
Ničit družice a ohromit svět. Sověti chystali raketoplán už v roce 1958 |
RTG zdroje jsou poměrně běžné, do vesmíru se jich dostalo několik desítek. Jeden pohání například sondy Voyager, vozítko Curiosity na Marsu, další se používají, nebo se mají použít na lety do vzdálenějších části Sluneční soustavy, kde je sluneční záření slabší.
Na oběžné dráze Země v tuto chvíli krouží 31 družic s jaderným reaktorem. Všechny jako palivo používaly uran obohacený na úroveň, kterou lze považovat za dostatečně vhodnou pro použití v jaderných zbraních spíše než pro běžné elektrárny. Všechny jsou nefunkční a „zaparkované“ poměrně vysoko nad našimi hlavami.
Kdo je tam poslal a proč?
S popisem reaktorů začněme v USA, a to jen z toho důvodu, že půjde o krátkou zmínku. USA vypustily do vesmíru jediný jaderný reaktor pod názvem SNAP-10A, a to v dubnu 1965.
Měl hmotnost zhruba 450 kilogramů, z čehož pouze 1,3 kilogramu připadalo na uran 235. Palivo bylo vysoce obohacené (90 procent tvořil U235, u běžných elektráren to nejsou ani čtyři procenta). Přitom vyráběl jen 35 kW tepla a pouze 600 W elektrického výkon. Nestačil by tedy v podstatě ani na většinu mikrovlnek.
Příčina tkví ve velmi neefektivním způsobu přeměny tepla v elektřinu, v případě SNAP-10A s ani ne dvouprocentní účinností. Na Zemi používáme turbíny, které dnes mají účinnosti kolem 40 procent, pro použití v kosmu se ovšem nehodí. Chce to něco jednoduššího a první, co konstruktéři mohli reálně použít, byla přímá přeměna tepla na elektřinu pomocí termoelektrického jevu.
Je to stejný princip jako u radioizotopových zdrojů. Zjednodušeně řečeno se udělá polovodičový okruh, jehož jedna část je v teple (u uranu/plutonia) a druhá v chladu. Čím větší je rozdíl v teplotách mezi oběma stranami, tím větší se vytváří napětí. V tomto případě by teplo z reaktoru vyváděl tekutý sodík. Ohříval jednu stranu obvodů, které se druhým koncem chladily ve vesmíru. Systém je jednoduchý, spolehlivý, ale bohužel velmi neúčinný, jak bylo vidět i v případě SNAPu.
Americké plány odhadovaly, že reaktor by na oběžné dráze mohl pracovat zhruba rok. Po 43 dnech ho bohužel z provozu vyřadila chyba zcela nesouvisejícího komponentu (stabilizátoru napětí), která vedla k nouzovému odstavení reaktoru a ukončení experimentu.
Schéma prototypu jaderného reaktoru NASA KiloPower s důrazem na jeho „vypínač“. Žlutou barvou vyznačené beryliové neutronové „zrcadlo“, správně reflektor, kterým se dá regulovat výkon reaktoru. Vlevo je před začátkem experimentu, v poloze „vypnuto“. Příliš mnoho neutronů z rozpadajícího paliva odlétá pryč do prostoru, nedokáže tedy rozbíjet další atomy a reaktor v podstatě nepracuje (nějaké rozpady v něm probíhají, ale na výrobu elektřiny to nestačí). Vpravo jsou reflektory zasunuté kolem „jádra“, tzv. aktivní zóny a reaktor tedy jede na plný výkon, protože maximum neutronů vzniklých při rozpadu se odráží znovu do prostoru, kde je palivo a kde štěpí další a další atomy.
Na sledování moří
SNAP-10A stále je na oběžné dráze, ale čelí mnohonásobné ruské přesile. Na rozdíl od USA totiž SSSR používal jaderné reaktory na družicích systematicky. Všechny zbylé tři desítky reaktorů na oběžné dráze jsou tedy „Cделано в СССР“.
Obecně a poněkud zjednodušeně se uvádí, že Kreml využil svých silných nosičů, aby kompenzoval slabost elektroniky. Reaktory sloužily jako zdroj pro velmi „hladové“ radary na palubě špionážních družic, které měly sledovat hladinové lodě USA a jejich spojenců.
Ruská federace (Rusko) je hlavním následnickým státem Sovětského svazu (SSSR), který se rozpadl roku 1991. |
Oficiálně všechny tyto družice nesly název Kosmos, protože byly označovány za prostředky vědeckého výzkumu Země. Ruský název pro řadu byl Управляемый Спутник Активный (tedy Ovladatelná aktivní družice), na Západě se vžila zkratka RORSAT.
Radary na palubě těchto družic potřebovaly cca 1 kW elektřiny, satelity se přitom pohybovaly po dráze od jednoho pólu k druhém - což znamená, že polovinu času byly ve tmě. Navíc využitelnost radarů rychle klesá se zvyšující se vzdáleností (přesně se čtvrtou mocninou), a tak satelity musí být na nízkých oběžných drahách. Na nich by však fotovoltaické panely stále ještě představovaly aerodynamickou zátěž. Proto padla volba na využití jaderných reaktorů.
Většina, 31 z celkem 33 družic této řady (seznam např. zde), měla na palubě reaktor nazvaný BES-5 (či „Buk“). Palivem byl vysoce obohacený uran (90 procent tvořil aktivní izotop 235U), kterého je na palubě údajně zhruba od 30 do 45 kilogramů.
Celý reaktor má hmotnost 900 kilogramů a vyráběl 100 kilowattů tepla. Elektřina se vyráběla termoelektricky, takže nepříliš účinně. Elektrický výkon byl zhruba od 1,3 do 4 kW. Maximální délka provozu byla půl roku, v praxi to častěji bylo něco mezi čtyřmi až pěti měsíci.
V SSSR vyvíjeli pro vesmírné využití ještě několik dalších reaktorů. Tím nejpokročilejším typem, který SSSR do vesmíru skutečně dostal, byl v roce 1987 typ označovaný jako TOPAZ. Stejně jako předchozí BES-5 pracuje s vysoce obohaceným palivem, aby mohl být reaktor co nejlehčí a nejvýkonnější.
Ovšem design byl odlišný. Šlo o reaktor chlazený tekutým kovem (konkrétně slitinou sodíku a draslíku), který měl pracovní teplotu cca 610 °C (maximální teplota v aktivní zóně mohla být až třikrát vyšší).
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.
Vysoká teplota se využila při výrobě elektřiny. Používalo se jiného procesu než u BES-5 či Voyageru, a to tzv. termionické přeměny. Tento jev byl v roce 1893 objeven v Edisonových laboratořích. Velmi jednoduše řečeno znamená, že některé materiály při velmi vysokých teplotách uvolňují elektrony, což je také způsob, jak přímo z tepla vyrábět elektřinu.
Vývoz zpět do rodné země zakázánV roce 1991 byl na vědecké konferenci o využití jaderné energie v kosmu v americkém Albuquerque vystaven nefunkční technologický prototyp reaktoru TOPAZ. Byl to tedy v podstatě velmi věrný model, který nebyl připraven k provozu. Organizátory velmi překvapilo, když americký úřad pro regulaci jaderné energie Nuclear Regulatory Commission rozhodl, že se exponát nesmí vrátit do země svého původu. Podle něj šlo o zařízení, které by šlo upravit do funkční podoby a tedy využít k výrobě jaderné energie. A vývoz všech jaderných technologií z USA do SSSR zákon zakazoval. Trvalo celkem pět měsíců, než se problém podařilo obejít. Úřad nakonec po dlouhých jednáních změnil klasifikaci zařízení, aby nešlo o „v jaderném odvětví využitelný“ komponent, a TOPAZ se znovu mohl vrátit do Ruska. |
Účinnost je o něco vyšší než u termoelektrických článků, ale teploty musí být výrazně vyšší. Vyvinout materiály, které splní všechny nároky včetně odolnosti proti radiaci, není triviální a v materiálovém ohledu byl po skončení studené války jeho nástupce TOPAZ-II, o kterém bude ještě řeč, zajímavým studijním materiálem.
Díky zvýšení účinnosti výroby elektřiny na zhruba pět procent (z cca 1-2 procent) se snížila hmotnost celého reaktoru i paliva na palubě. TOPAZ dodával 5-10 kW údajně až po dobu jednoho roku při celkové hmotnosti 320 kilogramů a jen s 12 kilogramy uranového paliva.
Existovala již zmíněná vylepšená varianta TOPAZ-II, která byla připravena k cestám na oběžnou dráhu, ale nakonec putovala jen po Zemi. Šlo o větší zařízení s hmotností kolem tuny, které mělo zhruba stejné výkony (vyrábělo 135 kW tepla, 6 kW elektrických), ale díky své velikosti mohlo energii dodávat delší dobu, údajně zhruba tři roky. V aktivní zóně bylo zhruba 27 kilogramů paliva.
TOPAZy-II už SSSR ani Rusko do vesmíru nevyslalo. V 90. letech krátce žila naděje, že by mohly letět ve spolupráci s cizinou, dokonce se několik zařízení na Západě intenzivně testovalo, údajně úspěšně. Konkrétní výsledek v podobě letu se ovšem nedostavil.
Záběr přes okno vakuové komory na test zařízení pro reaktor Kilopower připravovaný NASA. Konkrétně šlo o zkoušku přenosu tepla pomocí pasivního systému teplovodných trubek s tekutým sodíkem. Teplota v systému je více než 800 ˚C.
Kdy nám to spadne na hlavu? Čas máme
Tolik k tomu, jaké reaktory na oběžné dráze jsou. Ale co bude, až se na ní neudrží? Naštěstí tato otázka nenapadla jen nás, ale i konstruktéry a zadavatele.
Díky tomu můžeme říci, že nebezpečí, které od těchto „vraků“ hrozí, je směšně malé. Družice a jejich reaktory byly postaveny tak, aby měly několik pojistek. Jak jsme již uváděli, reaktory sloužily svému účelu poměrně krátkou dobu. Po skončení životnosti u drtivé části naskočila naprogramovaná „pojistka“ a raketový motor reaktorovou část vynesl na vyšší oběžné dráhy (téměř kruhové dráhy cca 800 až 900 kilometrů nad povrchem).
Začátky vesmírné špionáže: Úspěch vymazal stovky ruských raket |
Na té by měly zůstat tak dlouho, že v „dohledné době“ nebudou představovat problém. Neznamená to, že na Zem se případně vrátí zcela neaktivní. Většina U235 na palubě se během doby fungování reaktoru přeměnila na jiné prvky, které obecně řečeno se rozpadají relativně rychle. V době návratu satelitu na Zem nejdříve za několik set let a spíše později by tedy celkový zářivý výkon materiálu satelitu měl být mnohonásobně nižší než v okamžiku startu.
Neštěstí ovšem nechodí jen po lidech, a v několika případech vše nezafungovalo, jak mělo. Například jediná americká „jaderná“ družice SNAPSHOOT s reaktorem SNAP-10A na palubě byla po ukončení provozu sice zaparkována na vysoké oběžné dráze, ale v bezpečí přesto evidentně nebyla. V roce 1979 se z ní postupně začaly „drobit“ menší kusy, dnes už jich máme napočítaných více než 110. Většina z nich je vysloveně drobných, menších než deset centimetrů.
V roce 1985 se také z neznámých důvodů na oběžné dráze rozpadla družice Kosmos 1461. Celkem se rozložila na 180 kousků, z nichž je ještě několik na oběžné dráze. Neměla by spadnout brzy, řádově až za tisíce let.
Here is a plot showing that most of the 180 objects came off in 1985, but a few clearly separated from what's left of the main sat at later dates - unclear if this is secondary debris impact or continued internal energy release https://t.co/FfTcPWk9Rn
Tento konkrétní problém tedy nejspíše přenecháme budoucím generacím. S dovětkem, že to asi nebude ten největší problém, který po nás zdědí.
Tři družice z „jaderné řady“ na Zemi nicméně již dopadly. Konkrétně to byl Kosmos 556 (v roce 1973), 954 (v roce 1977) a 1402 (v roce 1983). Dva z nich spadly do oceánu, Kosmos 556 do Tichého oceánu krátce po startu kvůli selhání nosné rakety. Kosmos 1402 se rozpadl při pokusu o vynesení reaktoru na vyšší dráhu ve třech větších kusech mezi 30. prosincem 1982 a 7. únorem roku následujícího. Poslední padl k zemi právě reaktor a zanikl nad jižním Atlantikem.
Třetí z postižených, Kosmos 954, byl jediný, který dopadl na pevninu. Smůlu v loterii měla Kanada.
Konec prvního dílu. Jak nejslavnějšího havárie jaderného satelitu dopadla, se dočtete ve středečním pokračování článku.
